一种研究管网水力特性对生物膜生长影响的实验装置与方法

摘要

本发明公开了一种研究管网水力特性对生物膜生长影响的实验装置与方法，所述装置包括一个固定容器，固定容器内部上方设置有振动格栅，其外部与一个振动电机相连，振动格栅下方设置有一个转盘。所述转盘上设置有若干管材割片夹持机构，固定容器下端设置有和转盘相连的调速电机，所述固定容器两侧之间连接有水管形成水力循环系统。所述方法通过上述装置模拟水力条件研究不同水力条件对夹持机构上管材割片的生物膜生成的影响。本发明能够模拟管网水力特性以方便对管网生物膜生长研究，同时具有装置结构简单，实施方便，操作快捷，控制可靠，研究效率高，试验结构可靠等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及管网微生物膜研究领域，具体涉及一种研究管网水力特性对 生物膜生长影响的实验装置与方法。

背景技术

供水管网系统作为市政基础设施中一个关键的组成部分，不仅为人们提 供日常所需的饮用水、商业用水以及工业用水，同时作为消防用水的基本保 障。饮用水的水质与人们生活、身体健康密切相关。随着生活水平的提高， 人们对饮用水水质的要求也越来越高，水质标准的要也日趋严格。目前已经 逐渐形成了从水源地到水厂再到管网的水质安全保障体系。大量监测表明， 饮用水从出厂水到用户端出水水质呈现降低趋势。在某些情况下，管道中的 重金属、致病微生物及其所产生的毒害物质进入水中会直接威胁人的健康和 生命安全。国内外都曾多次发生过因管网水质变化而导致的影响人们正常生 活的供水事件。另外，在管网系统内与水长期接触的表面上普遍存在着微生 物生长繁殖所形成的生物膜，它是微生物及其胞外聚合物(EPS)与水中有机 物、无机物相互粘合形成的聚合体系。管壁生物膜会对管网水质产生不利影 响，如色度和浊度升高、致病菌生长、管道腐蚀加剧、过水断面缩小、输水 能力降低和能耗增加等。

供水管网中管壁生物膜的存在是造成管网水质问题的一个潜在的重要原 因。不同水源条件下生物膜的构成有很大差别，另外，管网中营养物质、温 度、水力条件、消毒剂种类及其投加量、管材等都会对生物膜的形成有不同 程度的影响。在以往的研究中，大多集中在营养物质、温度、消毒剂种类及 其投加量等方面，而对于影响生物膜形成的水动力因素研究较少。并且仅有 的研究也只是对流速或流态进行分析，且尚未形成统一结论。这主要是由于 水动力因素复杂多变，涉及的因子较多且物理化学过程难以分析。水动力因 素单一、笼统的研究方法影响了对管道生物膜形成及其影响因素的研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，怎样提供一种结 构简单，控制方便，能够模拟管网水力特性以方便对管网生物膜生长研究， 提高研究效率的研究管网水力特性对生物膜生长影响的实验装置与方法。其 能够进行水体表层紊流脉动强度模拟，并结合有变速电动机所产生的流速变 化，引起剪切力的变化、管材、管网附着面的受力变化等因素，详细深入的 研究了类管网微生物量化关系。

为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：

一种研究管网水力特性对生物膜生长影响的实验装置，其特征在于，包 括一个固定容器，固定容器上端设置有容器盖，固定容器内部上方位置水平 设置有振动格栅，振动格栅通过传动机构和位于固定容器外部的一个振动电 机相连并能够靠振动电机带动上下振动；固定容器内部位于振动格栅下方正 对格栅水平设置有一个转盘，所述转盘上设置有若干管材割片夹持机构，所 述固定容器下端设置有一个调速电机，所述调速电机输出轴竖直向上穿过固 定容器连接在转盘轴心处，调速电机输出轴和固定容器之间设置有密封圈形 成可转动密封；所述固定容器一侧上部设置有进水口，另一侧下部设置有出 水口，所述进水口和出水口之间连接有水管形成水力循环系统，所述水力循 环系统内设置有一个水泵以及一个位于固定容器上方的储水容器。

