CN105784943B - 一种模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置及方法，装置包括载体片、盛装溶液的容器、蠕动泵、升降机构，载体片安装在支撑架上用于放置生物膜；容器和蠕动泵安装在升降机构上，其中容器位于载体片正下方；蠕动泵通过管道与容器连通以使容器内的液体产生流动，升降机构和蠕动泵接控制系统，通过控制系统控制升降机构和蠕动泵按模拟需要运行。本发明可以模拟不同的反应器转速、浸没率、主体溶液性质等，可同时模拟多组不同工况，具有较高的监测效率和装置利用率。本发明可以在生物膜固定不动的情况下，使其处于模拟的旋转式生物膜反应器内生物膜所处的交替变化的浸曝环境，从而获得准原位的生物膜状态。

Description

一种模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置及方法

技术领域

本发明涉及水力模拟，具体涉及一种模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置及方法，属于反应器水力模拟技术领域。

背景技术

生物膜法是与活性污泥法并存的两大常用的污水生物处理方法，具有抗冲击负荷能力强，占地面积少，生物量大，适宜世代周期长的微生物生长的特点，其在处理负荷波动大、高有机物、高氮磷等难处理废水时尤其具有优势。其中旋转式生物膜反应器是一种常用的生物膜工艺，此工艺可在旋转过程中实现充氧而无需额外的曝气装置，并通过旋转加强了污染物、生物膜和空气三者的混合，从而达到较好的处理效果。

随着对生物膜机理的研究深入，需要采用相应的技术手段对生物膜进行原位监测，以得到更接近真实的监测结果。然而，对于旋转式生物膜反应器中生物膜的研究却面临难以进行原位监测问题。由于生物膜随着反应器的运行而一直处于旋转的运动状态，对其进行原位监测十分困难，尤其是采用一些精密仪器(如微电极)时，则更难以实现。已有的研究中，有学者将生物膜取出后置于空气或溶液中进行监测，但这种做法破坏了生物膜正常生长时所处的交替变化的浸曝环境，不能够真实地反映出生物膜在反应器内运行时的变化特性。也有学者采用向放置生物膜的容器中周期性注液和排液的方式为生物膜提供交替的浸曝环境，但是在每次测量时主体溶液静止，未能模拟出真实运行条件下生物膜与主体溶液的相对运动，所得研究结果与真实情况仍然有较大差异。诸多深入的研究都要求生物膜固定不动，同时又需要确保其特性与其在反应器内旋转运动时基本不变。因此，如何采用一定的方法，使旋转式生物膜反应器内生物膜取出并固定后，仍然可以处于与其在反应器内旋转运动时相似的环境，以便后续对其进行准原位的研究，是一个对于研究此类反应器内生物膜机理很有实际意义的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置及方法，本发明可以在生物膜固定不动的情况下，使其处于模拟的旋转式生物膜反应器内生物膜所处的交替变化的浸曝环境，从而获得准原位的生物膜状态。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置，包括载体片、盛装溶液的容器、蠕动泵、升降机构，其中载体片安装在支撑架上并悬空以用于放置待测生物膜；盛装溶液的容器和蠕动泵安装在升降机构上以在升降机构的控制下升降，其中盛装溶液的容器位于载体片正下方，且容器截面大于载体片截面，确保在升降过程中，载体片不会与容器壁接触；蠕动泵通过管道与容器连通以使容器内的液体产生流动以模拟生物膜在反应器内的旋转，升降机构和蠕动泵接控制系统，通过控制系统控制升降机构和蠕动泵按模拟需要运行。

所述升降机构包括升降平台和位于升降平台下的固定平台，盛装溶液的容器和蠕动泵安装在升降平台上，固定平台通过支柱支撑使之悬空；在固定平台上设有升降动力，升降动力的输出端支撑在升降平台下表面中部位置；在升降平台四周设有升降导杆，升降导杆下端从固定平台上的导孔穿出。

所述载体片和容器为一一对应的多组。

所述支撑架包括两支撑竖杆、支撑横杆和固定杆，支撑横杆两端固定在两支撑竖杆上端，固定杆数量与载体片数量对应并分别竖直安装在支撑横杆上，所述载体片安装在对应的固定杆下端。

