一種輸水管道微生物生長模擬反應器的製作方法
2023-05-12 23:20:31 1
專利名稱：一種輸水管道微生物生長模擬反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種模擬管道微生物生長的試驗裝置，屬於環境技術和水處理技術領域。
背景技術：
在輸水管道中，水中的懸浮菌容易附著到營養相對豐富的管壁表面，形成生物膜。 在城市供水管道中，管壁的生物膜中存在著各種致病菌，生物膜在水流剪切力的衝擊作用下老化脫落，細菌進入水體中，導致水體變濁，色度及細菌總數增加，使水質惡化，嚴重時會引起飲用水的微生物風險。在工業循環冷卻水輸水管道中，如化工業，石油工業中的循環冷卻水輸送管道中，管壁生物膜的形成嚴重影響了管道的輸水功能，隱藏著不安全因素。評價生物膜引起的微生物學風險，研究生物膜的生長特性，實現對輸水管道中微生物再生長的控制已經成為各國研究人員共同關注的問題。由於實際管網是一個封閉系統，在實際管網中很難控制微生物再生長的條件及對生物膜形成過程進行實時監測，因此建立一種模擬輸水管道中微生物再生長的試驗裝置是首要解決的問題。目前的模擬系統主要有兩種管道模擬系統和反應器模擬系統。管道模擬系統是一種簡化了的實際管網，長度比實際管網短很多，在實驗室中可以實現模擬實際管網中的水力條件，管道模擬系統又分為循環式和非循環式兩種。非循環式管道模擬系統佔地面積大，且用水量大，試驗成本高，循環式管道模擬系統雖然可節約用水和佔地面積，但水力條件與實際管網存在較大的區別，嚴重影響研究和控制試驗結果。反應器模擬系統中比較有代表性的是AR(Annular Reactor)反應器，該反應器主要由反應罐、轉子、電機、掛片、進出水口和取樣口組成，轉子上掛有掛片以提供生物膜附著生長的表面，轉子在電機的驅動下旋轉，掛片亦隨之旋轉，掛片起了攪拌反應器中水的作用，使得掛片與水體的交界面之間產生剪切力，既可模擬管網中的水力條件，剪切力的大小可通過調節電機轉速控制。反應器運行一段時間後，可從取樣口將掛片取出並對掛片表面附著的生物膜進行分析。該反應器模擬系統佔地小，用水量少，設備費用及運行費用比較低，但是，該反應器模擬系統具有以下缺點1、由於掛片設置在轉子上，掛片表面形成的生物膜隨著轉子的旋轉容易被衝刷甩掉，2、掛片在旋轉過程中，承受離心力的作用，使得生物膜的生長條件與實際管網內的生長條件發生改變，影響模擬研究結果。中國專利CN201003052Y公告了一種模擬管道生物膜試驗反應器，該容器包括帶有頂蓋的筒形容器本體，環繞筒形容器內壁豎直加工有若干條用於插裝插片的導槽，作為生物膜生長面的條板形插片分別插裝在各導槽內，但該裝置存在如下缺陷，1、作為生物膜生長面的條板形插片不容易取出，導致取樣不便，2、插槽在反應器內部屬於死角區域，這種區域容易營造一個營養相對豐富的環境，極易造成微生物過度滋生，使得插片表面的生物膜分析準確度降低
發明內容
為解決以上技術上的不足，本發明提供一種輸水管道微生物再生長模擬反應器， 節約用水和佔地面積，降低實驗成本。該反應器不僅能模擬實際輸水管道中水力條件，培育生物膜，而且掛片不隨轉子旋轉，掛片受到水的剪切力更近似於實際輸水管道的管壁所受到剪切力，提高了模擬實驗的準確性、可靠性，同時反應器內無死角，取樣也更加方便。