在供水管网系统中，管道中水的流态多为紊流，因此紊流脉动对生物膜 的影响较为突出。目前，国内外学者对紊流脉动对生物膜的影响的研究极少， 而利用相对成熟的振动格栅紊流装置应用于紊流脉动强度对生物膜的影响尚 未见诸报道。格栅紊流是一种研究紊流水体的有效手段，较多的应用于水体 分层研究、泥沙运动规律研究以及污染物吸附与析出等其他领域。1939年 Rouse首次使用振动格栅紊流研究泥沙悬浮，随后Hopfinger和Toly使用热膜 探头测量紊流脉动均方根速度，提出了均方根速度表达式：

$u^{\prime }=v^{\prime }=\sqrt{\overline{u^2}}=c_1{M}^0·s^1·5f{z}^{-n}$  $w^{\prime }=\sqrt{\overline{w^2}}=c_2{M}^0·{5s}^1·5f{z}^{-n}$

由振动式格栅生成的紊流可简称为振动格栅紊流（Vibrating Grid  Turbulence），格栅条正交组成的圆形格栅由电机驱动，在反应器中做垂直运 动。随着格栅往复运动，在格栅开口处形成射流，格栅条上下方形成尾流， 射流与尾流相互作用，在距格栅一定范围内生成近似各向同性的紊流。以往 研究发现，格栅孔隙率（定义为格栅开口面积与格栅总面积之比）大于60%， 尾流和射流结构稳定，能够形成稳定的紊流脉动场，再结合模拟剪切力的管 材割片固定转盘系统改变流速，引起剪切力的变化，为研究类管网微生物量 化关系提供了条件。

本方案中，采用了简单的结构，可以通过控制调速电机控制转盘旋转模 拟流速变化，通过振动电机带动格栅振动形成紊流，并通过控制振动电机模 拟紊流变化情况。这样，就可以进行管网内部流速和紊流变化情况对管壁挂 膜量的研究。同时，具有操作简单，利于控制，系统稳定性好，方便对比等 优点。

作为优化，所述振动格栅为圆盘形且和转盘直径一致，所述管材割片夹 持机构沿和转盘同轴的环形均匀分布在转盘上方。

这样，可以更好地保证转盘上每个管材割片夹持机构所夹持的管材割片 所受到的水力情况一致，确保研究的对比性。

作为优化，所述管材割片夹持机构包括一个竖直向上的固定栓，固定栓 上端具有向上的夹持缺口和横向贯穿夹持缺口连接在固定栓上端的固定螺 钉。这样具有结构简单，对管材割片固定方便可靠的优点。

作为优化，所述储水容器上端设置有进水管，下端设置有带开关的出水 管。这样，方便通过储水容器进水形成水力循环系统看，储水容器的存在可 以确保水力循环系统的运行。

本发明还公开了一种研究管网水力特性对生物膜生长影响的实验，其特 征在于，包括以下步骤：

a、获取如上述结构的实验装置；再获取需要研究的各种管材的管材割片， 在管材割片一端钻出螺孔；

b、打开固定容器的容器盖，将各管材割片各自靠固定螺钉穿过螺孔安装 固定到不同的夹持机构上；

c、通过储水容器的进水口接入待研究的管网自来水，并启动水泵形成水 力循环使得整个水力循环系统充满自来水；

d、启动调节电机，带动转盘旋转，启动振动电机带动振动格栅上下振动， 通过控制调节电机控制转盘转速，引起管材割片和水流剪切力的变化来模拟 流速；通过控制振动电机调节振动格栅振动频率来模拟紊流的变化情况，试 验结束后取出管材割片，获得管材割片上的微生物挂膜量，得出管网流速以 及紊流变化情况对管网内壁生物膜的影响。

