一种外筒内壁挂片式供水管道生物膜生长模拟装置

技术领域

本发明涉及一种模拟生物膜生长的试验装置，属于环境技术和水处理技术领域，具体涉及一种外筒内壁挂片式供水管道生物膜生长模拟装置。

背景技术

绝大部分的家用水都是由自来水厂经供水管网输送，所以当供水管网受到污染时，用户的终端用水就没有保障。目前的现实情况是，水源经过了自来水厂的净化，已经达到了饮用水的标准。但出厂水经过庞大的地下供水管网输送过程中，仍会产生微生物再生长及相关的水质二次污染的问题。管道内壁表面的无机和有机沉积物，为微生物的再生长提供了相对良好的环境。管网中微生物的生长形式以附着生长在管壁上形成生物膜占优势。生物膜即是生长在管壁表面的一层纤维状的缠结结构，其胞外多聚物对使得整个生物膜处于一个相对稳定的环境中，减缓了外界条件的干扰。供水管网中生物膜的生长将引发饮用水二次污染的问题，降低了饮用水的生物安全性，如导致致病菌的生长、色度浊度的提高等问题。故此，针对管网中生物膜的研究是保障饮用水安全的一道重要的关口。

故当前对于供水管网中的生物膜研究是一个亟待解决的问题，目前用于研究不同工况下模拟生物膜的条件，国际通用的主要装置是生物膜挂片环形反应装置（简称BAR反应器）。利用生物膜挂片环形反应装置来模拟饮用水输送系统，该反应器由固定的外筒和旋转的转子组成，由配套的电机驱动转子转动，转子上有若干挂片。根据流体力学原理，挂片挂在该装置转子的外壁上，通过无刷变频直流电机带动转子从而产生的涡旋流来模拟管道的水流环境，该装置产生的涡旋流对生物膜挂片作用类似于切向流，而产生的水流是接近垂直流经生物膜挂片，所述平行流是指水途径平行生物膜挂片的方向流动，并且外筒的半径远大于内筒的半径，如果在外筒上放置挂片可极大地提高放置挂片的数量。故此，针对管网中生物膜的研究是保障饮用水安全的一道重要的关口，模拟更加真实的管道流态环境、提高挂片的数目可以提高实验的准确性。

近年来，针对生物膜挂片环形反应装置也出现了一些装置来模拟BAR反应器，但仍然存在着一些可进步的空间，例如中国专利公开号为CN202148304U，名为一种供水管道微生物生长模拟反应器的专利中，该装置提出挂片放置在载板上，解决了反应器外圈内无死角的问题，且因为挂片在外壁可以提高放置挂片的数量，但是水中的搅拌器只能提供水一种垂直于管壁的切力，产生的流态为切向流，更加真实的管道环境趋向于平行流，故该装置不能模拟真实的管道环境，且只通过载板来固定挂片也有一定的安全隐患，在高速的水流下，挂片极其不稳定，实验的安全性和稳定性能较低。中国专利公开号为CN212246302U，名为可探究自来水管壁腐蚀、微生物生长电化学反应系统的专利中，该系统提出用电化学的思路来研究微生物的生长情况，同时也是把挂片放置在内筒的外壁上，可增加挂片的数量，但是没有考虑到挂片容易受到水流冲击的影响，没有对挂片增强固定，安全性能较低，同时利用该种系统的搅拌扇叶只能产生螺旋的切力，不能够准确模拟管道内部水流的流态。

本发明技术方案的目的是克服当前生物膜挂片环形反应装置安全性低、模拟管道环境不够真实等不足而设计的一种结构简单、安全性强、一次实验能放置更多挂片且能够模拟更加真实的管道环境的外筒内壁挂片式供水管道生物膜生长模拟装置，是基于国家自然科学基金青年基金（No.51608198）和江西省自然科学基金（No. 20161BAB216138）项目的延伸研究成果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种外筒内壁挂片式供水管道生物膜生长模拟装置，已解决上述技术背景中提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种外筒内壁挂片式供水管道生物膜生长模拟装置，包括外筒，所述外筒的两端分别设有顶板和底板，所述顶板和底板的两端通过通杆螺丝杆连接，所述通杆螺丝杆上活动连接有螺母，所述螺母设有多个，所述顶板的远离外筒的一侧通过支架连接有支撑板，所述支撑板上设有无刷变频直流电机，所述外筒的两端分别设有上圆顶和下圆底，所述上圆顶与顶板固定连接，且尺寸小于顶板，所述下圆底与底板固定连接，所述外筒的内壁设有底托，所述底托的一端设置在外筒靠近所述底板的一端，另一端靠近所述外筒的中段位置设有外筒插槽，所述外筒插槽设有多个，所述外筒插槽呈梯形设置，所述外筒插槽靠近所述外筒的一端大于外筒插槽的另一端，所述外筒插槽内可插挂片，所述挂片设有多个，所述挂片包括厚挂片、薄挂片和固定片，所述厚挂片设置在固定片上，所述固定片的端口与外筒插槽配合使用，所述薄挂片和固定片的一侧设有小圆孔，所述小圆孔呈内凹形状，所述挂钩与小圆孔配合使用，所述挂钩上的钩体呈月牙型，且钩体的表面伴随有纹理，所述外筒内还设有内筒，所述内筒位于所述外筒的内部中心位置，所述内筒内设有搅拌杆，所述搅拌杆的一端贯穿顶板和支撑板的一侧与无刷变频直流电机的输出端连接，所述搅拌杆上设有搅拌扇叶，所述搅拌扇叶处在内筒的中段部位，所述内筒的两端设有曲板，且两侧所述曲板分别与上圆顶和下圆底的一侧固定连接，所述顶板上还设有进水口和投药口，所述进水口上有第一阀门，所述投药口上有第三阀门，所述底板上设有出水口，所述出水口上有第二阀门。

