立式柱狀微生物反應器的製造方法
2023-12-10 06:10:57 1
立式柱狀微生物反應器的製造方法
【專利摘要】本發明公開的立式柱狀微生物反應器是生化需氧量（BOD）測量專用傳感器，由反應器腔體、反應器底座、網狀微生物床、溶解氧檢測電極、控溫系統和攪拌系統構成。反應器腔體置於反應器底座上,網狀微生物床、溶解氧檢測電極、控溫系統溫度傳感器置於反應器腔體內，控溫系統的半導體加熱器和攪拌系統的磁力攪拌泵置於反應器底座內，攪拌系統的循環管路置於反應器腔體外側，循環管路將反應器腔體底部和上部連通。網狀微生物床為網狀圓柱體結構，置於反應器腔體中部，反應器腔體上下兩部分通過網狀微生物床的網孔連通，網狀微生物床的網孔孔徑為1.5～2.0毫米。本發明使微生物反應器的體積縮小，減小了加熱和攪拌系統的功率，實現了BOD的快速測量。
【專利說明】立式柱狀微生物反應器
【技術領域】
[0001]本發明涉及水質監測儀器，特別是涉及海水中生化需氧量的測量儀器。
【背景技術】
[0002]生化需氧量(BOD)是海水水質監測的主要指標之一。BOD測量的標準方法是現場取樣實驗室分析，將水樣在20°C 土 1°C條件下培養5天，分別測定樣品培養前後的溶解氧值，二者之差即是微生物降解有機物所消耗的溶解氧，通常稱五日生化耗氧量，以BOD5表示。這種方法操作複雜、耗時、費力、時效性差，因此，BOD快速測量和在線測量的技術研究不斷取得進展。現有的BOD快速測量方法有微生物膜法和微生物反應器法。
[0003]採用微生物反應器法的BOD快速測量儀的關鍵部件是微生物反應器。現有BOD快速測量儀所用的微生物反應器通常體積較大，從900毫升到3升，並且是由好幾部分連接而成，缺乏整體性，不是一體化的測量傳感器。
[0004]圖1顯示現有一款BOD快速測量儀所用環形微生物反應器的截面結構，所述環形微生物反應器為環形反應器腔體A2、溶解氧檢測腔體AS和循環泵A6與連接管路A7構成的大型組合裝置。
[0005]環形反應器腔體A2內放置許多管狀微生物床A4，管狀微生物床A4在環形反應器腔體A2內隨水樣流動，循環泵A6提供水樣在環形反應器腔體A2內流動的動力。溶解氧檢測腔體AS與環形反應器腔體A2由連接管路A7連通，溶解氧檢測電極Al設置在溶解氧檢測腔體AS內。管狀微生物床A4的內壁上附著大量微生物菌群，微生物菌群將環形反應器腔體A2內水樣的有機物氧化，環形反應器腔體A2內的水樣經過循環泵A6連接的管路進入循環泵A6，再經過循環泵A6與溶解氧檢測腔體AS連接的管路進入溶解氧檢測腔體AS，最後又經過溶解氧檢測腔體AS與反應器腔體A2連接的管路回到環形反應器腔體A2，完成循環，同時溶解氧檢測電極Al檢測微生物菌群的短時耗氧量，並計算出總耗氧量(五日耗氧量)。BOD的測定需要在恆定溫度下進行，線繞電阻式加熱器A5位於環形反應器腔體A2的中央，溫度傳感器A3浸在環形反應器腔體A2的水樣中，它們在單片機的控制下完成恆溫控制。
[0006]但是，上述BOD的快速測量所用微生物反應器容積較大，在900毫升以上，管狀微生物床A4在環形反應器腔體A2內隨水樣流動，消耗試劑較多，能耗也偏大。而且，這種反應器由幾部分組成的大型組合裝置，缺乏整體性，維修、更換甚是不便，影響了實際使用。
【發明內容】
[0007]針對上述現有BOD快速測量技術的微生物反應器所存在的問題，本發明推出新型的微生物反應器，將固定式網狀生物床、內嵌式攪拌泵、溶解氧檢測電極置於同一個立柱狀殼體內，實現反應器的小型一體化，減少了反應器容積，節省試劑量和能耗，更利於維修更換。
