專利名稱：一種多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置及模擬測試評估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種堵塞模擬測試裝置及模擬測試評估方法，特別是關(guān)于一種多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置及模擬測試評估方法。
背景技術(shù)：
多孔介質(zhì)是由固體物質(zhì)組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構(gòu)成的物質(zhì)。當(dāng)富含懸浮物、溶解鹽、化學(xué)沉淀、有機(jī)物、微生物等物質(zhì)的水流通過多孔介質(zhì)時(shí)，極易導(dǎo)致多孔介質(zhì)滲透系數(shù)降低，孔隙度減小，從而造成多孔介質(zhì)系統(tǒng)的堵塞。多孔介質(zhì)堵塞根據(jù)成因可分為物理、化學(xué)和生物堵塞。物理堵塞是指水中含有的有機(jī)(生物殘?bào)w)或無機(jī)(砂、淤泥和粘粒)顆粒物引起的堵塞，主要與顆粒物粒徑有關(guān)；化學(xué)堵塞主要是由水中的碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽、氫氧化物、鐵離子、錳離子、鈣離子、硫化物等物質(zhì)的沉淀附著在滲濾介質(zhì)上而引起的堵塞；生物堵塞是指水體中微生物在多孔介質(zhì)中附著、生 長、脫落而引起的堵塞。引起堵塞的主要物質(zhì)是固體顆粒，但有研究表明這并不是最先引起堵塞的原因，而是源自微生物在不規(guī)則形狀的多孔介質(zhì)表面附著、聚集，水流中固體懸浮顆粒物的不斷沉積粘附作用下形成生物膜，而導(dǎo)致的多孔介質(zhì)堵塞，也就是說多孔介質(zhì)生物堵塞與微生物在多孔介質(zhì)表面的附著、成膜、生長有著密切的關(guān)系。多孔介質(zhì)中生物堵塞和生物膜的形成受顆粒物大小、溶液離子強(qiáng)度、介質(zhì)表面特性和粒徑級配以及水動(dòng)力條件等多種因素影響，這已經(jīng)成為水利、環(huán)境交叉學(xué)科領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。如何構(gòu)建適宜精細(xì)測試多孔介質(zhì)生物堵塞過程的裝置，構(gòu)建堵塞狀態(tài)及其對水分、污染物運(yùn)移效應(yīng)的評價(jià)方法已成為目前急需解決的問題。目前國內(nèi)已有多孔介質(zhì)中水流運(yùn)動(dòng)及微生物運(yùn)移的觀測裝置和方法的研究報(bào)道公開號為CN101504351A的發(fā)明專利申請“砂層滲流淤堵模擬裝置”，通過在試驗(yàn)箱體上裝置測壓采樣閥門，正反向驅(qū)動(dòng)水泵向?qū)嶒?yàn)箱體供水，實(shí)現(xiàn)觀測地下水源熱泵系統(tǒng)的顆粒物和氣泡滲流淤堵問題；公開號為CN100389317的發(fā)明專利“生物淤積監(jiān)測器及監(jiān)測或檢測生物淤積的方法”，利用填充材料兩端水壓力的變化判斷填充材料發(fā)生生物淤積的程度。然而，這類裝置的智能化程度較低、水源中物質(zhì)均勻度保障程度較低，缺乏對于堵塞狀態(tài)及其對水分、污染物運(yùn)移影響效應(yīng)的評價(jià)方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種智能化程度高，用于研究河床包氣帶介質(zhì)、地下水回灌介質(zhì)中微生物在多孔介質(zhì)中生長，產(chǎn)生多孔介質(zhì)生物堵塞，進(jìn)而對水分入滲和污染物運(yùn)移產(chǎn)生影響的多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置及模擬測試評估方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置，其特征在于它包括生物堵塞模擬裝置、循環(huán)供水裝置、攪拌裝置和壓力采集裝置；所述生物堵塞模擬裝置包括若干生物堵塞模擬單體，所述生物堵塞模擬單體包括第一柱體和第二柱體；所述第一柱體中空、頂部開口，底部密封，所述第二柱體中空、頂部和底部均開口，所述第二柱體的底部與所述第一柱體的頂部通過法蘭盤連接；所述第一柱體的下部側(cè)壁上設(shè)置有進(jìn)水口，所述進(jìn)水口上方設(shè)置有連接進(jìn)水壓力傳感器的安裝口 ；所述第一柱體內(nèi)、所述安裝口的上方設(shè)置有第一透水板，所述第一透水板上間隔設(shè)置有若干透水孔；所述第一柱體和第二柱體的連接處設(shè)置有第二透水板，所述第二透水板上間隔設(shè)置有若干透水孔，所述第二柱體的下部側(cè)壁上設(shè)置有連接出水壓力傳感器的安裝口，該所述安裝口的上方設(shè)置有出水口 ；所述第一透水板和第二透水板之間用于填充多孔介質(zhì)；所述循環(huán)供水裝置包括儲(chǔ)水罐，所述儲(chǔ)水罐內(nèi)通過管路連接位于所述儲(chǔ)水罐外部的蠕動(dòng)泵的輸入端，所述蠕動(dòng)泵的輸出端通過管路連接各所述第一柱體上的進(jìn)水口 ；各所述第二柱體頂部的出水口通過管路連接回所述儲(chǔ)水罐內(nèi)；所述攪拌裝置包括設(shè)置在所述儲(chǔ)水罐頂部的電動(dòng)機(jī)，所述電動(dòng)機(jī)的輸出端連接一攪拌軸，所述攪拌軸插入所述儲(chǔ)水罐內(nèi)，所述攪拌軸上設(shè)置有攪拌葉片；所述壓力采集裝置包括壓力采集控制器，所述壓力采集控制器的輸入端電連接各所述第一柱體上的進(jìn)水壓力傳感器和各所述第二柱體上的出水壓力傳感器；所述壓力采集控制器的輸出端電連接計(jì)算機(jī)。所述儲(chǔ)水罐內(nèi)插設(shè)有若干條蠕動(dòng)泵水管，各所述蠕動(dòng)泵水管的另一端連接位于所述儲(chǔ)水罐外部的所述蠕動(dòng)泵的輸入端，所述蠕動(dòng)泵的輸出管分別通過一轉(zhuǎn)接頭對應(yīng)連接若干條第一柱體供水管，各所述第一柱體供水管的輸出端分別對應(yīng)連接各所述第一柱體上的進(jìn)水口 ；各所述第二柱體頂部的出水口分別連接一出水支管、各所述出水支管的輸出端連接同一出水干管，所述出水干管的輸出端連接回所述儲(chǔ)水罐內(nèi)。所述第一透水板和第二透水板之間采用濕法裝填多孔介質(zhì)；濕法裝填的具體操作為在所述第一透水板上方的第一柱體內(nèi)先輸入少量蒸餾水，加入少量多孔介質(zhì)的同時(shí)不斷攪拌去除氣泡，但多孔介質(zhì)不要超過水面高度，壓實(shí)后再加水，水面高出固體約Icm后再加多孔介質(zhì)，重復(fù)上一過程直至所述第一柱體內(nèi)裝滿。所述電動(dòng)機(jī)電連接時(shí)間控制器。上述一種多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置的模擬測試方法，其包括以下步驟1)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)將三套模擬測試裝置作為一組試驗(yàn)，每套模擬測試裝置均包括6個(gè)生物堵塞模擬單體；第一套模擬測試裝置中的3個(gè)生物堵塞模擬單體填充的介質(zhì)為850 1000 μ m的石英砂，供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3個(gè)生物堵塞模擬單體內(nèi)填充的是相同粒徑的玻璃珠作為對照，供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、2. OmL/minUO. OmL/min ;第二套模擬測試裝置中的3個(gè)生物堵塞模擬單體填充的介質(zhì)為450 500 μ m的石英砂,供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、2. OmL/min> 10. OmL/min ;另外3個(gè)生物堵塞模擬單體內(nèi)填充的是相同粒徑的玻璃珠作為對照，供水流速分別設(shè)定為0. 4mL/min、