本發明是通過如下技術方案實現的一種輸水管道微生物生長模擬反應器，包括帶有頂蓋的圓筒形容器本體，其特徵在於，在頂蓋上設有加藥口和取樣口，貫通頂蓋的中心軸孔垂直設置有驅動軸，驅動軸的下端連接有攪拌器，驅動軸的上端與電機相連，容器本體的側壁上設置有進水口和出水口，進水口與進水管相連通，進水管的管路上設置有流量計，在容器本體內、攪拌器的上方設有圓形載板，載板的中心穿過驅動軸，載板上均勻分布有環形排列的插孔，有供微生物附著生長的垂直掛片穿過插孔懸掛在載板上，所述掛片在載板下方圍成一個筒狀空間。根據本發明，所述的掛片為長方形，掛片上端有凸臺，凸臺長度大於插孔的長度或者寬度大於插孔寬度。掛片下部穿過插孔、掛片上端的凸臺卡在載板插孔上，使得掛片懸掛在載板上。根據本發明，在環繞容器本體的內壁上，均勻分布設置有一圈3-5個凸起，所述載板安放在所述凸起上。便於載板拆卸，易於將載板取下進行清洗。根據本發明，優選的，所述插孔為長方形孔，長度為17-20mm，寬度為5_10mm。根據本發明，優選的，所述插孔的數量為12-18個。根據本發明，優選的，所述插孔距離載板邊緣為5-10mm。根據本發明，優選的，所述的載板距頂蓋的距離為40_50mm。優選該距離能更方便從採樣口採樣。根據本發明，所述的掛片寬度小於插孔長度即可。優選的，所述的掛片寬度為 15-19mm。根據本發明，所述的掛片長度小於載板距容器底部的距離，掛片的底邊位於進水口上方。優選的，所述的掛片的長度為100-120mm。所述的取樣口為3-5個，優選的，轉動頂蓋後可使取樣口位於載板插孔的正上方。 優選的，所述的加藥口和取樣口均配有橡膠塞。取下橡膠塞即可取樣，取樣口所在的頂蓋是可轉動的，無需取下頂蓋，轉動頂蓋將取樣口對準載板插孔便可將一圈的掛片取出，通過加藥口進行加藥可以模擬不同水質參數及消毒劑對微生物生長的影響。所述的攪拌器為槳板式葉輪攪拌器。槳板式葉輪攪拌器的轉速通過電機可以控制，調節轉速可以使容器中旋轉水流與掛片之間的剪切力改變。直至模擬反應器中的水流剪切力與實際管道中的相等時，即可模擬水流在實際管道中的水力條件，可以模擬不同輸水管道中的水力條件。所述掛片的材料選自聚乙烯、硬質聚氯乙烯、鑄鐵或不鏽鋼。掛片可由不同材料製成，根據實際管網中管材情況的不同可選自不同材質。所述的流量計為LZB-10玻璃轉子流量計，購自瀋陽市北星流量儀表廠。流量計可以調節控制反應器的進水流量，以模擬實際輸水管道中水流與單位長度管壁的接觸時間或停留時間。本發明模擬管道微生物生長反應器的設計原理如下
水力停留時間(HRT)是指水在反應器內平均停留時間；實驗時模擬反應器的進水流量設為q，反應器的有效容積為V，水力停留時間(HRT)為HRT = V/q 式(1)其中，HRT單位:h ；V單位=L ；q單位L/h。反應器中水流剪切力(τ )的計算公式為T = Lfa-P.(2πω)2-r.(^0/式 C)其中，τ為剪切力，N/m2 ；r =轉子半徑，cm ； ω為轉速，單位r/min ； P 度，單位l(fkg/m3 ；fa為摩擦係數。公式O)引自論文魯巍.給水管網細菌生長特性及其控制的研究[D] 華大學環境工程系，2005.由上述水流剪切的計算公式可以看出，剪切力的大小與進水流量、攪拌器的轉速呈正比。通過調節進水流量、改變攪拌器的轉速，可使水與掛片之間達到不同的水流剪切力，當反應器中的水流剪切力與實際管道中的相等時，即可模擬水流在實際管道中流動的情形。