作为本发明进一步方案：所述外筒的外侧每隔120°设有固定柱。

作为本发明进一步方案：所述内筒为上下镂空的空心圆柱体，且设置在所述内筒两端的曲板至少设有4块。

作为本发明进一步方案：所述外筒、内筒、上圆顶和下圆底的材料均为亚克力材料。

作为本发明进一步方案：所述外筒的内壁和内筒的外壁设有通路。

作为本发明进一步方案：所述小圆孔的直径小于厚挂片的厚度。

作为本发明进一步方案：所述底板的一侧还设有硅胶垫，所述硅胶垫位于外筒的下端，且尺寸大于所述外筒。

作为本发明进一步方案：所述搅拌杆贯穿顶板的位置处设有轴承。

作为本发明进一步方案：所述无刷变频直流电机通过螺栓固定在所述支撑板上。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.本发明中通过外筒插槽的多个设置，能够确保挂片在装置中的数量，通过外筒插槽设置在外筒的中段位置，能够保证挂片的位置集中于外筒内壁的中部，该处的水流最稳定且会和外筒内壁接触面最大，可以模拟更加真实的供水管道中的环境。

2.本发明中通过无刷变频直流电机在整体装置使得整体的水流趋近于平行内筒和外筒方向的平行水流，与一般的环形生物膜挂片反应器产生的垂直流不一样，平行水流更接近于真实供水管道中的水流态的环境，因此通过外壁挂片可以达到模拟更加真实供水管道环境的效果。

3.本发明中由于外筒插槽位于外筒内壁，相比与内筒外壁的位置，外筒插槽能够设置更多的插片位置，可使得单次实验可挂生物膜的挂片更多，增加实验的准确性。

4.本发明中通过底托的设置，能够根据底托的高度设置由测得外筒内壁的各个位置的流速而确定，避免了外筒下部的死水区，能够使得挂片接触的水流尽量和真实的管网系统中的类似，且使挂片所受的流速接近，避免某一位置流速过低的情况出现。

5.本发明中通过通杆螺丝杆、螺母的多个设置，实现装置可拆卸，同时方便将装置打开，为后面的挂片取出提供便捷。

6.本发明中通过外筒插槽的梯形设置，能够实现挂片在装置内部运行时的稳定，挂片的不同种类的设置，可模拟多种管材下的供水管道生物膜生长情况，且因为各种管材不同，也可分别按照不同规格来契合外筒插槽，可在实验时使用所需的管材进行研究，大大节约了由于不同管材而更换装置的成本。

7.本发明中通过小圆孔和挂钩的设置，在对挂片取出的时候，能够实现挂钩在对挂片取出来时，其稳定性好，避免挂片从挂钩上掉落，进而确保了实验的正常进行，钩体的表面设有纹理，能够增加挂钩和挂片之间的摩擦，防止因表面光滑而出现挂片受损的情况。

8.本发明中上圆顶中心部分有轴承，可使无刷变频直流电机带动搅拌扇叶通过轴承到达仪器中部，故可达到当无刷变频直流电机工作时，不会影响到上圆顶，且能够使上圆顶气密性完好。

9.本发明中无刷变频直流电机可以通过控制转速的大小从而控制该装置中流速的大小，可以供研究不同流速下管道生物膜的生长情况。

10.本发明设有投药口，能够在实验时和实验后维持整体装置内的一个较为稳定的环境，使得在该装置模拟环境下生长的微生物尽量不受到外界环境的干扰从而导致实验结果的误差较大。