2.OmL/min、10. OmL/min ;第三套模擬測試裝置中的3個(gè)生物堵塞模擬單體填充的介質(zhì)為120 150 μ m的石英砂，供水流速分別設(shè)定為0. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3個(gè)生物堵塞模擬單體內(nèi)填充的是相同粒徑的玻璃珠作為對照，供水流速分別設(shè)定為0. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;上述18組處理,每種處理設(shè)7個(gè)重復(fù),每5天更換一次儲(chǔ)水罐內(nèi)的水樣；2)系統(tǒng)的安裝將生物堵塞模擬裝置、自動(dòng)攪拌裝置、循環(huán)供水裝置、自動(dòng)壓力采集裝置連接完成；生物堵塞模擬裝置中的每個(gè)生物堵塞模擬單體內(nèi)均采用濕法裝填進(jìn)介質(zhì)；3)系統(tǒng)的啟動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)攪拌裝置，自動(dòng)攪拌時(shí)間與頻率設(shè)定為每6小時(shí)攪拌10分鐘，攪拌軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為lOOr/min ;當(dāng)攪拌完成后，啟動(dòng)循環(huán)供水裝置，通過蠕動(dòng)泵給第一柱體進(jìn)行供水；打開計(jì)算機(jī)以及壓力采集控制器開關(guān)，設(shè)定壓力采集的頻率為每2小時(shí)采集一次壓力值，通過計(jì)算機(jī)傳輸線將壓力值傳輸給計(jì)算機(jī)；4)試驗(yàn)運(yùn)行與取樣監(jiān)測生物膜的生長階段分為成膜階段、膜生長階段和穩(wěn)定階段，在這三個(gè)階段通過求取生物堵塞模擬單體內(nèi)多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)、彌散度來反應(yīng)多孔介質(zhì)的水力特性；通過CT掃描和破壞性試驗(yàn)獲得生物膜的空間結(jié)構(gòu)、生物膜的干重、微生物群落結(jié)構(gòu)和微生物的種類和數(shù)量，以此來反應(yīng)生物膜的生長特性，對多孔介質(zhì)堵塞水平進(jìn)行評估分析。所述步驟I)中，儲(chǔ)水罐內(nèi)的水樣為在儲(chǔ)水罐內(nèi)加入微生物制劑、微生物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)以及附有生物膜的河沙。上述一種采用多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置及模擬測試方法進(jìn)行模擬測試后的堵塞取樣評估方法，其包括以下步驟1)連接完成多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置，設(shè)置多套該裝置，并進(jìn)行多組重復(fù)試驗(yàn)；試驗(yàn)中通過循環(huán)供水裝置向生物堵塞模擬裝置中的各生物堵塞模擬單體內(nèi)循環(huán)供水；在此過程中，間隔一定時(shí)間通過自動(dòng)攪拌裝置將儲(chǔ)水罐內(nèi)的水?dāng)嚢杈鶆?；將水體內(nèi)部的營養(yǎng)物質(zhì)在水流的帶動(dòng)作用下供給各生物堵塞模擬單體內(nèi)的多孔介質(zhì)內(nèi)微生物的生長繁殖需要；2)滲透系數(shù)和多孔介質(zhì)相對孔隙度啟動(dòng)自動(dòng)壓力采集裝置，第一柱體上的進(jìn)水壓力傳感器和第二柱體上的出水壓力傳感器采集多孔介質(zhì)下方 進(jìn)水和上方出水的壓力信號，并傳輸給自動(dòng)壓力采集裝置并轉(zhuǎn)化為壓力值，最后傳送給計(jì)算機(jī)；對壓力數(shù)據(jù)的采集在成膜階段采集較頻繁，設(shè)定為每2小時(shí)采集一次，之后可減少采集次數(shù)，設(shè)定為每12小時(shí)采集一次；多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)反應(yīng)了生物堵塞模擬單體內(nèi)部的導(dǎo)水能力，根據(jù)達(dá)西定律可得滲透系數(shù)為K = lJiH1- H2)(I)其中，L為第一柱體內(nèi)多孔介質(zhì)的填裝高度，Q為第二柱體頂部出水口的出流量，
S為第一柱體和第二柱體的橫截面積，H1為第一柱體下部進(jìn)水壓力傳感器采集的滲透壓，H2
