CN111826275A - 一种长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置及实验方法，包括进水泵和至少两级循环管路系统；每级循环管路系统上沿水流方向依次串联设置有进水接口、管道增压泵、若干可拆装的监测管节和出水接口；出水接口上连接有出水泵；模拟实验时，进水泵经一级循环管路系统的进水接口向一级循环管路系统输送水；管道增压泵对管道内的水流加压，然后进入监测管节；从上一级循环管路系统的监测管节流过的水，一部分经出水泵后，由下一级循环管路系统的进水接口进入下一级循环管路系统；另一部分循环流至上一级循环管路系统的进水接口处。本发明可以模拟多级输水官网；模拟不同长度、不同停留时间条件下长距离输水管道管壁生物膜生长过程。
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长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置及实验方法。
背景技术
缺水城市的用水通常需从水质相对较好的水源地取水，然后经长距离输水来保障城市饮用水安全。长距离输水使得原水在管道中停留时间长，原水中含有的各种微生物会在输水管路的管壁上形成生物膜，生物膜需要不断从原水中吸收营养物质以满足自身代谢与繁殖的需要，从而去除了原水中部分氮、磷、有机物等污染物质，同时当生物膜生长到一定阶段时又会老化脱落，影响原水水质，生物膜是管壁结垢和腐蚀的诱因, 有时甚至能发生孔蚀穿透的情况，管壁结垢和腐蚀不仅会使水质变坏，同时也会降低管网的过水能力、增加二级泵站的动力消耗。因此，掌握长距离原水输水管路水质变化，有效利用长距离输水过程中生物膜的净水作用，控制和避免其所产生的负面影响，在实验室中模拟长距离输水管道管壁生物膜生长过程具有重要研究意义。
目前，国内外对于长距离输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置均是采用定量水在一段管路循环反复流通，无法模拟出水流量的汇入和流出，以及多级长距离输水管网之间的连接，与真实的水体存在较大的差异性，模拟的效果存在一定的局限性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置及实验方法，可以模拟多级输水管网；有效模拟不同长度、不同停留时间条件下长距离输水管道管壁生物膜生长过程，实验装置操作简单、可自动运行；通过管壁生物膜生长模拟单元，可以将不同生长阶段的生物膜完整取出，生物膜生长状况直观、明了，便于管壁生物膜的取样。
技术方案：本发明提出一种长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置，包括进水泵和至少两级循环管路系统；每级循环管路系统上沿水流方向依次串联设置有进水接口、管道增压泵、若干可拆装的监测管节和出水接口；所述出水接口上连接有出水泵；
模拟实验时，进水泵经一级循环管路系统的进水接口向一级循环管路系统输送；管道增压泵对管道内的水流加压，然后进入监测管节；
从上一级循环管路系统的监测管节流过的水，一部分经出水泵，由下一级循环管路系统的进水接口进入下一级循环管路系统；另一部分循环流至上一级循环管路系统的进水接口处；
末级循环管路系统的经出水泵排出；
进水泵的进水流量与每级循环管路系统上的出水泵的出水流量均相同。
本发明实现水流的不断循环，即可以模拟任意长度的管道，可采用正态水力模拟，即模型与实际管道的长度和管径采用相同的比尺；
进一步，每级的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是该级循环管路系统的管径；
每级的循环管路系统中进水接口与出水接口之间的管段长度为
Lm=Qm×t/Sm
其中Lm为每级的循环管路系统中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为该级循环管路系统的管道截面积。
进一步，每级循环管路系统的所述若干监测管节的两端分别设置有第一阀门和第二阀门；所述出水接口设置在第一阀门与第二阀门之间的管段；第一阀门与第二阀门之间的管段上还设置有第一放空阀。
进一步，每级循环管路系统上，进水接口流向出水接口，且位于第一阀门与第二阀门之外的管段上还设置有第一单向阀，第二放空阀、流量控制阀、压力表和排气阀。
进一步，每级循环管路系统上，出水接口回流向进水接口的管段上设置有第二单向阀和第三阀门。
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。
一种长输水管道管壁生物膜生长的模拟实验方法，首先开启各级循环管路系统的第一阀门、第二阀门和第三阀门，将各级循环管路系统注满原水；
各级循环管路系统注满原水以后，开启各级循环管路系统的管道增压泵，调节各级循环管路系统的循环流量至设定值；
待各级循环管路系统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；
待系统运行一段时间需对管道管壁生物膜进行取样鉴定的时候，关闭各级循环管路系统的出水泵和进水泵。待水泵完全停止后，关闭第一阀门和第二阀门，开启第一放空阀，待水排空以后，取出一段监测管节，将备用监测管节更换上，即可实现管壁生物膜的取样，取样完毕以后重复第一步再重新启动该模拟实验装置。
