CN111785117A - 多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置及实验方法，包括循环管路系统；循环管路系统上沿水流方向依次串联设置有管道增压泵、进水接口、多个生物膜生长模拟单元和出水接口；模拟实验时，管道增压泵对管道内的水流加压，进水泵经一级循环管路系统的进水接口向管道增压泵的出口端输送水；然后依次进入多个生物膜生长模拟单元；从多个生物膜生长模拟单元流过的水，一部分经出水泵排放；另一部分循环流至管道增压泵的进口端；当一个生物膜生长模拟单元停用时，将两端的旁路接头连通，打开旁路阀；关闭两个第一隔断阀门。本发明可以模拟不同管材输水管道管壁生物膜生长过程；模拟任意长度的管道以及水流在循环系统的停留时间。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体地说是涉及一种多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置及实验方法。
背景技术
在输配水管网中使用的水管管材主要有金属管（铸铁管和钢管）和非金属管（钢筋混凝土管、玻璃钢管和塑料管等），随着城市化进程的发展，在一个城镇的输配水管网中可能使用多种管材组合。
随着运行时间的增加，在不同材质的输水管道的管壁上会附着生长许多微生物，形成管壁生物膜。管壁生物膜是由多种不同功能的微生物自身产生的胞外聚合物包围而形成，且附着在固体介质表面、具有代谢活性的群落，在生物地理化学过程、调控水体与其他界面间物质和能量交换中起重要作用。管壁生物膜不仅会影响水质，同时也会对管材的寿命产生影响。
目前，国内外关于不同管材对输水管道附着生物膜生长影响模拟实验装置相对较少，和真实的环境存在较大的差异性，模拟的效果也存在一定的局限性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置及实验方法，可以有效模拟相同条件下不同管材输水管道管壁生物膜生长过程，直观对比管壁生物膜在不同管材上的附着和生长过程，研究不同管材管壁生物膜的生长过程以及生长过程中微生物群落结构和丰度的差异性；可以模拟任意长度的管道以及水流在循环系统的停留时间。
技术方案：本发明提出一种多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置，包括循环管路系统；所述循环管路系统上沿水流方向依次串联设置有管道增压泵、进水接口、多个生物膜生长模拟单元和出水接口；所述进水接口上连接有进水泵；所述出水接口上连接有出水泵；
多个生物膜生长模拟单元串联设置，每个生物膜生长模拟单元包括若干可拆装的监测管节和两个第一隔断阀门；所述两个第一隔断阀门分别位于所述若干监测管节的进水端与出水端；多个生物膜生长模拟单元的监测管节的材质均不相同；
每个生物膜生长模拟单元的进水端和出水端分别设置有旁路接头；所述旁路接头上均设置有旁路阀；
模拟实验时，管道增压泵对管道内的水流加压，进水泵经一级循环管路系统的进水接口向管道增压泵的出口端输送水；然后依次进入多个生物膜生长模拟单元；
从多个生物膜生长模拟单元流过的水，一部分经出水泵排放；另一部分循环流至管道增压泵的进口端；
当一个生物膜生长模拟单元停用时，将该生物膜生长模拟单元两端的旁路接头连通，打开该生物膜生长模拟单元两端的旁路阀；关闭该生物膜生长模拟单元的两个第一隔断阀门。
进一步，所述管道增压泵控制出口处的水流速
v1m= v1p/γ
其中v1m是管道增压泵出口处的水流速，v1p是被模拟的原型管道的水流速；γ是模型比尺，且
γ= d1p/d1m
其中d1p 是原型管道的直径，d1m是循环管路系统的管径；
进水接口与出水接口之间的管段长度为
Lm=Qm×t/Sm
其中Lm为进水接口与出水接口之间的管段长度，Qm为进水泵的进水流量，t为被模拟的原型管道的水停留时间，Sm为循环管路系统的管道截面积。
进一步，每个生物膜生长模拟单元的两个第一隔断阀门之间的管段上还设置有第一放空阀。
进一步，所述旁路接头均设置在管道顶部。
进一步，所述管道增压泵与进水接口之间依次设置有单向阀，第二放空阀、流量控制阀和压力表。
进一步，末端的生物膜生长模拟单元与管道增压泵之间还设置有第二隔断阀门。
进一步，每个所述监测管节的两端通过法兰连接在循环管路上。
进一步，还包括PLC控制器；所述PLC控制器用于控制进水泵和出水泵的流量。
一种多材质输水管道附着生物膜的模拟实验方法，包括：开启第二隔断阀门和所有第一隔断阀门，关闭第二放空阀和所有第一放空阀，开启一个旁路阀并关闭其他旁路阀；
将循环管路系统注满水以后，关闭所有旁路阀；
开启管道增压泵，调节循环管路系统的循环流量至设定值；