為第二柱體頂部出水壓力傳感器采集的滲透壓；多孔介質(zhì)滲透系數(shù)的改變是由孔隙度的改
變直接導(dǎo)致的，總孔隙度Θ由動(dòng)孔隙度θπ和生物質(zhì)定孔隙度ΘΜ。構(gòu)成，動(dòng)孔隙度θπ*:
phx0m = 0- Obkj = θ----(2)
P,其中θ=πΛ2/ —子(J)
tb式中，X是生物質(zhì)濃度，Pb是多孔介質(zhì)的密度，Px是生物質(zhì)的密度，R是第一柱體和第二柱體的的內(nèi)徑，H是填裝多孔介質(zhì)的高度，m是填裝的多孔介質(zhì)的干重；相對移動(dòng)孔隙度β可以按下式計(jì)算P = —4
Θ滲透系數(shù)和多孔介質(zhì)相對孔隙度的分析為隨著多孔介質(zhì)堵塞程度的加劇，滲透系數(shù)逐漸變小，相對孔隙度逐漸變??；采用挖除淤積物，填充砂石增大滲透系數(shù)和相對孔隙度，以及對回灌水質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，減少顆粒物含量；3)彌散度在試驗(yàn)運(yùn)行過程中，每15天監(jiān)測一次彌散系數(shù)，監(jiān)測方法是從各組試驗(yàn)中選取一個(gè)生物堵塞模擬單體，拆下其供、排水管和傳感器，用O. lmol/L的NaCl做穿透試驗(yàn)，用自動(dòng)部分收集器收集NaCl出流液，用便攜式電導(dǎo)率儀測定NaCl出流液的電導(dǎo)率e ;在他(1穿透試驗(yàn)?zāi)┢?，將NaCl溶液換成去離子水溶液，對生物堵塞模擬單體供水6個(gè)小時(shí)后，將生物堵塞模擬單體組裝回原系統(tǒng)；獲得NaCl電導(dǎo)率與其濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線的關(guān)系系數(shù)Oc，通過關(guān)系系數(shù)Oc和NaC1出流溶液的電導(dǎo)率e求出NaCl出流液的濃度值C，通過分析NaCl出流液濃度的變化規(guī)律，以反映不同堵塞程度下彌散度的變化；NaCl出流液濃度值c的求解公式如下C= c^c · e (5)式中e是NaCl出流液的電導(dǎo)率；c是似(1出流液的濃度；~是似(1濃度與電導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)曲線的關(guān)系系數(shù)；彌散度的分析為隨著多孔介質(zhì)堵塞程度的加劇，微生物數(shù)量增多，增加了更多的溶質(zhì)附著和運(yùn)移點(diǎn)，使彌散度增加；通過彌散度的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，反應(yīng)介質(zhì)堵塞的程度和規(guī)律；4) CT掃描生物膜的生長階段分為成膜階段、膜生長階段和穩(wěn)定階段，從各組試驗(yàn)的三個(gè)階段各選取一個(gè)生物堵塞模擬單體，將生物堵塞模擬單體與所連接的水管、傳感器裝置斷開，泄空生物堵塞模擬單體內(nèi)的水分；將O. lg/ml的碘化鉀溶液用注射器注入生物堵塞模擬單體內(nèi)，讓多孔介質(zhì)在碘化鉀溶液中浸泡10分鐘后，排出多余碘化鉀溶液，并將生物堵塞模擬單體在50°C條件下烘6小時(shí)，除去生物堵塞模擬單體中多余 的水分；然后，利用工業(yè)CT層析掃描技術(shù)對生物堵塞模擬單體進(jìn)行逐層掃描，獲得試樣斷層掃描灰度圖像；待檢測的生物堵塞模擬單體斷層掃描完成后，應(yīng)組裝回原系統(tǒng)繼續(xù)同其他待檢測的生物堵塞模擬單體一起運(yùn)行；采用MMICS軟件分析灰度圖像，得出試樣的固體基質(zhì)斷面圖及多孔介質(zhì)基質(zhì)邊界及生物膜的三維重構(gòu)圖；CT層析掃描的分析為生物膜附生于多孔介質(zhì)表面，占據(jù)多孔介質(zhì)孔隙空間，直接影響多孔介質(zhì)孔隙度的大??；通過對斷層掃描灰度圖像的分析，得出試樣生物膜的空間結(jié)構(gòu)圖，并分析計(jì)算出平面斷層上生物膜的面積和比表面積，對不同斷層灰度圖像重構(gòu)得到生物膜的體積；通過對生物膜空間結(jié)構(gòu)的觀測與分析，直觀反映多孔介質(zhì)生物堵塞的程度；生物膜的體積越大，表明微生物占據(jù)了越多的孔隙體積，孔隙體積減小進(jìn)而直接導(dǎo)致堵塞程度加重；5)破壞性試驗(yàn)對生物膜的干重與無機(jī)組分的測試，是在試驗(yàn)運(yùn)行過程中每5天從各組試驗(yàn)中選擇一個(gè)生物堵塞模擬單體，進(jìn)行破壞性取樣；將生物堵塞模擬單體分為3 5個(gè)不同斷面，取不同斷面處的多孔介質(zhì)各20g，裝進(jìn)I號自封袋內(nèi)，加入適量去離子水，放在超聲波清洗器中，40Hz條件下超聲振蕩20分鐘，將上層渾濁液轉(zhuǎn)入IOmL取樣瓶中，將提取出的各個(gè)生物膜進(jìn)行下述不同操作