有益效果：本发明通过多级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不同循环系统的停留时间，具有推流式反应器部分特征。本发明可以模拟多级输水官网；有效模拟不同长度、不同停留时间条件下长距离输水管道管壁生物膜生长过程，实验装置操作简单、可自动运行；通过管壁生物膜生长模拟单元，可以将不同生长阶段的生物膜完整取出，生物膜生长状况直观、明了，便于管壁生物膜的取样。
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，本发明提出一种长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置，包括进水泵6和至少两级循环管路系统；每级循环管路系统上沿水流方向依次串联设置有进水接口1、管道增压泵2、若干可拆装的监测管节3和出水接口4；所述出水接口4上连接有出水泵5；
模拟实验时，进水泵6经一级循环管路系统的进水接口1向一级循环管路系统输送水；管道增压泵2对管道内的水流加压，然后进入监测管节3；
从上一级循环管路系统的监测管节3流过的水，一部分经出水泵5后，由下一级循环管路系统的进水接口1进入下一级循环管路系统，模拟两级连接的输水官网；另一部分循环流至上一级循环管路系统的进水接口1处；
末级循环管路系统的经出水泵5流出的水排出；
进水泵6的进水流量与每级循环管路系统上的出水泵5的出水流量均相同。
本发明采用水力正态模拟，所提供的长距离输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置通过循环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不同循环系统的停留时间，具有推流式反应器部分特征。
本发明首先选取每级循环管路系统的管径以及进水泵6的进水流量，然后由此计算管道增压泵2控制出口处的水流速，以及每级的循环管路系统中进水接口1与出水接口4之间的管段长度。具体的，
采用正态模拟，每级的所述管道增压泵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是该级循环管路系统的管径；
为模拟原水在原型管道的水停留时间，在每级的循环管路系统中进水接口1与出水接口4之间的管段长度为
Lm=Qm×t/Sm
其中Lm为每级的循环管路系统中进水接口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为该级循环管路系统的管道截面积。
每级循环管路系统的所述若干监测管节3的两端分别设置有第一阀门7和第二阀门8；所述出水接口4设置在第一阀门7与第二阀门8之间的管段；第一阀门7与第二阀门8之间的管段上还设置有第一放空阀9。
每级循环管路系统上，进水接口1流向出水接口4，且位于第一阀门7与第二阀门8之外的管段上还设置有第一单向阀10，第二放空阀11、流量控制阀12、压力表13和排气阀14。
每级循环管路系统上，出水接口4回流向进水接口1的管段上设置有第二单向阀15和第三阀门16。
每个所述监测管节3的两端通过法兰连接在循环管路上。在运行过程中为了观察管壁生物膜的生长情况，隔一段时间将第一阀门7和第二阀门8关闭，选取其中一根监测管节3，将其两端连接法兰上拆开，便于观察管壁生物膜的生长情况，便于取样监测。
本发明还包括PLC控制器17；所述PLC控制器17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，首先开启各级循环管路系统的第一阀门7、第二阀门8和第三阀门16，将各级循环管路系统注满原水；
各级循环管路系统注满原水以后，开启各级循环管路系统的管道增压泵2，调节各级循环管路系统的循环流量至设定值；
待各级循环管路系统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；
待系统运行一段时间需对管道管壁生物膜进行取样鉴定的时候，关闭各级循环管路系统的出水泵5和进水泵6。待水泵完全停止后，关闭第一阀门7和第二阀门8，开启第一放空阀9，待水排空以后，取出一段监测管节3，将备用监测管节3更换上，即可实现管壁生物膜的取样，取样完毕以后重复第一步再重新启动该模拟实验装置。
本实施例以江苏某城市新水源地及引水工程输水管道为对象，工程总供水规模按115万m3/d计，主线分为两段：第一段是从取水泵站至主线中途增压泵站A，本段长度50.26km，设计输水规模115万m3/d，采用 DN2400双管，管材为钢管，设计流速 1.666m/s，设计停留时间8.38h。在增压泵站处有15万m3/d的水体供给J城。第二段是从主线中途增压泵站A至增压泵站B，本段长度30.86km，设计输水规模 100万m3/d，采用DN2200双管，管材为钢管，设计流速 1.722m/s，设计停留时间4.98h。支线选取增压泵站B至水厂C，本段长度43.29km，设计输水规模25万 m3/d，采用DN1800 单管，管材为钢管，设计流速1.29m/s，设计停留时间9.32h。
实验模拟装置采用水力正态模拟，三个循环系统模拟管道均采用DN50钢管，实际输水管路与模拟管路主要物理量见下表。
表1 实际输水管路与模拟管路主要物理量
