CN105713832B - 一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置及其使用方法。该装置包括加热管道、非循环供水管道、超细玻璃棉保温材料、原位生物膜采样器、蝶阀、数显温度控制器、温度探头和加热毯。为增加管道与加热毯的接触面积，加热管道呈S型曲折，加热毯包裹于加热管道外。三个温度探头探得的温度会反馈给数显温度控制器，数显温度控制器通过控制加热毯对水体进行恒温加热。非循环供水管道外部包裹超细玻璃棉保温材料，同时非循环供水管道上设置了若干个便于安装原位生物膜采样器的活塞环。管道末端设置了蝶阀，用于控制流速。本发明适用于水温恒定培养生物膜，具有反应灵敏、稳定性好、采样方便、使用安全以及便于调节的优点。

Description

一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及饮用水供水管道生物膜培养的模拟系统，具体涉及一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置，属于供水管网模拟实验技术领域。
背景技术
如今，人们越来越重视供水管网中的生物安全，在饮用水传输过程中，影响生物安全最主要的因素就是生长在管壁上的生物膜，处于衰落期的生物膜会自动脱落至水体中，使得饮用水中微生物的浓度突然增大，造成二次污染。为了深入研究供水管网中的生物膜，人们采用以下两大类模拟系统培养生物膜：第一类是反应器式模拟系统，如环形反应器、CDC生物膜反应器等；第二类是管道式模拟系统，如循环系统、半循环系统和非循环系统。
在实际管道中，管壁上生物膜的生长会受到水流切应力、管材、水力停留时间、水中营养物质等因素的影响。反应器式模拟系统主要通过位于容器内搅拌片的旋转，或通过支架带动采样片的同轴旋转，为采样片的表面提供一定的水流剪切应力，但反应器式模拟系统只能通过调节旋转速度改变水流流速，无法模拟实际管道的水压和水力停留时间，因此，管道式模拟系统比反应器式模拟系统能更直接的反映水流在管道内真实的流动状态。然而，现有的半循环系统和循环系统在运作时，循环水泵会使系统内水温在冬季(室内温度为0～10℃)上升2～3℃，在夏季(室内温度为25～35℃)则会上升更多，现有的非循环系统内的温度只能随着环境变化而变化。因此，现有的管道式模拟系统无法实现在实验室内恒温培养生物膜。
另外，在做循环系统或半循环系统与非循环系统的对比试验时，两个系统由于上述原因常常存在温度差，导致对比试验中微生物生长环境的差别，影响试验结果。目前，克服此问题常用的方法是对循环系统或半循环系统中的管道(或泵)进行喷淋降温，但喷淋法难以控制、效率低且水温仍无法完全降至与非循环系统相同的水平。
综上所述，现有的几种模拟系统都各自存在一些弊端，现有技术对供水管道生物膜培养系统的模拟还不够合理和完善。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置。
一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置包括：数显温度控制器、温度探头、加热毯、电线、非循环供水管道、加热管道以及超细玻璃棉保温材料，数显温度控制器的左侧面设置了两个可连接温度探头的插孔，右侧有一个可连接温度探头的插孔。三个温度探头中的第一温度探头安装在加热管道的末端，第二温度探头安装在非循环供水管道末端，第三温度探头安装在需要作温度对比的装置上。加热毯包裹于S型的加热管道外，加热毯由双螺旋发热线、电插孔和保护套组成；保护套的两侧各设有一个电插孔。在非循环供水管道的采样管道上开孔，并在开孔处固定活塞环，原位生物膜采样器插进活塞环并调整后，用自攻螺丝加以固定；超细玻璃棉保温材料包裹在非循环供水管道外；非循环供水管道上安装用于控制流速的蝶阀；加热毯通过电线与数显温度控制器连接；加热管道连接在非循环供水管道之前。
为了增加管道与加热毯的接触面积，所述的加热管道呈S型曲折，加热毯包裹于S型的加热管道外。
所述的温度探头可感应管道内水体温度，并在数显温度控制器的电子屏幕上显示即时温度。
所述的加热管道为与非循环供水管道管径相同的不锈钢管道，可提高传热效率，并且减小加热管道内微生物生长对后续采样管道的影响。
所述的加热毯内的双螺旋发热线以简谐运动的形式折叠以便于包裹在管道外，两两发热线之间的距离相等，确保被包裹的管道均匀受热。
所述的加热毯保护套的长宽比为9:8，可适用于各种管径的加热管道，对于DN50～100的管道可用一张加热毯包裹，而更大管径的管道可用2～3张加热毯拼接包裹。
所述的加热毯保护套由一层防水材料和一层带粘扣带的尼龙布料组成。
所述的加热毯保护套的两侧各设置一个电插孔，便于用电线连接多张加热毯。