待流量调节至设定流量以后，开启出水泵和进水泵，并将进出水流量均调节至预设值，至此，该模拟实验装置即可连续自动运行，随着运行时间的增加，在模拟管道内壁就会形成管壁生物膜；
当一个生物膜生长模拟单元停用时，将该生物膜生长模拟单元两端的旁路接头连通，打开该生物膜生长模拟单元两端的旁路阀；关闭该生物膜生长模拟单元的两个第一隔断阀门；取出该生物膜生长模拟单元的监测管节，即可实现管壁生物膜的取样。
有益效果：本发明通过多个生物膜生长模拟单元，可以有效模拟相同条件下不同管材输水管道管壁生物膜生长过程，直观对比管壁生物膜在不同管材上的附着和生长过程，研究不同管材管壁生物膜的生长过程以及生长过程中微生物群落结构和丰度的差异性；
通过循环管路系统实现水流的不断循环可以模拟任意长度的管道，具有完全混合式反应器特征；同时通过连续进出水可以控制水流在循环系统的停留时间，具有推流式反应器部分特征；
本发明操作简单，可自动运行。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1，本发明提出一种多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置，包括循环管路系统；所述循环管路系统上沿水流方向依次串联设置有管道增压泵2、进水接口1、多个生物膜生长模拟单元和出水接口4；所述进水接口1上连接有进水泵6；所述出水接口4上连接有出水泵5。。
所述管道增压泵2与进水接口1之间依次设置有单向阀10，第二放空阀11、流量控制阀12和压力表13。
多个生物膜生长模拟单元串联设置，每个生物膜生长模拟单元包括若干可拆装的监测管节3和两个第一隔断阀门7；所述两个第一隔断阀门7分别位于所述若干监测管节3的进水端与出水端；多个生物膜生长模拟单元的监测管节3的材质均不相同。图1所示实施例包括5个生物膜生长模拟单元，管道材质分别是钢筋混凝土管、球墨铸铁管、钢管、钢塑复合管和聚氯乙烯管。
每个所述监测管节3的两端通过法兰连接在循环管路上。
为了避免单个生物膜生长模拟单元取样等原因停用时对整个装置的影响，每个生物膜生长模拟单元的进水端和出水端分别设置有旁路接头8；所述旁路接头8上均设置有旁路阀9。 所述旁路接头8设置在管道顶部，可用作排气。
每个生物膜生长模拟单元的两个第一隔断阀门7之间的管段上还设置有第一放空阀14。
末端的生物膜生长模拟单元与管道增压泵2之间还设置有第二隔断阀门15。
模拟实验时，管道增压泵2对管道内的水流加压，进水泵6经一级循环管路系统的进水接口1向管道增压泵2的出口端输送水；然后依次进入多个生物膜生长模拟单元。
从多个生物膜生长模拟单元流过的水，一部分经出水泵5后排放；另一部分循环流至管道增压泵2的进口端。
当一个生物膜生长模拟单元需采样时，将该生物膜生长模拟单元两端的旁路接头8连通，打开该生物膜生长模拟单元两端的旁路阀9；关闭该生物膜生长模拟单元的两个第一隔断阀门7。
当被模拟的原型管道没有该生物膜生长模拟单元的材质的管道，需要停用该生物膜生长模拟单元，则同样将该生物膜生长模拟单元两端的旁路接头8连通，打开该生物膜生长模拟单元两端的旁路阀9；关闭该生物膜生长模拟单元的两个第一隔断阀门7。
所述管道增压泵2控制出口处的水流速
v1m= v1p/γ
其中v1m是管道增压泵2出口处的水流速，v1p是被模拟的原型管道的水流速；γ是模型比尺，且
γ= d1p/d1m
其中d1p 是原型管道的直径，d1m是循环管路系统的管径；
进水接口1与出水接口4之间的管段长度为
Lm=Qm×t/Sm
其中Lm为进水接口1与出水接口4之间的管段长度，Qm为进水泵6的进水流量，t为被模拟的原型管道的水停留时间，Sm为循环管路系统的管道截面积。
还包括PLC控制器16；所述PLC控制器16用于控制进水泵6和出水泵5的流量。
使用本模拟实验装置进行实验时，开启第二隔断阀门15和所有第一隔断阀门7，关闭第二放空阀11和所有第一放空阀14，开启一个旁路阀9并关闭其他旁路阀9；
将循环管路系统注满水以后，关闭所有旁路阀9；
开启管道增压泵2，调节循环管路系统的循环流量至设定值；
待流量调节至设定流量以后，开启出水泵5和进水泵6，并将进出水流量均调节至预设值，至此，该模拟实验装置即可连续自动运行，随着运行时间的增加，在模拟管道内壁就会形成管壁生物膜；
当一个生物膜生长模拟单元停用时，将该生物膜生长模拟单元两端的旁路接头8连通，打开该生物膜生长模拟单元两端的旁路阀9；关闭该生物膜生长模拟单元的两个第一隔断阀门7；取出该生物膜生长模拟单元的监测管节3，即可实现管壁生物膜的取样。
本实例以管径为200mm、停留时间为8小时输水干管为模拟对象，如图1所示，实际输水管道管径200mm，模拟管道管径50mm，模型比尺为4，实际输水管道流速1.5m/s，模拟管道流速为0.375m/s，循环流量设计为736mL/s。模拟系统中总容积为70L，为达到停留时间要求，设计进出水流量设计为145.8 mL/min。