11.本发明中的进水口位于上圆顶的上方，出水口位于下圆底的下方，这样的设计能够在实验开始时自然地让水源流入装置中，且在实验结束后能够合理地让水从装置中流干净，不用靠外界加压，节约了能源成本。

12.本发明中下圆底和底板之间有硅胶垫，可增加装置的稳定性和气密性，避免了下圆底和底板在装置运行时可能会发生的碰撞而产生对实验的影响。

13.本发明中通过固定柱的设置，能够保证外筒内水处在流动时，确保外筒的稳定性，加固了装置本体。

14.本发明中小圆孔的设置，实现挂钩在钩挂片的时候，能够确保挂钩不会勾住挂片上的生物膜，这样能够保障实验的可靠性、准确性。

15.本发明中无刷变频直流电机通过螺栓固定在支撑板上，增加了无刷变频直流电机运行时的稳定。

附图说明

图1为本发明中的一种外筒内壁挂片式供水管道生物膜生长模拟装置的示意图；

图2位本发明中的无刷变频直流电机俯视的示意图；

图3为本发明中外筒正视的示意图；

图4为本发明中内筒正视的示意图；

图5为本发明中整体装置俯视的示意图；

图6为本发明中底座俯视的示意图；

图7为本发明中外筒俯视的示意图；

图8为本发明中厚挂片正视的示意图；

图9为本发明中厚挂片侧视的示意图；

图10为本发明中厚挂片后视的示意图；

图11为本发明中厚挂片俯视的示意图；

图12为本发明中薄挂片正视的示意图；

图13为本发明中薄挂片侧视的示意图；

图14为本发明中固定片正视的示意图；

图15为本发明中固定片侧视的示意图；

图16为本发明中挂钩正视的示意图；

图中：1、螺母；2、通杆螺丝杆；3、无刷变频直流电机；4、支撑板；5、顶板；6、轴承；7、上圆顶；8、下圆底；9、内筒；10、外筒；11、底托；12、底板；13、进水口；14、投药口；15、出水口；16、支架；17、固定柱；18、搅拌扇叶；19、硅胶垫；20、厚挂片；21、薄挂片；22、固定片；23、挂钩；24、外筒插槽；25、曲板；26、第一阀门；27、第二阀门；28、第三阀门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供以下技术方案：一种外筒内壁挂片式供水管道生物膜生长模拟装置，包括外筒10和挂钩23，外筒10的两端分别设有顶板5和底板12，顶板5和底板12的两端通过通杆螺丝杆2连接，通杆螺丝杆2上活动连接有螺母1，螺母1设有多个，螺母1的多个设置，实现装置可拆卸，同时方便将装置打开，为后面的挂片取出提供便捷，顶板5的远离外筒10的一侧通过支架16连接有支撑板4，支撑板4上设有无刷变频直流电机3，外筒10的两端分别设有上圆顶7和下圆底8，上圆顶7与顶板5固定连接，且尺寸小于顶板5，下圆底8与底板12固定连接，外筒10的内壁设有底托11，底托11的一端设置在外筒10靠近底板12的一端，另一端靠近外筒10的中段位置设有外筒插槽24，外筒插槽24设有多个，外筒插槽24呈梯形设置，外筒插槽24靠近外筒10的一端大于外筒插槽24的另一端，外筒插槽24内可插挂片，底托11的设置，能够根据底托11的高度设置由测得外筒10内壁的各个位置的流速而确定，避免了外筒10下部的死水区，能够使得挂片接触的水流尽量和真实的管网系统中的类似，且使挂片所受的流速接近，避免某一位置流速过低的情况出现，且外筒插槽24的多个设置，能够确保挂片在装置中的数量，通过外筒插槽24设置在外筒10的中段位置，能够保证挂片的位置集中于外筒10内壁的中部，该处的水流最稳定且会和外筒10内壁接触面最大，可以模拟更加真实的供水管道中的环境，外筒插槽24的梯形设置，能够实现挂片在装置内部运行时的稳定，挂片设有多个，挂片包括厚挂片20（如铸铁片）、薄挂片21（如不锈钢片）和固定片22，通过挂片的不同种类的设置，可模拟多种管材下的供水管道生物膜生长情况，厚挂片20设置在固定片22上，固定片22的端口与外筒插槽24配合使用，薄挂片21（如不锈钢片）和固定片22的一侧设有小圆孔，小圆孔呈内凹形状，挂钩23与小圆孔配合使用，挂钩23上的钩体呈月牙型，且钩体的表面伴随有纹理，通过小圆孔和挂钩23的设置，在对挂片取出的时候，通过挂钩23勾住小圆孔，从而带动挂片向外移动，小圆孔的内凹型设置和挂钩23上的钩体呈月牙型，能够实现挂钩23在对挂片取出来时，其稳定性好，避免挂片从挂钩23上掉落，进而确保了实验的正常进行，钩体的表面设有纹理，能够增加挂钩23和挂片之间的摩擦，防止因表面光滑而出现挂片受损的情况，且外筒10内还设有内筒9，内筒9位于外筒10的内部中心位置，内筒9内设有搅拌杆，搅拌杆的一端贯穿顶板5和支撑板4的一侧与无刷变频直流电机3的输出端连接，搅拌杆上设有搅拌扇叶18，搅拌扇叶18处在内筒9的中段部位，内筒9的两端设有曲板25，且两侧曲板25分别与上圆顶7和下圆底8的一侧固定连接，顶板5上还设有进水口13和投药口14，进水口13上有第一阀门26，投药口上有第三阀门28，底板12上设有出水口15，进水口上有第二阀门27，投药口14，能够在实验时和实验后维持整体装置内的一个较为稳定的环境，使得在该装置模拟环境下生长的微生物尽量不受到外界环境的干扰从而导致实验结果的误差较大，进水口13位于上圆顶7的上方，出水口15位于下圆底8的下方，这样的设计能够在实验开始时自然地让水源流入装置中，且在实验结束后能够合理地让水从装置中流干净，不用靠外界加压，节约了能源成本。