[0008]本發明所涉及的立式柱狀微生物反應器呈立柱狀結構，包括反應器腔體、反應器底座、網狀微生物床、溶解氧檢測電極、控溫系統和攪拌系統，控溫系統由溫度傳感器和半導體加熱器構成，攪拌系統由磁力攪拌泵和循環管路構成。反應器腔體置於反應器底座上，網狀微生物床、溶解氧檢測電極、控溫系統的溫度傳感器置於反應器腔體內，控溫系統的半導體加熱器和攪拌系統的磁力攪拌泵置於反應器底座內，攪拌系統的循環管路置於反應器腔體外側，循環管路將反應器腔體底部和上部連通。
[0009]反應器腔體是盛待測海水水樣的容器，為圓筒狀結構，置於反應器底座上。反應器底座為圓柱體結構，上部有凹陷敞口，上部的凹陷敞口與反應器腔體下部連通。反應器底座頂部的螺紋接口與反應器腔體圓筒殼體下端連接，反應器腔體與反應器底座上下連接形成容納待測海水水樣的密閉容器。
[0010]網狀微生物床為網狀圓柱體結構，置於反應器腔體中部，固定在反應器腔體圓筒殼體內壁上，網孔孔徑為1.5~2.0毫米。網狀微生物床將反應器腔體分成上下兩部分，上下兩部分通過網狀微生物床的網孔連通，網狀微生物床圓柱體的中心軸線與反應器腔體中心軸線重合。
[0011]磁力攪拌泵為內嵌式攪拌泵，設置在反應器底座的凹陷敞口內，並置於反應器腔體下部待測海水水樣中，可以直接提供海水水樣的水平方向流速。
[0012]半導體加熱器設置在反應器底座的凹陷敞口內，位於磁力攪拌泵之上，為反應器腔體下部待測海水水樣加熱。磁力攪拌泵攪動加熱水樣流動，可以較快將熱量散發出去。
[0013]循環管路置於反應器腔體圓筒殼體外側，循環管路上端從反應器腔體圓筒殼體端蓋插入反應器腔體上部，循環管路下端插入反應器底座上部的凹陷敞口，將反應器腔體底部以及反應器底座上部與反應器腔體上部連通。
[0014]溶解氧檢測電極插入反應器腔體內，穿過網狀微生物床，並由鎖緊壓蘭固定在反應器腔體圓筒殼體的端蓋上。
[0015]溫度傳感器設置在反應器腔體圓筒殼體端蓋上，溫度傳感器的測量探頭插入反應器腔體內，與待測海水水樣接觸。
[0016]溫度傳感器、溶解氧檢測電極、半導體加熱器和磁力攪拌泵分別與微生物反應器外部計算控制單元的單片機連接。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為現有技術的環形微生物反應器截面結構示意圖；
[0018]圖2為本發明的立式柱狀微生物反應器結構示意圖。
[0019]圖中標記說明:
[0020]Al、溶解氧檢測電極A2、環形反應器腔體
[0021]A3、溫度傳感器A4、管狀微生物床
[0022]A5、電阻式加熱器A6、循環泵
[0023]A7、連接管路AS、溶解氧檢測腔體
[0024]1、溶解氧檢測電極2、鎖緊壓蘭
[0025]3、溫度傳感器4、出水口
[0026]5、網狀微生物床6、反應器腔體
[0027]7、半導體加熱器8、進水口
[0028]9、磁力攪拌泵10、反應器底座[0029]11、循環管路【具體實施方式】
[0030]結合附圖對本發明的技術方案作進一步說明。如圖2所示，本發明所涉及的立式柱狀微生物反應器呈立柱狀結構，包括反應器腔體6、反應器底座10、網狀微生物床5、溶解氧檢測電極1、控溫系統和攪拌系統，控溫系統由溫度傳感器3和半導體加熱器7構成，攪拌系統由磁力攪拌泵9和循環管路11構成。反應器腔體6置於反應器底座10上，網狀微生物床5、溶解氧檢測電極1、控溫系統溫度傳感器3置於反應器腔體6內，控溫系統的半導體加熱器7和攪拌系統的磁力攪拌泵9置於反應器底座10內，攪拌系統的循環管路11置於反應器腔體6的外側，循環管路11將反應器腔體6的底部和上部連通。