所述固定杆为螺杆，在支撑横杆上设有竖向通孔，固定杆上端穿过通孔，在固定杆上位于支撑横杆上下面旋接有两螺母，两螺母将固定杆夹紧使固定杆和支撑横杆固定连接；在载体片上设有竖向通孔，固定杆下端穿过载体片的该通孔，在固定杆上位于载体片上下面旋接有两螺母，两螺母将载体片夹紧使固定杆和载体片固定连接。

在固定平台上使升降导杆穿过的导孔内设有直线轴承，直线轴承通过固定螺丝安装在固定平台上。

在载体片上开若干个小孔，以在载体片进出溶液时，使溶液可以从孔内穿过从而减小对载体片的阻力，同时可穿过扎带以固定挂膜的填料。

本发明提供另一种模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置，包括载体片、盛装溶液的容器、磁力搅拌装置和升降机构，其中载体片安装在支撑架上并悬空以用于放置待测生物膜；盛装溶液的容器安装在升降机构上以在升降机构的控制下升降，其中盛装溶液的容器位于载体片正下方，且容器截面大于载体片截面，确保在升降过程中，载体片不会与容器壁接触；磁力搅拌装置设置在容器底部，用于使容器内溶液产生在俯视下呈正时针或者逆时针方向的旋转，由此模拟生物膜在反应器内的旋转；升降机构和磁力搅拌装置接控制系统，通过控制系统控制升降机构和磁力搅拌装置按模拟需要运行。可以看出，与第一种装置相比，区别在水力模拟方式不同，一个为蠕动泵，一个为磁力搅拌装置。

一种模拟旋转式生物膜反应器运行状态的方法，本方法采用前述带蠕动泵的模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置进行模拟，模拟前，先在容器内加入需要量的主体溶液，在载体片上固定生物膜；然后根据需要选择如下某种或几种模拟过程进行生物膜在反应器内各种情形的模拟；

1)通过升降机构使容器升降，从而使容器内的主体溶液升降，实现对载体片上生物膜的浸没与非浸没，从而模拟生物膜在旋转式生物膜反应器中交替处于浸没与暴露的状态；

2)通过控制系统，对升降机构的运行方式进行控制，在不改变浸没与非浸没时间之和的情况下改变两者比例，从而模拟生物膜在旋转式生物膜反应器内浸没与暴露的时间比，即浸没率；

3)通过控制系统，对升降机构的运行方式进行控制，在不改变浸没与非浸没时间比值的情况下改变两者总时间的长短，从而模拟生物膜在旋转式生物膜反应器内浸曝一次的快慢，即转速或周期；

4)通过调节蠕动泵的流量，控制蠕动泵出水口的流速，实现在浸没段溶液与生物膜之间的相对运动，从而模拟生物膜在旋转式生物膜反应器内浸没段的水力状态；

5)更换主体溶液及容器，以模拟生物膜所处的各种水质环境。

模拟运行时，按如下方法进行参数计算和确认：

①确定模拟转速与蠕动泵转速

根据旋转式生物膜反应器的转速W(r/min)和所取生物膜距离反应器旋转中心轴的距离r(m)来确定模拟转速；计算生物膜在反应器中与溶液的相对速度，也就是线速度V；

V＝2πr·W

为模拟此相对运动，需要调节蠕动泵转子转动速度w，控制其流量Q，从而调整其出口处的线速度V’，使其等于V；

假设蠕动泵输水管截面面积为A，根据蠕动泵流量特性可知Q＝f(w)，且Q与w为线性关系，通过实测转速与流量得到此函数关系；根据下式：

得到蠕动泵转子转速与其输水管出口处速度的关系，从而确定模拟相对运动速度为V时需要调节的蠕动泵转速w；

②计算生物膜浸曝时间

根据旋转式生物膜反应器的转速W(r/min)和浸没率η，得到其周期为T＝1/Wmin；旋转式生物膜反应器截面半径为R(m)，转动中心轴距离液面的高度为H(m)，参见图4，则浸没率η的表示式为：

根据式1求出H；

实际需要模拟的生物膜未必在反应器边缘，假设所需模拟的生物膜距离反应器旋转中心轴的距离为r(m)，r≤R，对该处生物膜而言，其浸没角为2α，由几何关系可得：

所以

将式1求出的H带入式2，可以得到浸没角2α；

由于所以，浸没时间为暴露时间为

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明将旋转式生物膜反应器内生物膜所处的状态拆分后，分别模拟，确保生物膜固定不动的情况下，通过升降和旋转主体溶液实现对生物膜浸没、暴露状态的模拟，以及对浸没段生物膜与主体溶液相对运动的模拟，提供了一个准原位的生物膜环境。