所述的电线为可拔插的普通电线，用于以下三种连接：加热毯与数显温度控制器、多张加热毯之间、温度探头与数显温度控制器。
所述的超细玻璃棉保温材料包裹于整个非循环供水管道上，减少水体从加热管道流出后的热量散失。
所述的非循环供水管道为DN65的PE管，活塞环与原位生物膜采样器安装在一段长5米的采样管道上。活塞环安装于管道两侧，每对活塞环都以90°错开排列，这样可在管道可承受的加工范围内避免水流扰动对生物膜生长的影响。
所述的活塞环与原位生物膜采样器都由PE材料制成，自攻螺丝用于固定原位生物膜采样器。
所述的蝶阀可控制流速。
所述的一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置的使用方法如下：
1)将若干原位生物膜采样器插进活塞环并调整后，并用自攻螺丝固定；
2)调节蝶阀以达到设定的水流流速；
3)选择数显温度控制器的加热控制模式：
第一种是以第三温度探头探得的温度作为加热的参照温度，即当第一温度探头探得的水体温度低于参照温度时，数显温度控制器便控制加热毯处于加热状态；当第一温度探头探得的水体温度与参照温度相等时，数显温度控制器便会进入恒温控制状态，以达到水温恒定的效果；当第一温度探头探得的水体温度高于参照温度时，数显温度恒定控制器会发出警报并停止运行；
第二种是设定加热温度，数显温度控制器可设定0-70℃的加热温度，当第一温度探头探得的水体温度低于设定温度时，数显温度控制器便控制加热毯处于加热状态；当第一温度探头探得的水体温度与设定温度相等时，数显温度控制器便会进入恒温控制状态，以达到水温恒定的效果；当第一温度探头探得的水体温度高于设定温度时，数显温度恒定控制器会发出警报并停止运行。
第一种加热控制模式适用于以非循环供水管道外的水体温度为本装置加热温度参照的情况，第二种适用于自行设置本装置运行温度的情况。安装在非循环供水管道末端的第二温度探头只用于监测，探得的温度变化并不会造成数显温度控制器的应答。
4)当非循环供水管道内的水以满管流的形式流过采样管道时，微生物会附着在原位生物膜采样器上并形成生物膜。当生物膜形成成熟时，只要将原位生物膜采样器取下，便可得到生物膜。
本发明由于采用以上的技术方案，具有以下优点：1)可对实验供水管道的水体温度进行有效控制，避免在生物膜培养过程中温度变化对微生物生长的影响；2)多种加热控制模式；3)温度控制直观方便，能起到保温的效果；4)加热装置内的发热线为双螺旋发热线，可杜绝由加热不当引起火灾等情况，等距排布的方式可使管道受热均匀，避免局部温度过高或偏低；5)加热毯通过采用粘扣带连接，可适用于不同管径和管材的加热管道；6)可根据实际实验需要安装不同种类或材质的原位生物膜采样器，以研究不同管材、管道不同位置的生物膜生长情况。
附图说明
图1为可控温的非循环供水管道生物膜培养装置俯视图；
图2为数显控温加热装置原理示意图；
图3为位于采样管道上的活塞环与原位生物膜采样器示意图；
图中：数显温度控制器1、插孔1-1；温度探头2、安装在加热管道末端的第一温度探头2-1、安装在非循环供水管道末端的第二温度探头2-2、作为加热温度参比的第三温度探头2-3；加热毯3、双螺旋发热线3-1、电插孔3-2、加热毯保护套3-3、粘扣带3-4；电线4；非循环供水管道5、活塞环5-1、原位生物膜采样器5-2、采样管段5-3、自攻螺丝5-4、蝶阀5-5；加热管道6；超细玻璃棉保温材料7。
具体实施方法
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
具体实施例1：
图1、图2和图3构成本发明的具体实施例1，说明如下：
如图1所示，一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置包括：数显温度控制器1、温度探头2、加热毯3、电线4、非循环供水管道5、加热管道6以及超细玻璃棉保温材料7，数显温度控制器1的左侧面设置了两个可连接温度探头的插孔1-1，右侧有一个可连接温度探头的插孔1-1。三个温度探头2中的第一温度探头2-1安装在加热管道的末端，第二温度探头2-2安装在非循环供水管道末端，第三温度探头2-3安装在需要作温度对比的装置上。加热毯包裹于S型的加热管道6外，加热毯3由双螺旋发热线3-1、电插孔3-2和保护套3-3组成；保护套3-3的两侧各设有一个电插孔3-2。在非循环供水管道5的采样管道5-3上开孔，并在开孔处固定活塞环5-1，原位生物膜采样器插进活塞环并调整后，用自攻螺丝5-4加以固定；超细玻璃棉保温材料7包裹在非循环供水管道5外；非循环供水管道5上安装用于控制流速的蝶阀5-5，加热毯3通过电线4与数显温度控制器1连接，加热管道6连接在非循环供水管道5之前。
