供水管道生物指标变化的光谱信号影响研究

摘要

随着人们对饮用水水质的要求不断提高，供水管道水质安全问题正在引发越来越多的人的关注。管道微生物广泛分布于供水管道管壁生物膜里，由于管网水力剪切、生物膜自身老化脱落等原因，水体二次污染现象频繁发生。目前，对供水管道的微生物形态和数量的监测，一直面临采集困难、培养周期长等问题。本论文将光电装置引入到城市供水管道生物膜在线监测应用中，结合供水管网实际设计搭建了高密度聚乙烯材质管道模拟实验装置，以生物膜及管网水中的大肠杆菌为细菌微生物代表，利用传统平板培养技术和现代分子生物学技术，定量研究了水体悬浮微生物和管壁附着微生物与光谱信号的数量关系，分析了生物膜管壁空间位置分布特点，研究得到以下主要结论:
　　(1)在0.2m/s～0.8m/s流速区间内，高密度聚乙烯管道生物膜的生长速度与呈反比例关系，流速对微生物生长周期和稳定程度有明显影响，存在有利于生物膜快速生长的最佳流速为0.4m/s。
　　(2)冲刷对生物膜脱落过程有直接影响，数次冲刷后生物膜的抵抗能力有所增强，各生长周期粘附微生物和悬浮微生物的动态数量比随着冲刷次数不断变化。管道内壁底面的生物膜微生物数量远高于其他空间部位，光电装置光谱信号的获取主要影响因素是浊度和水体悬浮生物浓度，同时冲刷也会很大程度影响膜内粘附微生物数量。
　　(3)研究提出以时间参数为中间变量，建立了光谱信号与水体生物指标的数学模型。
　　本文的创新点包括:(1)以微型光谱仪为核心设计并建立了一种基于光电效应的在线监测供水管道生物指标的实验装置，实现了生物膜生长状态的即时动态监测;(2)以流速和冲刷次数的不同组合方式模拟出多种水力条件下生物膜生长特点，寻找了光谱信号与管内生物量之间的半定量相关关系。
　　基于光电效应的生物膜监测装置具有即时性强、灵敏度高的特点，将其推广应用于实际供水管道有一定的可行性，对生物膜生长情况的即时在线监测可以为城市供水管道日常水质稳定性维护、微生物安全与风险评价提供有益的参考。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 细菌生长与生物膜形成

1．2．2 供水管道生物膜的危害及控制手段

1．2．3 水流剪切力对供水管道生物膜的影响

1．2．4 光谱学测量及应用

1．2．5 供水管道生物膜的定量分析技术

1．3 研究目的与意义

1．4 研究内容与技术路线

2 基于光电原理在线监测装置设计

2．1 引言

2．2 生物膜在线监测装置设计

2．2．1 光学原理与反射强度定义

2．2．2 生物膜在线监测管道装置及主要部件

2．2．3 试验材料与条件的优化选择

2．3 实验过程与方法

2．3．1 合成水的制备及细菌培养

2．3．2 各水力条件下微生物生长脱落机理探究方法

2．4 光电装置的适用性分析

2．5 本章小结

3 生物膜生长和脱落试验过程的在线光谱信号影响因素分析

3．1 引言

3．2 水流流速对光谱信号影响

3．3 再冲刷对光谱信号的影响

3．4 持续冲刷对光谱信号的影响

3．4．1 较低流速下光谱曲线特征分析

3．4．2 中等流速下光谱曲线特征分析

3．4．3 较高流速下光谱曲线特征分析

3．5 本章小结

4 光谱信号与生物膜生物指标及水质理化指标的相关关系研究

4．1 引言

4．2 光谱信号和生物指标与时间的相关关系探究

4．2．1 生物膜采样与生物量计数

4．2．2 光谱信号与时间的关系

4．2．3 生物量指标与时间的关系

4．3 生物膜光谱信号与水质理化指标关系分析

4．3．1 水质理化指标测定

4．3．2 生物膜光谱信号与管网水温度和pH的关系

4．2．3 生物膜光谱信号与管网水溶解氧和浊度的关系

4．3．4 生物膜光谱信号与管网水总有机碳指标关系

4．4 生物指标与光谱信号关系模型构建

4．5 管道生物膜空间分布差异

4．6 生物膜、管网水微生物数量动态变化关系

4．6．1 可培养细菌数与细菌总数的关系

4．6．2 水体悬浮生物量与膜内生物量关系

4．7 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

作者简历