本发明可以通过控制系统灵活调整以模拟不同的反应器转速、浸没率、主体溶液性质等，可同时模拟多组不同工况，具有较高的监测效率和装置利用率。

本发明模拟程度高，能够很好地接近生物膜真实运行状况，完全可以作为实际生物膜在旋转式生物膜反应器内旋转状态下的运行状态，为后续对生物膜开展准原位研究提供了可能。

附图说明

图1-本发明涉及的准原位监测装置示意图。

图2-本发明涉及的准原位监测装置实际设计结构图。

图3-本发明载体片结构示意图。

图4-本发明浸没率计算几何示意图。

图5-本发明生物转笼结构示意图。

图6-蠕动泵转速与流量关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明模拟旋转式生物膜反应器运行状态的思想在于，基于运动的相对性，保持生物膜固定不动，使容器及其内部的主体溶液运动，由此使生物膜相对溶液发生运动，达到模拟生物膜在溶液中转动的运行状态。

为了实现这种相对运动，本发明首先设计了一套模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置，参见图1和图2，从图上可以看出，该装置包括载体片1、盛装溶液的容器2、蠕动泵3和升降机构，其中载体片1安装在支撑架上并悬空以用于放置待测生物膜；盛装溶液的容器2和蠕动泵3安装在升降机构上以在升降机构的控制下升降，其中盛装溶液的容器2位于载体片1正下方，且容器截面大于载体片截面，确保在升降过程中，载体片不会与容器壁接触。蠕动泵3通过管道与容器2连通以使容器内的液体产生流动以模拟生物膜在反应器内的旋转，升降机构和蠕动泵接控制系统，通过控制系统控制升降机构和蠕动泵按模拟需要运行。控制系统可为PLC或单轴控制器，根据需要编写相应的程序或指令集，对升降平台的升降动作进行控制，包括对方向、距离、速度和时间(动作时间与静止时间)的控制，对蠕动泵的流量和运行进行控制。

所述升降机构包括升降平台4和位于升降平台下的固定平台5，盛装溶液的容器2和蠕动泵3安装在升降平台4上，固定平台5通过底面的几根支柱6支撑使之悬空。在固定平台5上设有升降动力，升降动力输入接所述控制系统，升降动力的输出端支撑在升降平台4下表面中部位置；在升降平台4四周设有升降导杆7，升降导杆7下端从固定平台5上的导孔穿出。升降导杆用于在升降平台上下升降时对其导向，以避免晃动或者不稳定。

这里的升降动力既可采用气动、液压或电动等方式，为所需的升降平台提供升降动力。实施例采用步进电机8，步进电机8通过涡轮蜗杆机构9与竖向的丝杆10连接，丝杆10上端支撑在升降平台4下表面中部位置，丝杆10下端从固定平台5上的过孔穿出。

所述载体片1和容器2为一一对应的多组。这样可以同时进行多组模拟实验监测，提高监测效率和整套机构的利用率，即可以共用一套升降机构和支撑架而实现多组监测。

具体设计时，所述支撑架包括两支撑竖杆11、支撑横杆12和固定杆13，支撑横杆12两端固定在两支撑竖杆11上端，固定杆13数量与载体片1数量对应并分别竖直安装在支撑横杆12上，所述载体片1安装在对应的固定杆13下端。这样的支撑架结构简单，方便加工，支撑架使生物膜固定在空中，不受升降机构影响。

所述固定杆为螺杆，在支撑横杆上设有竖向通孔，固定杆上端穿过通孔，在固定杆上位于支撑横杆上下面旋接有两螺母，两螺母将固定杆夹紧使固定杆和支撑横杆固定连接。基于同样的安装方式，在载体片上设有竖向通孔，固定杆下端穿过载体片的该通孔，在固定杆上位于载体片上下面旋接有两螺母，两螺母将载体片夹紧使固定杆和载体片固定连接。固定杆上下两端分别通过两螺母与支撑横杆和载体片连接，既方便安装和拆卸，也便于调节固定杆的高度。

为使升降导杆运行平稳，从而保证升降平台升降平稳并保持水平状态，在固定平台5上使升降导杆穿过的导孔内设有直线轴承14，直线轴承14通过固定螺丝安装在固定平台5上。这样可以更好地实现模拟过程。