(I)對提取出的生物膜干重采用烘干法進(jìn)行測量將提取后的生物膜放于60°C下烘干，用精確到O. OOOlg的電子天平分別測量其重量；然后將取樣瓶洗干凈后烘干，再稱重，前后重量相減即為生物膜的干重；將烘干后的固體生物膜研磨均勻，放在D8-AdvanceX射線衍射儀的操作平臺上進(jìn)行掃描，得到多晶衍射圖譜；將所得圖譜用X射線衍射儀配套的Topas軟件進(jìn)行分析，確定組成的物相，并進(jìn)行定量分析得出生物膜的無機(jī)組分；(2)將提取到的生物膜平均分成兩份，一份用磷脂脂肪酸法測定生物膜中微生物的群落結(jié)構(gòu)；一份用變性梯度凝膠測試法測定生物膜中微生物的種類和數(shù)量；破壞性試驗(yàn)的分析為生物膜干重隨著生物堵塞程度的增長而增長，表明形成了更多的附著生物膜；生物膜的無機(jī)組分、微生物群落結(jié)構(gòu)以及種類和數(shù)量由試驗(yàn)初期的單一性變?yōu)樵囼?yàn)后期的多樣化，說明微生物能夠吸收和利用水源中的營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)自身的生長、豐富生物膜的群落結(jié)構(gòu)、增加微生物的種類和數(shù)量；微生物群落結(jié)構(gòu)以及種類和數(shù)量是適應(yīng)多孔介質(zhì)環(huán)境并大量生長繁殖的表現(xiàn)，反映了介質(zhì)的環(huán)境特征；針對生物膜的特征，采取水質(zhì)預(yù)處理減少水體中微生物的數(shù)量和微生物的營養(yǎng)物質(zhì)、顆粒物含量，抑制介質(zhì)中微生物的生長和繁殖，減少生物膜的形成，減緩堵塞的發(fā)生。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明包括生物堵塞模擬裝置、循環(huán)供水裝置、自動(dòng)攪拌裝置、自動(dòng)壓力采集裝置，通過生物堵塞模擬裝置能夠模擬多孔介質(zhì)生物堵塞現(xiàn)場，通過循環(huán)供水裝置可以滿足生物堵塞模擬裝置的自動(dòng)水動(dòng)力條件，通過自動(dòng)攪拌裝置可以將沉積物自動(dòng)再懸浮；通過自動(dòng)壓力采集裝置可以自動(dòng)采集生物堵塞模擬裝置中多孔介質(zhì)的壓力，因此，本發(fā)明能夠真實(shí)反映多孔介質(zhì)中生物堵塞的發(fā)生狀況，且操作過程簡單可控。2、本發(fā)明基于多孔介質(zhì)的水力特性(滲透系數(shù)、彌散度等)和生物膜特性(生物膜空間結(jié)構(gòu)、微生物種類與數(shù)量、微生物群落結(jié)構(gòu)等)，通過考慮不同環(huán)境因子、不同工況等條件相互影響的多孔介質(zhì)系統(tǒng)生物堵塞的狀態(tài)，提出了生物堵塞的取樣與測試分析方法；且形成從滲透系數(shù)、彌散度、相對孔隙度三個(gè)特征參數(shù)對多孔介質(zhì)堵塞狀態(tài)及其對水流、污染物運(yùn)移的影響效應(yīng)進(jìn)行分析的方法，最后，提出了多孔介質(zhì)生物堵塞狀態(tài)的綜合評價(jià)方法，因此，能夠?yàn)榉治鲈u價(jià)多孔介質(zhì)堵塞狀況提供理論依據(jù)。3、本發(fā)明的生物堵塞模擬裝置包括進(jìn)水口、多孔介質(zhì)、出水口，液體通過進(jìn)水口進(jìn)入第一柱體進(jìn)水室，進(jìn)水室內(nèi)的液體以一定的壓力供給向上運(yùn)移穿過多孔介質(zhì)，由上部出水口排出；液體中所含的顆粒物可以吸附阻塞在介質(zhì)表面，微生物可以在介質(zhì)和顆粒物表面附著生長形成生物膜，生物膜可以進(jìn)一步吸收利用液體中的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)生物膜的生長，形成多孔介質(zhì)的生物堵塞；生物堵塞模擬裝置符合多孔介質(zhì)生物堵塞狀況模擬的要求，能夠真實(shí)反映多孔介質(zhì)中生物堵塞的發(fā)生狀況。