[0031]反應器腔體6是盛待測海水水樣的容器，為圓筒狀結構，置於反應器底座10上。反應器底座10為圓柱體結構，上部有凹陷敞口，上部的凹陷敞口與反應器腔體6下部連通。反應器底座10頂部的螺紋接口與反應器腔體6的圓筒殼體下端連接，反應器腔體6與反應器底座10上下連接形成容納待測海水水樣的密閉容器。反應器腔體6的內徑為60毫米，深度為100毫米，有效容積為280毫升。待測海水水樣從反應器底座10上部的進水口 8進入，經反應器平衡和水樣測量後，從位於反應器腔體6上部的出水口 4流出。
[0032]網狀微生物床5為網狀圓柱體結構，置於反應器腔體6的中部，固定在反應器腔體6的圓筒殼體內壁上，網孔孔徑為1.5?2.0毫米。網狀微生物床5將反應器腔體6分成上下兩部分，上下兩部分通過網狀微生物床6的網孔連通，網狀微生物床6的圓柱體中心軸線與反應器腔體中心軸線重合。
[0033]磁力攪拌泵9為內嵌式攪拌泵，設置在反應器底座10的凹陷敞口內，並置於反應器腔體6下部待測海水水樣中，可以直接提供海水水樣的水平方向流速。
[0034]半導體加熱器7設置在反應器底座10的凹陷敞口內，位於磁力攪拌泵9之上，為反應器腔體6下部待測海水水樣加熱。磁力攪拌泵9攪動的加熱水樣水流可以較快將熱量散發出去。半導體加熱器7表面附有絕緣防水層。
[0035]循環管路11置於反應器腔體6的圓筒殼體外側，循環管路11上端從反應器腔體6的圓筒殼體端蓋插入反應器腔體6上部，循環管路11下端插入反應器底座10的上部，將反應器腔體6底部以及反應器底座10上部與反應器腔體6的上部連通。磁力攪拌泵9攪拌下水平方向流動的海水水樣，同時通過循環管路11自下而上循環流動。
[0036]溶解氧檢測電極I插入反應器腔體6內，並由鎖緊壓蘭2固定在反應器腔體6圓筒殼體的端蓋上。
[0037]溫度傳感器3設置在反應器腔體6的圓筒殼體端蓋上，溫度傳感器3的測量探頭插入反應器腔體6中，與待測海水水樣接觸。
[0038]溫度傳感器3、溶解氧檢測電極1、半導體加熱器7和磁力攪拌泵9分別與微生物反應器外部計算控制單元的單片機連接。
[0039]本發明涉及的立式柱狀微生物反應器是BOD快速測量儀的關鍵部件，與計量泵、恆氧器和單片機相連接構成完整的BOD測量系統。
[0040]BOD測量儀的測定步驟包括反應器平衡、水樣測量、測量結果計算以及反應器再平衡，實現自動化測量。[0041]進行測量時，在帶有單片機的計算控制單元的控制下，計量泵先將BOD標準液(如2mg/L),以恆定的流量經過恆氧裝置，再經進樣口 8進入反應器。反應器中的磁力攪拌泵9和循環管路11構成的攪拌系統將進入反應器中的標準液運送至網狀生物床5處，並使反應器腔體中各處水體的濃度均勻。反應器中的半導體加熱器7、溫度傳感器3和設在反應器外的單片機構成了恆溫系統，恆溫系統和攪拌系統共同為反應器提供了穩定的反應環境。在反應器中反應過的標準液自動從出水口 4溢出，經過一段時間，由於進樣速率恆定，內部反應條件恆定，氧化速率恆定，反應器中的溶解氧檢測電極I的測值也趨於穩定平衡。將此時的溶解氧測值記為DCV
[0042]系統平衡後，計量泵再切換進入待測水樣，待測水樣也是以恆定的流量經過恆氧裝置，再經進樣口 8進入反應器，反應後並從出水口 4溢出。由於待測水樣中有機物的濃度與BOD標準液不同，即進水有機物的濃度改變，反應速率就發生了變化，原有的平衡狀態就被打破，溶解氧的含量增高或降低，反應器中的溶解氧檢測電極I測值也就發生變化，將切換待測水樣20分鐘後溶解氧檢測電極I測值記為DO1，可根據20分鐘反應器中溶解氧的變化量(ADO=DO1-DO0)計算出B0D5。有實驗證實有機物濃度(BOD5)與初始氧化速率(ADO)的關係在一定範圍內是線性關係，如下式:
[0043]B0D5=k Δ D0+b