为实现装置的整体化，本发明还包括一底板15，所述支撑竖杆11、支柱6下端安装在底板15上，通过底板15的固定作用，使载体片1和对应的容器2横向位置固定，即只能上下相对运动，而不能水平横向移动，这样更能够使模拟过程与实际运行过程接近。为了方便调整整套装置的位置，在底板四角设有万向轮。

所述蠕动泵3通过容器2底部进水，出水口位置与升降平台处于最高点时生物膜在实际需要模拟的液面下的位置相同。实际出水口设置在主体溶液液面下50mm左右。

参见图3，在载体片1上开若干个小孔，其作用有两点：一、在载体片进出溶液时，使溶液可以从孔内穿过从而减小对载体片的阻力；二、可穿过扎带以固定挂膜的填料。

本发明模拟旋转式生物膜反应器运行状态的方法，采用前述设计的模拟装置进行。参见图1，模拟前，先在容器2内加入需要量的主体溶液，在载体片1上固定生物膜16。然后根据需要选择如下某种或几种模拟过程进行生物膜在反应器内各种情形的模拟。其中主体溶液按如下方式确定：监测所取生物膜位置的溶液浓度，然后配制该浓度的溶液作为主体溶液来模拟反应器内生物膜位置处的溶液，或直接取用反应器内生物膜位置处的溶液作为模拟装置的主体溶液。

1)通过升降动力使升降平台升降，从而使容器内的主体溶液升降，实现对载体片上生物膜的浸没与非浸没，从而模拟生物膜在旋转式生物膜反应器中交替处于浸没与暴露的状态；

2)通过控制系统，对升降动力的运行方式进行控制，在不改变浸没与非浸没时间之和的情况下改变两者比例，从而模拟生物膜在旋转式生物膜反应器内浸没与暴露的时间比，即浸没率；

3)通过控制系统，对升降动力的运行方式进行控制，在不改变浸没与非浸没时间比值的情况下改变两者总时间的长短，从而模拟生物膜在旋转式生物膜反应器内浸曝一次的快慢，即转速或周期；

4)通过调节蠕动泵的流量，控制蠕动泵出水口的流速，实现在浸没段溶液与生物膜之间的相对运动，从而模拟生物膜在旋转式生物膜反应器内浸没段的水力状态；图1中箭头表示水流方向；

5)更换主体溶液及容器，以模拟生物膜所处的各种水质环境。

为了更好地模拟生物膜在反应器内的运行状态，本发明还设置有气流发生装置和风速测速装置。气流发生装置用于形成风，模拟生物膜旋转时与空气的相对运动。风速测速装置测定风速，使气流发生装置形成风的风速跟实际生物膜旋转时与空气的相对运动形成的风速相当。风速跟与溶液的相对运动速度一样。

除了蠕动泵使溶液产生流动外，也可以采用磁力搅拌装置使溶液产生流动，以作为模拟生物膜和溶液相对运动的一种方式，磁力搅拌装置安装在容器底部，使溶液产生在俯视下呈正时针或者逆时针方向的旋转，由此模拟生物膜在反应器内的旋转。磁力搅拌装置接控制系统，通过控制系统控制磁力搅拌装置按模拟需要运行，即控制转速。

本发明将旋转式生物膜反应器内生物膜所处的状态拆分后，分别模拟，确保生物膜固定不动的情况下，通过升降和旋转主体溶液实现对生物膜浸没、暴露状态的模拟，以及对浸没段生物膜与主体溶液相对运动的模拟，提供了一个准原位的生物膜环境。本发明可以通过控制系统灵活调整以模拟不同的反应器转速、浸没率、主体溶液性质等，可同时模拟多组不同工况，具有较高的监测效率和装置利用率。本发明模拟程度高，能够很好地接近生物膜真实运行状况，为后续对生物膜开展准原位研究提供了可能。