如表1，以第一循环系统为例，原型输水管路管径为2.4m，模拟管道管径50mm，模型比尺为48。采用正态模拟，原型管理流速为1.67m/s，则模拟管路流速为0.035m/s。第一循环系统循环流量为模拟管道流速乘以模拟管道横截面积，得出循环流量为68.72mL/s。模拟管路停留时间与原型管路停留时间相同取8.38h，为了保证整个系统的流量平衡，每个循环系统的进水流量均设置为40 mL/min，则第一循环系统管路体积为进水流量乘以停留时间，模拟管段长度为第一循环系统管路体积除以模拟管道横截面积为10.24m。
同理，在第二循环系统中，原型输水管路管径为2.2m，模拟管道管径50mm，模型比尺为44。原型管理流速为1.72m/s，则模拟管路流速为0.039m/s。第二循环系统的循环流量为76.58mL/s。模拟管路停留时间与原型管路停留时间相同取4.98h，进水流量均设置为40mL/min，模拟管段长度为6.08m。
在第三循环系统中，原型输水管路管径为1.8m，模拟管道管径50mm，模型比尺为36。原型管理流速为1.29m/s，则模拟管路流速为0.036m/s。第三循环系统的循环流量为70.69mL/s。模拟管路停留时间与原型管路停留时间相同取9.32h，进水流量均设置为40mL/min，模拟管段长度为11.39m。
Claims (8)
1.一种长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置，其特征在于：包括进水泵（6）和至少两级循环管路系统；每级循环管路系统上沿水流方向依次串联设置有进水接口（1）、管道增压泵（2）、若干可拆装的监测管节（3）和出水接口（4）；所述出水接口（4）上连接有出水泵（5）；
模拟实验时，进水泵（6）经一级循环管路系统的进水接口（1）向一级循环管路系统输送水；管道增压泵（2）对管道内的水流加压，然后进入监测管节（3）；
从上一级循环管路系统的监测管节（3）流过的水，一部分经出水泵（5），由下一级循环管路系统的进水接口（1）进入下一级循环管路系统；另一部分循环流至上一级循环管路系统的进水接口（1）处；
末级循环管路系统的经出水泵（5）流出的水排出；
进水泵（6）的进水流量与每级循环管路系统上的出水泵（5）的出水流量均相同。
2.根据权利要求1所述的长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置，其特征在于：每级的所述管道增压泵（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是该级循环管路系统的管径；
每级的循环管路系统中进水接口（1）与出水接口（4）之间的管段长度为
Lm=Qm×t/Sm
其中Lm为每级的循环管路系统中进水接口（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为该级循环管路系统的管道截面积。
3.根据权利要求2所述的长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置，其特征在于：每级循环管路系统的所述若干监测管节（3）的两端分别设置有第一阀门（7）和第二阀门（8）；所述出水接口（4）设置在第一阀门（7）与第二阀门（8）之间的管段；第一阀门（7）与第二阀门（8）之间的管段上还设置有第一放空阀（9）。
4.根据权利要求3所述的长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置，其特征在于：每级循环管路系统上，进水接口（1）流向出水接口（4），且位于第一阀门（7）与第二阀门（8）之外的管段上还设置有第一单向阀（10），第二放空阀（11）、流量控制阀（12）、压力表（13）和排气阀（14）。
5.根据权利要求4所述的长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置，其特征在于：每级循环管路系统上，出水接口（4）回流向进水接口（1）的管段上设置有第二单向阀（15）和第三阀门（16）。
6.根据权利要求5所述的长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置，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。
7.根据权利要求6所述的长输水管道管壁生物膜生长模拟实验装置，其特征在于：还包括PLC控制器（17）；所述PLC控制器（17）用于控制进水泵（6）和出水泵（5）的流量。
8.一种长输水管道管壁生物膜生长的模拟实验方法，其特征在于：首先开启各级循环管路系统的第一阀门（7）、第二阀门（8）和第三阀门（16），将各级循环管路系统注满原水；
各级循环管路系统注满原水以后，开启各级循环管路系统的管道增压泵（2），调节各级循环管路系统的循环流量至设定值；
待各级循环管路系统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；
待系统运行一段时间需对管道管壁生物膜进行取样鉴定的时候，关闭各级循环管路系统的出水泵（5）和进水泵（6）；
待水泵完全停止后，关闭第一阀门（7）和第二阀门（8），开启第一放空阀（9），待水排空以后，取出一段监测管节（3），将备用监测管节（3）更换上，即可实现管壁生物膜的取样，取样完毕以后重复第一步再重新启动该模拟实验装置。
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