为了增加管道与加热毯的接触面积，所述的加热管道呈S型曲折，加热毯包裹于S型的加热管道外。
所述的温度探头可感应管道内水体温度，并在数显温度控制器的电子屏幕上显示即时温度。
所述的加热管道为与非循环供水管道管径相同的不锈钢管道，可提高传热效率，并且减小加热管道内微生物生长对后续采样管道的影响。
所述的加热毯内的双螺旋发热线以波浪的形式折叠以便于包裹在管道外，两两发热线之间的距离相等，确保被包裹的管道均匀受热。
所述的加热毯保护套的长宽比为9:8，可适用于各种管径的加热管道，对于DN50～100的管道可用一张加热毯包裹，而更大管径的管道可用2～3张加热毯拼接包裹。
所述的加热毯保护套由一层防水材料和一层带粘扣带的尼龙布料组成。
所述的加热毯保护套的两侧各设置一个电插孔，便于用电线连接多张加热毯。
所述的电线为可拔插的普通电线，用于以下三种连接：加热毯与数显温度控制器、多张加热毯之间、温度探头与数显温度控制器。
所述的超细玻璃棉保温材料包裹于整个非循环供水管道外，减少水体从加热管道流出后的热量散失。
所述的非循环供水管道为DN65的PE管，活塞环与原位生物膜采样器安装在一段长5米的采样管道上。活塞环安装于管道两侧，每对活塞环都以90°错开排列，这样可在管道可承受的加工范围内避免水流扰动对生物膜生长的影响。
所述的活塞环与原位生物膜采样器都由PE材料制成，自攻螺丝用于固定原位生物膜采样器。
所述的蝶阀可控制流速。
所述的一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置的使用方法如下：
在采样管道上开孔，并在开孔处固定活塞环，以方便安装原位生物膜采样器。将原位生物膜采样器插入活塞环并调整到合适位置后，用自攻螺丝加以固定。可用蝶阀控制非循环供水管道内的流速。当非循环供水管道内的水以满管流的形式流过采样管道时，微生物会附着在原位生物膜采样器上并形成生物膜。当生物膜形成成熟时，只要将原位生物膜采样器取下，便可得到生物膜。
安装加热装置时，将加热毯缠绕在管道外，并用粘扣带固定。若管道直径大于DN100，则可将多张加热毯重叠包裹，并通过电插孔用电线连接；若想延长加热范围，可将多张加热毯并联包裹在管道外，并通过电插孔用电线连接。
装置开启后，选择数显温度控制器的加热控制模式：
第一种是以温度探头探得的温度作为加热的参照温度，即当温度探头探得的水体温度低于参照温度时，数显温度控制器便控制加热毯处于加热状态；当温度探头探得的水体温度与参照温度相等时，数显温度控制器便会进入恒温控制状态，以达到水温恒定的效果；当温度探头探得的水体温度高于参照温度时，数显温度恒定控制器会发出警报并停止运行。
第二种是设定加热温度，数显温度控制器可设定0-70℃的加热温度，当温度探头探得的水体温度低于设定温度时，数显温度控制器便控制加热毯处于加热状态；当温度探头探得的水体温度与设定温度相等时，数显温度控制器便会进入恒温控制状态，以达到水温恒定的效果；当温度探头探得的水体温度高于设定温度时，数显温度恒定控制器会发出警报并停止运行。安装在非循环供水管道末端的温度探头只用于监测，探得的温度变化并不会造成数显温度控制器的应答。
具体实施例2：
本实施例的特点是：所述的PE非循环供水管道还可采用PVC、uPVC及球墨铸铁等管道材料，其余同具体实施例1。
具体实施例3：
本实施例的特点是：所述的PE原位生物膜采样器还可采用PVC、uPVC及球墨铸铁等管道材料，其余同具体实施例1。
具体实施例4：
本实施例的特点是：所述的管径DN65还可采用其它尺寸规格的管径，其余同具体实施例1。
具体实施例5：
本实施例的特点是：所述的非循环供水管道还可采用单管、三分支及以上的管道结构，其余同具体实施例1。

Claims (10)

1.一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置，其特征在于包括：数显温度控制器（1）、温度探头（2）、加热毯（3）、电线（4）、非循环供水管道（5）、加热管道（6）以及超细玻璃棉保温材料（7）；
数显温度控制器（1）的左侧面设置了两个可连接温度探头的插孔（1-1），右侧有一个可连接温度探头的插孔（1-1）；三个温度探头（2）中的第一温度探头（2-1）安装在加热管道的末端，第二温度探头（2-2）安装在非循环供水管道末端，第三温度探头（2-3）安装在需要作温度对比的装置上；