在实际模拟运行时，需要按如下方法进行参数计算和确认：

①确定模拟转速与蠕动泵转速

根据旋转式生物膜反应器的转速W(r/min)和所取生物膜距离反应器旋转中心轴的距离r(m)来确定模拟转速；计算生物膜在反应器中与溶液的相对速度，也就是线速度V；

V＝2πr·W

为模拟此相对运动，需要调节蠕动泵转子转动速度w，控制其流量Q，从而调整其出口处的线速度V’，使其等于V；

假设蠕动泵输水管截面面积为A，根据蠕动泵流量特性可知Q＝f(w)，且Q与w为线性关系，通过实测转速与流量得到此函数关系；根据下式：

得到蠕动泵转子转速与其输水管出口处速度的关系，从而确定模拟相对运动速度为V时需要调节的蠕动泵转速w；

②计算生物膜浸曝时间

根据旋转式生物膜反应器的转速W(r/min)和浸没率η，得到其周期为T＝1/Wmin；旋转式生物膜反应器截面半径为R(m)，转动中心轴距离液面的高度为H(m)，参见图4，则浸没率η的表示式为：

根据式1求出H；

实际需要模拟的生物膜未必在反应器边缘，假设所需模拟的生物膜距离反应器旋转中心轴的距离为r(m)，r≤R，对该处生物膜而言，其浸没角为2α，由几何关系可得：

所以

将式1求出的H带入式2，可以得到浸没角2α；

由于所以，浸没时间为暴露时间为

③确定升降机构运动时间与停滞时间

结合前文计算的生物膜在反应器内的实际浸曝时间，通过控制系统调控升降机构的运动方式(方向、速度、时间等)，对生物膜模拟出等量的浸曝时间。

④设置调控设备实现相应模拟动作

调控控制系统，通过编写程序或指令集，控制升降机构的运行方式，模拟出与前文计算相等的浸曝时间。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，下述实施例中采用原料如无特殊说明，均为普通市售。

一、模拟对象

模拟对象为一个稳定运行的生物转笼反应器，参见图5。此反应器由盘片、网格和填料组成，网格包裹每两个盘片之间的空间并分割成小空间，以填料填充其中。当反应器运行时，生物膜附着生长在盘片、网格和填料上，并随着转笼的不断转动而旋转，周期性地处于浸没-暴露-浸没的条件下。

二、设备制作

1、动力系统

设备动力系统采用电动式驱动，以86型步进电机带动蜗轮蜗杆滚珠丝杆升降机(减速比为1:6，丝杆螺距为10mm)。升降机上的升降平台采用不锈钢材质制作(厚度6mm)。并在四角安装四个由光轴(即升降导杆)与直线轴承制成的升降导向机构，用于固定升降平台，使其仅能上下运动，而不会发生旋转或倾斜。光轴直径为25mm，总长650mm，上部开丝50mm。光轴上部穿过升降平台四角的孔，由上下两颗螺母(M25型号)固定。光轴下部穿过直线轴承，并可在直线轴承上滑动。直线轴承固定在固定平台对应的垂直开孔位置上，由螺丝固定。

2、控制系统

升降过程：通过可编程控制器，根据需要编写相应的程序，对升降平台的升降动作进行控制，包括对方向、距离、速度和时间(动作时间与静止时间)的控制。

所用可编程控制器为武汉科恒工控工程有限责任公司提供的KH-01型号单轴控制器。

另外，配备两个接近开关，接近开关安置在升降平台行程之外，一个对应上升行程，一个对应下降行程。两接近开关接入控制系统，并设置相应的触发程序，当某接近开关触发时，表明升降平台自动运行到位，控制系统自动断开动力单元，不再上升或者下降，以防止出现意外情况损坏装置。

3、生物膜固定装置

将生物膜固定在打孔的载体片上。载体片由有机玻璃材质制作，其结构与设计参见图3。在载体片上开有一个大孔(10mm)，用以穿过通丝丝杆(D＝8mm)，在载体片上下拧上两颗通丝丝杠的对应螺母(M8型)，从而将载体片固定。进一步，在支撑横杆上打孔，用以穿过通丝丝杆，在支撑横杆上下拧上两颗通丝丝杠的对应螺母，从而将通丝丝杆固定在支撑横杆上。通丝丝杆即构成本发明的固定杆。

在载体片上开若干个小孔，起到两个作用：①可穿过扎带从而固定挂膜的填料；②在载体片进出溶液时，使溶液可以从孔内穿过从而减小对载体片的阻力。

4、主体溶液及容器

在生物膜实际运行相同位置处取溶液2L，置于2L烧杯中。2L烧杯截面大于载体片截面，确保在升降过程中，载体片不会与容器壁接触。在升降平台上放置蠕动泵，从主体溶液底部进水，出水口位置在主体溶液液面下50mm左右。出水口位置与升降机最高点时，生物膜在液面下的位置相同。