4、本發(fā)明的自動(dòng)壓力采集裝置包括壓力采集控制器，壓力采集控制器的輸入端通過若干進(jìn)水傳感器傳輸線分別對應(yīng)連接各第一柱體上的進(jìn)水壓力傳感器，通過若干出水傳感器傳輸線分別對應(yīng)連接各第二柱體上的出水壓力傳感器；試驗(yàn)啟動(dòng)后，進(jìn)水壓力傳感器和出水壓力傳感器通過采集壓力傳感器接口水平面處的壓力值，獲得不同時(shí)間點(diǎn)上的壓力值，然后分別對應(yīng)通過進(jìn)水傳感器傳輸線和出水傳感器傳輸線將壓力值傳輸給壓力采集控制器，并進(jìn)一步通過計(jì)算機(jī)傳輸線，將壓力數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，因此，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)獲得壓力參數(shù)，方便采集多孔介質(zhì)內(nèi)部壓力大小，計(jì)算滲透系數(shù)等物理參數(shù)。5、本發(fā)明的自動(dòng)攪拌裝置包括設(shè)置在儲(chǔ)水罐頂部的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)連接一攪拌軸，攪拌軸插入儲(chǔ)水罐內(nèi)，沿?cái)嚢栎S上下間隔設(shè)置有兩組攪拌葉片；電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使儲(chǔ)水罐中的水?dāng)嚢杈鶆?，使?chǔ)水罐中的沉降顆粒物再懸浮，有效解決了顆粒物不均勻沉降等問題，使得測試精度和效率顯著提升。6、本發(fā)明基于高頻率、長期的觀測試驗(yàn)，提出了適宜描述介質(zhì)堵塞的參數(shù)測試頻率，并建立了堵塞物質(zhì)-生物膜物理、化學(xué)、生物組分及生物膜結(jié)構(gòu)特征的取樣測試分析方法；因此，可以從多孔介質(zhì)的水力特性與生物膜的特性等不同層面進(jìn)行分析，系統(tǒng)全面的反映堵塞的狀態(tài)和程度。7、本發(fā)明提出多孔介質(zhì)的水力特性指標(biāo)一滲透系數(shù)、相對孔隙度和生物膜的特性指標(biāo)一生物膜的空間結(jié)構(gòu)是評價(jià)多孔介質(zhì)生物堵塞程度的有效參數(shù)，建立了多孔介質(zhì)生物堵塞的綜合評價(jià)體系，為多孔介質(zhì)生物堵塞狀況評價(jià)提供理論依據(jù)。本發(fā)明可廣泛用于測試多工況條件下河湖滲濾介質(zhì)、地下水回灌介質(zhì)等多孔介質(zhì)中堵塞-滲流-微生物過程耦合的多孔介質(zhì)生物堵塞。


圖I是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明生物堵塞模擬裝置示意圖
圖3是本發(fā)明生物堵塞模擬裝置剖視示意4是本發(fā)明自動(dòng)攪拌裝置示意5是本發(fā)明自動(dòng)攪拌裝置細(xì)部示意6是本發(fā)明轉(zhuǎn)接頭細(xì)部示意7是本發(fā)明總體分析流程示意8是采用本發(fā)明獲得的生物膜的空間結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖(a)是固體基質(zhì)斷面圖；圖(13)是生物膜的空間結(jié)構(gòu)圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。 本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)如圖I所示，本發(fā)明測試裝置包括生物堵塞模擬裝置10、循環(huán)供水裝置20、自動(dòng)攪拌裝置30、自動(dòng)壓力采集裝置40 ；如圖I、圖2、圖3所示，本發(fā)明的生物堵塞模擬裝置10包括若干并排排列的生物堵塞模擬單體101，各生物堵塞模擬單體101的結(jié)構(gòu)相同，現(xiàn)以其中一個(gè)為例進(jìn)行詳細(xì)說明。