本發明的特點及優良效果1、本發明的輸水管道模擬反應器的掛片設置在載板上的插孔中，載板固定在容器本體的內壁上，轉軸轉動帶動攪拌器轉動，載板固定不動，避免了掛片隨轉子旋轉承受離心力的作用，使模擬反應器中的水力條件更趨近於實際管網中的水力條件，防止生物膜隨著轉子旋轉被衝甩掉；2、插孔在載板上呈環形排列，掛片之間組成圓筒狀空間使掛片近似於實際中的輸水管道管壁，掛片受到的水流剪切力，更近似於實際輸水管道的管壁所受到的剪切力，掛片上生物膜的生長條件更接近於實際管道中生物膜的生長條件，有利於培育生物膜。另一方面還保證了掛片能有最大的表面與水流接觸供生物膜生長。3、掛片凸臺的長度大於長方形插孔的長度或凸臺的寬度大於長方形插孔的寬度， 掛片在插孔中固定得更穩定，不容易被水流衝掉，同時取樣也更加方便，直接鑷子夾持住掛片凸臺部將其直接取出，不會破壞附著在掛片下部的生物膜，提高研究和分析結果的準確性、可靠性。4、插孔距輸水管道模擬反應器的容器內壁有一定距離，防止掛片貼在反應器的內壁上，避免插片設置在容器體壁上而造成的死角區域，提高了掛片表面的生物膜分析準確度。
圖1是本發明的整體結構示意圖；圖2是容器本體的剖面結構示意圖；圖3是實施例1的載板、插孔分布結構示意圖；圖4是實施例1的掛片的結構示意圖；其中，1、頂蓋；2、取樣口 ；3、電機；4、驅動軸；5、攪拌器；6、載板；7、掛片；8、插孔； 9、進水口 ；10、出水口 ；11、流量計；12、加藥口。
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具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明做詳細地說明，但不限於此。實施例1一種輸水管道微生物生長模擬反應器，結構如圖1、圖2所示，包括帶有頂蓋1的圓筒形容器本體，在頂蓋1上設置有加藥口 12和取樣口 2，加藥口和取樣口 2處設置有橡膠塞，取樣口為3個，取下橡膠塞即可取樣，頂蓋1可以轉動，無需取下頂蓋1，便可以將樣品逐一取出，通過加藥口 12進行加藥可以模擬不同水質參數及消毒劑對微生物生長的影響。貫通頂蓋1的中心軸孔垂直設置有驅動軸4，驅動軸4的下端位於容器本體的內部，驅動軸4的上端與電機3相連，驅動軸4的下端連接有攪拌器5，攪拌器5為槳板式葉輪攪拌器，通過電機3控制轉速，調節轉速可以使容器中旋轉水流與掛片之間的剪切力改變。在容器本體內部攪拌器5的上方還設置有半徑為75mm的圓形載板6，驅動軸4貫穿載板6的中心，載板6距頂蓋1的距離為45mm。環繞容器本體的內壁上設置有處於同一高度的3個凸起，載板6卡放在凸起上，此種設計載板拆卸方便，易於將載板6取下進行清洗。載板6上均勻分布有一圈插孔8，轉動頂蓋1可使取樣口 2位於插孔8的正上方，插孔 8中插有供微生物附著生長的掛片7，容器本體的側壁上設置有進水口 9和出水口 10，進水口 9與進水管相連通，進水管的管路上設置有流量計11。流量計11為LZB-10玻璃轉子流量計(瀋陽市北星流量儀表廠)。流量計11可以調節控制反應器的進水流量，以模擬實際輸水管道中水流與單位長度管壁的接觸時間或停留時間。所述插孔8在載板6上排列呈圓環形，插孔8為長17mm，寬5mm的長方形孔，插孔 8的數量為12個。插孔8距載板6邊緣的距離為5mm，如圖3所示。所述掛片的材料選自聚氯乙烯(PVC)，掛片7上端有凸臺，凸臺長度大於插孔的長度或者寬度大於插孔8寬度。 掛片7下部穿過插孔、掛片上端的凸臺卡在載板插孔8上，使得掛片懸掛在載板上。掛片7 呈長方形，寬度為15mm，長度為110mm，掛片7的底邊位於進水口 9的上方，如圖4所示。