加热毯包裹于S型的加热管道（6）外，加热毯（3）由双螺旋发热线（3-1）、电插孔（3-2）和保护套（3-3）组成；保护套（3-3）的两侧各设有一个电插孔（3-2）；在非循环供水管道（5）的采样管道（5-3）上开孔，并在开孔处固定活塞环（5-1），原位生物膜采样器插进活塞环并调整后，用自攻螺丝（5-4）加以固定；超细玻璃棉保温材料（7）包裹在非循环供水管道（5）外；非循环供水管道（5）上安装用于控制流速的蝶阀（5-5）；加热毯（3）通过电线（4）与数显温度控制器（1）连接；加热管道（6）连接在非循环供水管道（5）之前；S 型加热管道的一端与采样管道的和非循环供水管道的交界处连接，第一温度探头位于上述连接处的加热管道部分，第二温度探头位于非循环供水管道远离交界处的另一端，第二温度探头位于采样管道内部，所述需要作温度对比的装置为采样管道。
2.根据权利要求1所述的一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置，其特征在于：所述的加热管道（6）呈S型曲折，加热毯（3）包裹于S型的加热管道（6）外。
3.根据权利要求1所述的一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置，其特征在于：所述的加热管道（6）为与非循环供水管道（5）管径相同的不锈钢管道。
4.根据权利要求1所述的一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置，其特征在于：所述的加热毯（3）内的双螺旋发热线（3-1）以简谐运动的形式折叠弯曲，两两发热线之间的距离相等。
5.根据权利要求1所述的一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置，其特征在于：所述的加热毯保护套（3-3）的长宽比为9:8，通过拼接的形式适用于各种管径的加热管道（6）。
6.根据权利要求1所述的一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置，其特征在于：所述的加热毯保护套（3-3）由一层防水材料和一层带粘扣带（3-4）的尼龙布料组成。
7.根据权利要求1所述的一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置，其特征在于：所述的电线（4）为可拔插的普通电线，用于以下三种连接：加热毯（3）与数显温度控制器（1）、多张加热毯（3）之间、温度探头（2）与数显温度控制器（1）。
8.根据权利要求1所述的一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置，其特征在于：所述的超细玻璃棉保温材料（7）包裹于整个非循环供水管道（5）外。
9.根据权利要求1所述的一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置，其特征在于：所述的非循环供水管道（5）为DN65的PE管，活塞环（5-1）与原位生物膜采样器（5-2）安装在一段长5米的采样管道（5-3）上；活塞环（5-1）安装于管道两侧，每对活塞环（5-1）都以90°错开排列，所述的活塞环（5-1）与原位生物膜采样器（5-2）都由PE材料制成，自攻螺丝（5-4）用于固定原位生物膜采样器（5-2）。
10.权利要求1至9中任一项所述的一种可控温的非循环供水管道生物膜培养装置的使用方法，其特征在于包括如下步骤：
1）将若干原位生物膜采样器（5-2）插进活塞环（5-1）并调整后，并用自攻螺丝（5-4）固定；
2）调节蝶阀（5-5）以达到设定的水流流速；
3）选择数显温度控制器（1）的加热控制模式：
第一种是以第三温度探头（2-3）探得的温度作为加热的参照温度，即当第一温度探头（2-1）探得的水体温度低于参照温度时，数显温度控制器（1）便控制加热毯（3）处于加热状态；当第一温度探头（2-1）探得的水体温度与参照温度相等时，数显温度控制器（1）便会进入恒温控制状态，以达到水温恒定的效果；当第一温度探头（2-1）探得的水体温度高于参照温度时，数显温度恒定控制器（1）会发出警报并停止运行；
第二种是设定加热温度，数显温度控制器（1）设定0-70℃的加热温度，当第一温度探头（2-1）探得的水体温度低于设定温度时，数显温度控制器（1）便控制加热毯（3）处于加热状态；当第一温度探头（2-1）探得的水体温度与设定温度相等时，数显温度控制器（1）便会进入恒温控制状态，以达到水温恒定的效果；当第一温度探头（2-1）探得的水体温度高于设定温度时，数显温度恒定控制器（1）会发出警报并停止运行；
安装在非循环供水管道末端的第二温度探头（2-2）只用于监测，探得的温度变化并不会造成数显温度控制器（1）的应答；
4）当非循环供水管道（5）内的水以满管流的形式流过采样管道（5-3）时，微生物会附着在原位生物膜采样器（5-2）上并形成生物膜；当生物膜形成成熟时，只要将原位生物膜采样器（5-2）取下，便可得到生物膜。
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