生物堵塞模擬單體101包括第一柱體102和第二柱體103。第一柱體102中空、頂部開口，底部密封，第一柱體102的底部設(shè)置有底座，底座可以是底部法蘭盤104，主要用于固定和支撐第一柱體102。第一柱體102的頂部設(shè)置有頂部法蘭盤105，第一柱體102的下部側(cè)壁上設(shè)置有進(jìn)水口 106，進(jìn)水口 106上方設(shè)置有進(jìn)水壓力傳感器安裝口 107，進(jìn)水壓力傳感器安裝口 107連接進(jìn)水壓力傳感器108。第一柱體102內(nèi)、進(jìn)水壓力傳感器安裝口 107上方設(shè)置有第一透水板109，第一透水板109上間隔設(shè)置有若干透水孔110。第二柱體103中空、頂部和底部均開口，第二柱體103的底部設(shè)置有下部法蘭盤111，第二柱體103的下部法蘭盤111和第一柱體102上的頂部法蘭盤105連接，且在下部法蘭盤111和頂部法蘭盤105之間設(shè)置有密封墊112 ;頂部法蘭盤105和下部法蘭盤111的連接處設(shè)置有第二透水板113，第二透水板113將第一柱體102內(nèi)部和第二柱體103內(nèi)部隔開，第二透水板113上間隔設(shè)置有若干透水孔114，第二柱體103下部的側(cè)壁上設(shè)置有出水壓力傳感器安裝口 115，出水壓力傳感器安裝口 115連接出水壓力傳感器116，出水壓力傳感器安裝口 115的上方設(shè)置有出水口 117。第一柱體102內(nèi)的第一透水板109和第二透水板113之間用于填充多孔介質(zhì)50。如圖I所示，本發(fā)明的循環(huán)供水裝置20包括儲(chǔ)水罐201，儲(chǔ)水罐201內(nèi)插設(shè)有若干條蠕動(dòng)泵水管202，各蠕動(dòng)泵水管202的另一端連接位于儲(chǔ)水罐201外部的蠕動(dòng)泵203的輸入端，蠕動(dòng)泵203的輸出管分別通過一轉(zhuǎn)接頭204對應(yīng)連接若干條第一柱體供水管205，各第一柱體供水管205的輸出端分別對應(yīng)連接各第一柱體102上的進(jìn)水口 106。各第二柱體103頂部的出水口 117分別連接一出水支管206、各出水支管206的輸出端連接同一出水干管207，出水干管207的輸出端連接回儲(chǔ)水罐201內(nèi)。蠕動(dòng)泵203通過蠕動(dòng)泵傳輸線208連接電源60。在蠕動(dòng)泵203的動(dòng)力作用下，儲(chǔ)水罐201中的水沿著蠕動(dòng)泵水管202進(jìn)入蠕動(dòng)泵203，然后經(jīng)過蠕動(dòng)泵203的輸出管、轉(zhuǎn)接頭204的流道轉(zhuǎn)換進(jìn)入第一柱體供水管205，供給第一柱體102，水流由下而上穿過第一柱體102和第二柱體103，然后流入出水支管206，最終出水支管206內(nèi)的水流匯流進(jìn)出水干管207，進(jìn)而回流進(jìn)儲(chǔ)水罐201，完成水流的實(shí)時(shí)循環(huán)。如圖4所示，轉(zhuǎn)接頭204包括水流入口 209和水流出口 210 ;轉(zhuǎn)接頭204的水流入口 209與蠕動(dòng)泵203的輸出管連接，水流出口 210與第一柱體供水管205連接。因?yàn)榈谝恢w102上的進(jìn)水口 106直徑不易過小，而蠕動(dòng)泵203上的輸出管直徑是一定的，經(jīng)過轉(zhuǎn)接頭204的連接作用，使經(jīng)過蠕動(dòng)泵203加壓作用的水流從蠕動(dòng)泵203的輸出管經(jīng)過轉(zhuǎn)接頭204的流道轉(zhuǎn)換流入第一柱體供水管205，實(shí)現(xiàn)向第一柱體102供水的作用。如圖I、圖5、圖6所示，本發(fā)明的自動(dòng)攪拌裝置30包括設(shè)置在儲(chǔ)水罐201頂部的電動(dòng)機(jī)托板301，電動(dòng)機(jī)托板301上設(shè)置有電動(dòng)機(jī)302，電動(dòng)機(jī)302的輸出端連接一攪拌軸303，攪拌軸303插入儲(chǔ)水罐201內(nèi)，沿?cái)嚢栎S303上下間隔設(shè)置有兩組攪拌葉片304。