表1 实际输水管路与模拟管路主要物理量
Claims (9)
1.一种多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置，其特征在于：包括循环管路系统；所述循环管路系统上沿水流方向依次串联设置有管道增压泵（2）、进水接口（1）、多个生物膜生长模拟单元和出水接口（4）；所述进水接口（1）上连接有进水泵（6）；所述出水接口（4）上连接有出水泵（5）；
多个生物膜生长模拟单元串联设置，每个生物膜生长模拟单元包括若干可拆装的监测管节（3）和两个第一隔断阀门（7）；所述两个第一隔断阀门（7）分别位于所述若干监测管节（3）的进水端与出水端；多个生物膜生长模拟单元的监测管节（3）的材质均不相同；
每个生物膜生长模拟单元的进水端和出水端分别设置有旁路接头（8）；所述旁路接头（8）上均设置有旁路阀（9）；
模拟实验时，管道增压泵（2）对管道内的水流加压，进水泵（6）经一级循环管路系统的进水接口（1）向管道增压泵（2）的出口端输送水；然后依次进入多个生物膜生长模拟单元；
从多个生物膜生长模拟单元流过的水，一部分经出水泵（5）后排放；另一部分循环流至管道增压泵（2）的进口端；
当一个生物膜生长模拟单元停用时，将该生物膜生长模拟单元两端的旁路接头（8）连通，打开该生物膜生长模拟单元两端的旁路阀（9）；关闭该生物膜生长模拟单元的两个第一隔断阀门（7）。
2. 根据权利要求1所述的多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置，其特征在于：所述管道增压泵（2）控制出口处的水流速
v1m= v1p/γ
其中v1m是管道增压泵（2）出口处的水流速，v1p是被模拟的原型管道的水流速；γ是模型比尺，且
γ= d1p/d1m
其中d1p 是原型管道的直径，d1m是循环管路系统的管径；
进水接口（1）与出水接口（4）之间的管段长度为
Lm=Qm×t/Sm
其中Lm为进水接口（1）与出水接口（4）之间的管段长度，Qm为进水泵（6）的进水流量，t为被模拟的原型管道的水停留时间，Sm为循环管路系统的管道截面积。
3.根据权利要求2所述的多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置，其特征在于：每个生物膜生长模拟单元的两个第一隔断阀门（7）之间的管段上还设置有第一放空阀（14）。
4.根据权利要求2所述的多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置，其特征在于：所述旁路接头（8）均设置在管道顶部。
5.根据权利要求3所述的多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置，其特征在于：所述管道增压泵（2）与进水接口（1）之间依次设置有单向阀（10），第二放空阀（11）、流量控制阀（12）和压力表（13）。
6.根据权利要求4所述的多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置，其特征在于：末端的生物膜生长模拟单元与管道增压泵（2）之间还设置有第二隔断阀门（15）。
7.根据权利要求5所述的多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置，其特征在于：每个所述监测管节（3）的两端通过法兰连接在循环管路上。
8. 根据权利要求6所述的多材质输水管道附着生物膜的模拟实验装置，其特征在于：还包括PLC控制器（16）；所述PLC控制器（16）用于控制进水泵（6）和出水泵（5）的流量。
9.一种多材质输水管道附着生物膜的模拟实验方法，其特征在于：包括
开启第二隔断阀门（15）和所有第一隔断阀门（7），关闭第二放空阀（11）和所有第一放空阀（14），开启一个旁路阀（9）并关闭其他旁路阀（9）；
将循环管路系统注满水以后，关闭所有旁路阀（9）；
开启管道增压泵（2），调节循环管路系统的循环流量至设定值；
待流量调节至设定流量以后，开启出水泵（5）和进水泵（6），并将进出水流量均调节至预设值，至此，该模拟实验装置即可连续自动运行，随着运行时间的增加，在模拟管道内壁就会形成管壁生物膜；
当一个生物膜生长模拟单元停用时，将该生物膜生长模拟单元两端的旁路接头（8）连通，打开该生物膜生长模拟单元两端的旁路阀（9）；关闭该生物膜生长模拟单元的两个第一隔断阀门（7）；取出该生物膜生长模拟单元的监测管节（3），即可实现管壁生物膜的取样。
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