[0044]式中Λ DO即為20分鐘反應器中溶解氧的變化量；b為截距，是BOD標準液的BOD5值；斜率k是與反應器和反應條件相關的氧化效率係數。
[0045]完成一次測量後，需將水樣重新切換成BOD標準液，儀器需重新恢復到穩定平衡狀態，以便進行下一次測量。
[0046]以上敘述本發明的工作過程是在單片機控制下自動完成的，數據的獲得、計算、處理和測量結果的存儲都是自動化的。
[0047]本發明涉及的立式柱狀微生物反應器為一體化的緊湊結構，網狀生物床的比表面積大、附著菌群密度大，減少了反應器容積，反應器容積只有280毫升，減少了試劑用量和能源消耗，具有體積小、重量輕、操作簡便等特點，實現了 BOD的快速測量，極大地提高了工作效率和測量的時效性。滿足了海洋環境監測的需要，具有顯著的實用性。
【權利要求】
1.一種立式柱狀微生物反應器，其特徵在於:包括反應器腔體、反應器底座、網狀微生物床、溶解氧檢測電極、控溫系統和攪拌系統，控溫系統由溫度傳感器和半導體加熱器構成，攪拌系統由磁力攪拌泵和循環管路構成；反應器腔體置於反應器底座上，網狀微生物床、溶解氧檢測電極、控溫系統溫度傳感器置於反應器腔體內，控溫系統的半導體加熱器和攪拌系統的磁力攪拌泵置於反應器底座內，攪拌系統的循環管路置於反應器腔體外側，循環管路將反應器腔體底部和上部連通；反應器腔體是為圓筒狀結構，反應器底座為圓柱體結構，反應器底座上部的凹陷敞口與反應器腔體下部連通，反應器腔體與反應器底座上下連接形成容納待測海水水樣的密閉容器。
2.根據權利要求1所述的立式柱狀微生物反應器，其特徵在於，所述網狀微生物床為網狀圓柱體結構，置於反應器腔體中部，固定在圓筒殼體內壁上，網狀微生物床將反應器腔體分成上下兩部分，上下兩部分通過網狀微生物床的網孔連通，網狀微生物床圓柱體的中心軸線與反應器腔體中心軸線重合。
3.根據權利要求2所述的立式柱狀微生物反應器，其特徵在於，所述網狀微生物床的網孔孔徑為1.5?2.0毫米。
4.根據權利要求1所述的立式柱狀微生物反應器，其特徵在於，所述反應器腔體的內徑為60毫米，深度為100毫米，有效容積為280毫升。
5.根據權利要求1所述的立式柱狀微生物反應器，其特徵在於，所述溶解氧檢測電極插入反應器腔體內並穿過網狀微生物床，溶解氧檢測電極由鎖緊壓蘭固定在圓筒殼體端蓋上；所述溶解氧檢測電極與外部計算控制單元的單片機連接。
6.根據權利要求1所述的立式柱狀微生物反應器，其特徵在於，所述循環管路置於反應器腔體圓筒殼體外側，循環管路上端從反應器腔體圓筒殼體端蓋插入反應器腔體上部，循環管路下端插入反應器底座上部的凹陷敞口，將反應器腔體底部以及反應器底座上部與反應器腔體上部連通。
7.根據權利要求1所述的立式柱狀微生物反應器，其特徵在於，所述磁力攪拌泵為內嵌式攪拌泵，設置在反應器底座的凹陷敞口內；所述半導體加熱器設置在反應器底座的凹陷敞口內，位於磁力攪拌泵之上，為反應器腔體下部待測海水水樣加熱，磁力攪拌泵攪動的加熱水樣水流可以較快將熱量散發出去。
8.根據權利要求1所述的立式柱狀微生物反應器，其特徵在於，所述半導體加熱器表面附有絕緣防水層。
9.根據權利要求1所述的立式柱狀微生物反應器，其特徵在於，所述溫度傳感器設置在反應器腔體圓筒殼體端蓋上，溫度傳感器的測量探頭插入反應器腔體中，與待測海水水樣接觸；所述溫度傳感器與外部計算控制單元的單片機連接。
【文檔編號】G01N27/26GK103713027SQ201410025738
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月20日 優先權日:2014年1月20日
【發明者】張世強, 宋正超 申請人:國家海洋技術中心