本发明中，实验装置由带叶片的转盘单元、振动格栅单元和管路形成的 水循环系统组成；在带叶片的转盘单元中，通过调节变速电动机，单元内流 速发生变化，引起剪切力的改变，从而影响微生物附着在叶片上的挂膜量， 由此研究流速对固壁形成生物膜的影响；在振动格栅系单元中，垂直振动格 栅单元剔除紊流平均速度和剪应力的影响，将紊流脉动作为单一水力因子， 来研究紊流脉动对固壁形成生物膜的影响。本装置分别模拟两个水力因素对 微生物附着在固壁上的量化关系的影响研究。不同流速对应的生物附着量不 同，微生物量的变化可与外界环境因素变化（如PH值、温度等）构成不同的 数值组合，并且进行数值分析和统计分析，来研究管网环境条件与类管网微 生物量化关系以及管材、管网附着面的受力变化与类管网微生物量化关系。

本发明方法中，可以在管材割片固定转盘的夹持机构上安装不同材料的 管材割片（PVC管、PE管、铸铁管、不锈钢管和钢塑管），分别在不同水力 条件下，研究不同材质管材割片上的微生物挂膜量，得到材质对于微生物量 变化的影响。或者采用不同管龄的管材割片（新管、1年、3年、5年、7年 和10年），研究各种管龄的微生物附着量变化。

本发明方法中，可以在管路系统中，采用带有不同曲面弧度的管材割片 进行夹持试验，研究各种管路弯度变化下（60°-120°取20°一个区间变化进行 试验），由于受力面和受力的变化，对于微生物附着的促进或抑制作用，计算 流体力学参数，探讨各个参数与微生物量上的关系。

本发明方法中，还可以进行余氯的衰减试验，即在水力循环系统中加入 液氯，探索各因素条件下，余氯衰减与微生物量的时间步长变化关系，为余 氯与微生物量提供动态的仿真模拟研究。

本发明的有益效果是：

本发明在管网水质的二次污染和管道腐蚀方面提供了新的研究突破方 向，提供了一种研究管网的水力特性对生物膜生长影响的实验装置与方法， 同时，并结合有变速电动机所产生的流速变化，引起剪切力的变化，管网附 着面的受力变化、管材等因素，就形成了水动力因素及环境因素对管网微生 物量化关系的综合评价。本发明将垂直振动格栅紊流装置应用于管网和微生 物相结合的领域，改变了研究管网水质的二次污染和管道腐蚀方面的传统思 路，对于提出有效的管网水质的二次污染和管道腐蚀防治措施具有理论指导 意义。且本发明结构简单、制作方便且便于管理。

综上所述，本发明能够模拟管网水力特性以方便对管网生物膜生长研究， 同时具有装置结构简单，实施方便，操作快捷，控制可靠，研究效率高，试 验结构可靠等优点。

附图说明

图1为本发明的实验装置的结构示意简图。

图2为图1中夹持机构的结构示意图。

图3是图1中单独振动格栅的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时，如图1-图3所示，一种研究管网水力特性对生物膜生长影 响的实验装置，包括一个固定容器1，固定容器1上端设置有容器盖2，固定 容器1内部上方位置水平设置有振动格栅3，振动格栅3通过传动机构4和位 于固定容器外部的一个振动电机5相连并能够靠振动电机5带动上下振动； 固定容器1内部位于振动格栅下方正对格栅水平设置有一个转盘6，所述转盘 6上设置有若干管材割片夹持机构，所述固定容器下端设置有一个调速电机7， 所述调速电机7输出轴竖直向上穿过固定容器连接在转盘轴6心处，调速电 机输出轴和固定容器1之间设置有密封圈形成可转动密封；所述固定容器1 一侧上部设置有进水口，另一侧下部设置有出水口，所述进水口和出水口之 间连接有水管8形成水力循环系统，所述水力循环系统内设置有一个水泵9 以及一个位于固定容器上方的储水容器10。