5、相关参数计算与装置运行参数设置

①确定主体溶液浓度

在所取生物膜相同位置处取溶液2L，并监测器水质，以此作为模拟装置的主体溶液。

②确定模拟转速与蠕动泵转速

所模拟的生物转笼的转速W＝2r/min，所取生物膜距离反应器旋转中心轴的距离为r＝0.075m。计算生物膜在反应器中与溶液的相对速度，也就是线速度V。

V＝2πr·W＝0.942m/min＝0.016m/s

所用蠕动泵为杰恒BT-50型号蠕动泵。已知蠕动泵输水管截面半径为4.8mm，截面面积为A＝72.382mm²。蠕动泵转速可在0～50r/min之间调节。实测蠕动泵转速与流量数据如下：

据此作出蠕动泵转速与流量关系如图6所示。

得到函数关系Q＝0.0733×w(ml/s)。为模拟此相对运动，需要调节蠕动泵转子转动速度w，控制其流量Q，从而调整其出口处的线速度V’，使其等于V。根据下式：

将V＝0.016m/s带入上式，得到w＝15.511r/min。从而确定模拟相对运动速度为V＝0.016m/s时需要调节的蠕动泵转速为w＝15.511r/min，即调节为15.5r/min。

③计算生物膜浸曝时间

根据旋转式生物膜反应器的转速W＝2r/min和浸没率η＝50％，得到其周期为1/2min＝30s。由此得到浸没时间为15s，暴露时间为15s。

④确定升降机运动时间与停滞时间

结合前文计算的生物膜在反应器内的实际浸曝时间均为15s，通过控制系统调控升降机构的运动方式，对生物膜模拟出等量的浸曝时间。在升降平台处于最低位置时，生物膜在液面上方5mm处；当升降台处于最高位置时，生物膜在液面下方45mm处(此处就是蠕动泵出水口位置高度)。

⑤设置控制系统实现相应模拟动作

根据前述分析，具体设置升降机构的运动方式为：

向上运动5s，运动距离为50mm，静止10s；以相同速度返回原位，再静置10s。

A.控制参数计算

运行速度与脉冲频率(步数)成正比。已知程序要求的速度是5s内运动50mm，故升降速度为10mm/s，又知螺距为10mm，蜗轮蜗杆的减速比为1：6，故滚珠丝杆相对转动速度为1r/s，步进电机输出轴的转速为6r/s。

已知86步进电机的步角度是1.8°，即每转动一圈要输入360°/1.8°＝200个脉冲(步数)。所以，为实现电机输出转速为6r/s，则其脉冲应该为200步/r×6r/s＝1200步/s＝1200Hz＝1.2KHz。再计算单向运行总步数，1200步/s×5s＝6000步。

B.参数与运行要求梳理

参数要求：起跳频率1.0KHz，升降速较快，间隙补偿为0。

运行要求：以1.2KHz的速度运行6000步，静置10s；再以相同速度返回零点静置10s；停止。两个接近开关当与升降平台发生触碰时，触发暂停操作。

C.编写程序

参数清单：JF＝01000，rS＝H，CC＝0000，nA＝06，nB＝06。

程序内容：

注：程序中位移步数为负，是结合具体运行情况，使升降台向上运行。

将单轴控制器设置为自动运行，则可以按照此程序无限循环地运行。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置，其特征在于：包括载体片、盛装溶液的容器、蠕动泵、升降机构，其中载体片安装在支撑架上并悬空以用于放置待测生物膜；盛装溶液的容器和蠕动泵安装在升降机构上以在升降机构的控制下升降，其中盛装溶液的容器位于载体片正下方，且容器截面大于载体片截面，确保在升降过程中，载体片不会与容器壁接触；蠕动泵通过管道与容器连通以使容器内的液体产生流动以模拟生物膜在反应器内的旋转，升降机构和蠕动泵接控制系统，通过控制系统控制升降机构和蠕动泵按模拟需要运行；

所述升降机构包括升降平台和位于升降平台下的固定平台，盛装溶液的容器和蠕动泵安装在升降平台上，固定平台通过支柱支撑使之悬空；在固定平台上设有升降动力，升降动力的输出端支撑在升降平台下表面中部位置；在升降平台四周设有升降导杆，升降导杆下端从固定平台上的导孔穿出。