外筒10的外侧每隔120°设有固定柱17，通过固定柱17的设置，能够保证外筒10内水处在流动时，确保外筒10的稳定性，加固了装置本体。

内筒9为上下镂空的空心圆柱体，且设置在内筒9两端的曲板25至少设有4块，通过曲板25的多个设置，进一步加固了内筒9。

外筒10、内筒9、上圆顶7和下圆底8的材料均为亚克力材料，亚克力材料，以便装置模具便于打造，且可在装置运行过程中观察装置内的运行情况，以便突发情况出现时能够即使观察到做出紧急的应对措施。

外筒10的内壁和内筒9的外壁设有通路，通路的设置，实现搅拌扇叶18带动水能够在内筒9外壁和外筒10内壁之间的通路中产生向上平行于管壁的平行流，在装置内的上下镂空的空心圆柱体内部产生向下的平行于管壁的平行流，在反应器内部实现平行流的内部循环，更加还原真实地模拟供水管道的流态。

小圆孔的设置，实现挂钩23在钩挂片的时候，能够确保挂钩23不会勾住挂片上的生物膜，这样能够保障实验的可靠性、准确性。

底板12的一侧还设有硅胶垫19，硅胶垫19位于外筒10的下端，且尺寸大于外筒10，通过硅胶垫19的设置，可增加装置的稳定性和气密性，避免了下圆底8和底板12在装置运行时可能会发生的碰撞而产生对实验的影响。。

搅拌杆贯穿顶板5的位置处设有轴承6，通过轴承6可使无刷变频直流电机3带动搅拌扇叶18通过轴承6到达仪器中部，故可达到当无刷变频直流电机3工作时，不会影响到上圆顶7，且能够使上圆顶7气密性完好。

无刷变频直流电机3通过螺栓固定在支撑板4上，增加了无刷变频直流电机3运行时的稳定。

本发明的一种外筒内壁挂片式供水管道生物膜生长模拟装置的使用方法及工作原理如下：

在本发明的一种外筒内壁挂片式供水管道生物膜生长模拟装置中，图示中的箭头方向为装置内部的水流方向，在选取所需材质的挂片上挂上生物膜，取下螺母1，将上圆顶7托起放置在一边，将挂片插入外筒插槽24，将上圆顶7盖上，拧紧螺母1，关闭第二阀门27，打开第一阀门26，往本装置内注满水，关闭第一阀门26，接通电源，打开本装置的无刷变频直流电机3，设置一定的转速，来调整水的流速，水流在本装置内部在外筒10内壁和内筒9外壁之间产生平行流模拟真实管道中的流态，通过本装置的多个外筒插槽24，可定期在无刷变频直流电机3、打开上圆顶7后用挂钩23从本装置中取出挂片，本装置中的水不用排除，以便模拟管道中时刻充满水的液体环境，取完实验所需的挂片后，将上圆顶7盖到原来位置，继续打开无刷变频直流电机3，继续模拟管网系统中水的流态，重复操作直至挂片全部取出，之后关闭无刷变频直流电机3，打开第一阀门26，再打开第二阀门27，将本装置内的水都排净，再对本装置和培养了生物膜的挂片进行清洗与消毒，等其干燥后可再次使用，该装置既可单独来使用，也可配合在一定的循环水体中使用，可以运行多种水流状态下模拟微生物的生长。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。