具体实施时，所述振动格栅3为圆盘形且和转盘6直径一致，所述管材 割片夹持机构沿和转盘6同轴的环形均匀分布在转盘6上方。所述管材割片 夹持机构如图2所示，包括一个竖直向上的固定栓11，固定栓11上端具有向 上的夹持缺口12和横向贯穿夹持缺口12连接在固定栓上端的固定螺钉13。 所述储水容器10上端设置有进水管14，下端设置有带开关的出水管15。

具体实施时一种研究管网水力特性对生物膜生长影响的实验，包括以下 步骤：

a、获取如上述结构的实验装置；再获取需要研究的各种管材的管材割片， 在管材割片一端钻出螺孔；

b、打开固定容器的容器盖，将各管材割片各自靠固定螺钉穿过螺孔安装 固定到不同的夹持机构上；

c、通过储水容器的进水口接入待研究的管网自来水，并启动水泵形成水 力循环使得整个水力循环系统充满自来水；

d、启动调节电机，带动转盘旋转，启动振动电机带动振动格栅上下振动， 通过控制调节电机控制转盘转速，引起管材割片和水流剪切力的变化来模拟 流速；通过控制振动电机调节振动格栅振动频率来模拟紊流的变化情况，试 验结束后取出管材割片，获得管材割片上的微生物挂膜量，得出管网流速以 及紊流变化情况对管网内壁生物膜的影响。

本方法具体实施时，所述管材割片可以采用不同材料的管材割片，如PVC 管、PE管、铸铁管、不锈钢管和钢塑管，分别在不同水力条件下，研究不同 材质管材割片上的微生物挂膜量，得到材质对于微生物量变化的影响；或者 所述管材割片采用不同管龄的管材割片，如新管、1年、3年、5年、7年， 研究各种管龄的微生物附着量变化。

本方法具体实施时，所述管材割片可以采用带有不同曲面弧度的管材割 片，研究各种管路弯度变化下（60°-120°取20°一个区间变化进行试验），由 于受力面和受力的变化，对于微生物附着的促进或抑制作用，计算流体力学 参数，探讨各个参数与微生物量上的关系。

本方法具体实施时，可以在水力循环系统中加入液氯，探索各因素条件 下（各因素包括流速状况，紊流状况以及管材状况等），余氯衰减与微生物量 的时间步长变化关系，为余氯与微生物量提供动态的仿真模拟研究。

本方法实施时，以待研究的市政自来水龙头出水作为试验用管网水，管 片固定转盘在电机的驱动下旋转，随着管片固定转盘的旋转，管片与水体的 交界面间产生剪切力，可模拟管网中的水力条件，剪切力大小可通过调节电 机转速控制。垂直振动格栅在电机的驱动下上下振动，形成紊流脉动，紊流 脉动的强度可通过调节电机转速控制。试验所用固定容器为有机玻璃材料， 反应器基本参数可以为高43cm，直径22cm，管片共6片，垂直振动格栅最 高距离低于水面8-10cm。管片固定转盘电机设计转速分别为0r/min，60r/min， 65r/min，70r/min，75r/min。每天观察、检测并记录生物膜及生物量的变化， 得到流速与微生物量的关系。

实施时，生物量的检测可以采用平板计数法，于22～25℃下在R2A琼脂 培养基上培养5d后计数。生物膜检测时，取各类型管片片各一根，使用磷酸 盐缓冲液(pH=7)淋洗，2.5%(相对质量分数)戊二醛固定4h。后截下约1cm 小段，使用上述磷酸盐缓冲液淋洗2次后，乙醇梯度洗涤(50%，60%，70%， 80%，90%，95%，100%乙醇)脱水。再次以100%乙醇洗涤并干燥，喷金。后 使用扫描电子显微镜(SEM)(Hitachi，X650)观察生物膜外部结构。