2.根据权利要求1所述的模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置，其特征在于：所述载体片和容器为一一对应的多组。

3.根据权利要求2所述的模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置，其特征在于：所述支撑架包括两支撑竖杆、支撑横杆和固定杆，支撑横杆两端固定在两支撑竖杆上端，固定杆数量与载体片数量对应并分别竖直安装在支撑横杆上，所述载体片安装在对应的固定杆下端。

4.根据权利要求3所述的模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置，其特征在于：所述固定杆为螺杆，在支撑横杆上设有竖向通孔，固定杆上端穿过通孔，在固定杆上位于支撑横杆上下面旋接有两螺母，两螺母将固定杆夹紧使固定杆和支撑横杆固定连接；在载体片上设有竖向通孔，固定杆下端穿过载体片的该通孔，在固定杆上位于载体片上下面旋接有两螺母，两螺母将载体片夹紧使固定杆和载体片固定连接。

5.根据权利要求4所述的模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置，其特征在于：在固定平台上使升降导杆穿过的导孔内设有直线轴承，直线轴承通过固定螺丝安装在固定平台上。

6.根据权利要求1所述的模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置，其特征在于：在载体片上开若干个小孔，以在载体片进出溶液时，使溶液可以从孔内穿过从而减小对载体片的阻力，同时可穿过扎带以固定挂膜的填料。

7.一种模拟旋转式生物膜反应器运行状态的方法，其特征在于：本方法采用权利要求1-6任一所述的模拟旋转式生物膜反应器运行状态的装置进行模拟，模拟前，先在容器内加入需要量的主体溶液，在载体片上固定生物膜；然后根据需要选择如下某种或几种模拟过程进行生物膜在反应器内各种情形的模拟；

1)通过升降机构使容器升降，从而使容器内的主体溶液升降，实现对载体片上生物膜的浸没与非浸没，从而模拟生物膜在旋转式生物膜反应器中交替处于浸没与暴露的状态；

2)通过控制系统，对升降机构的运行方式进行控制，在不改变浸没与非浸没时间之和的情况下改变两者比例，从而模拟生物膜在旋转式生物膜反应器内浸没与暴露的时间比，即浸没率；

3)通过控制系统，对升降机构的运行方式进行控制，在不改变浸没与非浸没时间比值的情况下改变两者总时间的长短，从而模拟生物膜在旋转式生物膜反应器内浸曝一次的快慢，即转速或周期；

4)通过调节蠕动泵的流量，控制蠕动泵出水口的流速，实现在浸没段溶液与生物膜之间的相对运动，从而模拟生物膜在旋转式生物膜反应器内浸没段的水力状态；

5)更换主体溶液及容器，以模拟生物膜所处的各种水质环境。

8.根据权利要求7所述的模拟旋转式生物膜反应器运行状态的方法，其特征在于：模拟运行时，按如下方法进行参数计算和确认：

①确定模拟转速与蠕动泵转速

根据旋转式生物膜反应器的转速W，单位r/min和所取生物膜距离反应器旋转中心轴的距离r，单位m来确定模拟转速；计算生物膜在反应器中与溶液的相对速度，也就是线速度V；

V＝2πr·W

为模拟此相对运动，需要调节蠕动泵转子转动速度w，控制其流量Q，从而调整其出口处的线速度V’，使其等于V；

假设蠕动泵输水管截面面积为A，根据蠕动泵流量特性可知Q＝f(w)，且Q与w为线性关系，通过实测转速与流量得到此函数关系；根据下式：

<mrow> <msup> <mi>V</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>Q</mi> <mi>A</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>w</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>A</mi> </mfrac> </mrow>

得到蠕动泵转子转速与其输水管出口处速度的关系，从而确定模拟相对运动速度为V时需要调节的蠕动泵转速w；

②计算生物膜浸曝时间

根据旋转式生物膜反应器的转速W，单位r/min和浸没率η，得到其周期为T＝1/Wmin；旋转式生物膜反应器截面半径为R，单位m，转动中心轴距离液面的高度为H，单位m，则浸没率η的表示式为：

根据式1求出H；

实际需要模拟的生物膜未必在反应器边缘，假设所需模拟的生物膜距离反应器旋转中心轴的距离为r，单位m，r≤R，对该处生物膜而言，其浸没角为2α，由几何关系可得：

将式1求出的H带入式2，可以得到浸没角2α；

由于所以，浸没时间为暴露时间为