由於載板固定，掛片插在載板上的插孔中，避免了掛片隨轉子旋轉，使模擬反應器中的水力條件更趨近於實際管網中的水力條件，同時，此種設計取樣也更加方便，可用鑷子夾持住掛片凸臺部將其直接取出，不會破壞附著載片上的生物膜，提高研究和分析結果的準確性、可靠性。實施例2、一種輸水管道微生物生長模擬反應器，結構如實施例1所述，所不同的是在頂蓋1上設有5個取樣口 2，半徑為80mm的圓形載板6距頂蓋1的距離為50mm ；插孔8呈長方形，該長方形插孔的長度為20mm，寬度為10mm，插孔的數量為18個。 插孔8距載板6周邊的距離10mm，掛片寬度為18mm，長度為120mm。環繞容器本體的內壁上設置有處於同一高度的5個凸起，5個凸起處於同一平面上，載板6卡在凸起上。
權利要求
1.一種輸水管道微生物生長模擬反應器，包括帶有頂蓋的圓筒形容器本體，其特徵在於，在頂蓋上設有加藥口和取樣口，貫通頂蓋的中心軸孔垂直設置有驅動軸，驅動軸的下端連接有攪拌器，驅動軸的上端與電機相連，容器本體的側壁上設置有進水口和出水口，進水口與進水管相連通，進水管的管路上設置有流量計，在容器本體內、攪拌器的上方設有圓形載板，載板的中心穿過驅動軸，載板上均勻分布有環形排列的插孔，有供微生物附著生長的垂直掛片穿過插孔懸掛在載板上，所述掛片在載板下方圍成一個筒狀空間。
2.根據權利要求1所述的輸水管道微生物生長模擬反應器，其特徵在於，所述的掛片為長方形，掛片上端有凸臺，凸臺長度大於插孔的長度或者寬度大於插孔寬度。
3.根據權利要求1所述的輸水管道微生物生長模擬反應器，其特徵在於，在環繞容器本體的內壁上均勻分布設置有一圈3-5個凸起，所述載板安放在所述凸起上。
4.根據權利要求1所述的輸水管道微生物生長模擬反應器，其特徵在於，所述載板插孔為長方形孔，長度為17-20mm，寬度為5_10mm。
5.根據權利要求1所述的輸水管道微生物生長模擬反應器，其特徵在於，所述插孔的數量為12-18個。
6.根據權利要求1所述的輸水管道微生物生長模擬反應器，其特徵在於，所述插孔距離載板邊緣為5-10mm。
7.根據權利要求1所述的輸水管道微生物生長模擬反應器，其特徵在於，所述的載板距頂蓋的距離為40-50mm。
8.根據權利要求1所述的輸水管道微生物生長模擬反應器，其特徵在於，所述的掛片寬度小於插孔長度，優選的，掛片寬度為15-19mm。
9.根據權利要求1所述的輸水管道微生物生長模擬反應器，其特徵在於，所述的掛片長度小於載板距容器底部的距離，優選的，掛片的長度為100-120mm。
10.根據權利要求1所述的輸水管道微生物生長模擬反應器，其特徵在於，所述的取樣口為3-5個，轉動頂蓋取樣口位於載板插孔的正上方；優選的，所述的加藥口和取樣口均配有橡膠塞。
全文摘要
本發明涉及一種模擬管道微生物生長的試驗裝置。它包括帶有頂蓋的圓筒形容器本體、電機驅動的攪拌器、進水口和出水口，在容器本體內部攪拌器的上方設置有載板，載板上均勻分布有插孔，有供微生物附著生長的垂直掛片穿過插孔懸掛在載板上，所述掛片在載板下方圍成一個筒狀空間。本發明不僅能模擬實際輸水管道中水力條件，培育生物膜，而且掛片固定得更加穩定，取樣也更加方便，同時反應器內無死角，提高了分析結果的準確性、可靠性。
文檔編號C12M1/00GK102268364SQ201110194708
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月12日 優先權日2011年7月12日
發明者李力, 王夢蕙, 陳璐 申請人:山東大學