電動(dòng)機(jī)302上設(shè)置有電動(dòng)機(jī)手動(dòng)控制按鈕305，電動(dòng)機(jī)302通過電動(dòng)機(jī)傳輸線306連接時(shí)間控制器307，時(shí)間控制器307通過時(shí)間控制器傳輸線308連接電源60。電流經(jīng)過時(shí)間控制器傳輸線308傳輸給時(shí)間控制器307，時(shí)間控制器307可以通過設(shè)置時(shí)間步長，控制電動(dòng)機(jī)302的工作時(shí)間，當(dāng)不需要供水時(shí)，時(shí)間控制器307通過內(nèi)部電磁繼電器斷開與電源60的連接，當(dāng)需要供水時(shí)，時(shí)間控制器307通過內(nèi)部電磁繼電器接通電源60，電流通過電動(dòng)機(jī)傳輸線 306傳輸給電動(dòng)機(jī)302，使電動(dòng)機(jī)302工作，進(jìn)而帶動(dòng)攪拌軸303 —起轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌軸303上設(shè)置有兩組攪拌葉片304，通過攪拌葉片304的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使儲(chǔ)水罐201中的水?dāng)嚢杈鶆?，使?chǔ)水罐201中的沉降顆粒物再懸浮。如圖I所示，自動(dòng)壓力采集裝置40包括壓力采集控制器401，壓力采集控制器401的輸入端通過若干進(jìn)水傳感器傳輸線402分別對應(yīng)連接各第一柱體102上的進(jìn)水壓力傳感器108，通過若干出水傳感器傳輸線403分別對應(yīng)連接各第二柱體103上的出水壓力傳感器116。壓力采集控制器401的輸出端通過計(jì)算機(jī)傳輸線404連接計(jì)算機(jī)405。試驗(yàn)啟動(dòng)后，進(jìn)水壓力傳感器108和出水壓力傳感器116通過采集壓力傳感器接口水平面處的壓力值(由于同一容器中，等水平面處壓力值相同)，獲得不同時(shí)間點(diǎn)上的壓力值，然后分別對應(yīng)通過進(jìn)水傳感器傳輸線402和出水傳感器傳輸線403將壓力值傳輸給壓力采集控制器401，并進(jìn)一步通過計(jì)算機(jī)傳輸線404，將壓力數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)405，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)獲得壓力參數(shù)，方便采集多孔介質(zhì)內(nèi)部壓力大小，計(jì)算滲透系數(shù)等物理參數(shù)。本發(fā)明生物堵塞模擬單體101的具體設(shè)置方法在第一柱體102內(nèi)、進(jìn)水口 106和進(jìn)水壓力傳感器安裝口 107的上方接近中部的位置設(shè)置第一透水板109 ;將預(yù)處理過的介質(zhì)50用濕法裝填進(jìn)第一透水板109上方的第一柱體102內(nèi)，第一透水板109下方的第一柱體102內(nèi)通入滲濾液；通過第一透水板109可以防止介質(zhì)顆粒進(jìn)入第一柱體102滲濾液內(nèi)。當(dāng)介質(zhì)填裝完成后，在介質(zhì)上設(shè)置第二透水板113 ;在第一柱體102上的頂部法蘭盤105上放置密封墊112，然后通過螺栓將第二柱體103的下部法蘭盤111和第一柱體102上的頂部法蘭盤105連接。上述實(shí)施例中，濕法裝填具體操作為在第一透水板109上方的第一柱體102內(nèi)先輸入少量蒸餾水(高約1cm)，加入少量多孔介質(zhì)的同時(shí)不斷攪拌去除氣泡，但石英砂不要超過水面高度，略微壓實(shí)后再加水，水面高出固體約Icm后再加多孔介質(zhì)，重復(fù)上一過程直至第一柱體102完全裝滿并確保裝置完全飽和。本發(fā)明模擬測試裝置的模擬測試方法及評價(jià)分析方法基于以下思想為研究再生水回用河湖滲濾系統(tǒng)過程中，滲濾系統(tǒng)發(fā)生生物堵塞的程度及介質(zhì)表面附生生物膜的生長規(guī)律，針對不同粒徑的滲濾介質(zhì)、不同環(huán)境因子條件下，利用多孔介質(zhì)生物堵塞模擬裝置，通過對生物膜的特性以及多孔介質(zhì)水力特性進(jìn)行模擬測試，并進(jìn)行取樣監(jiān)測，檢測分析多孔介質(zhì)生物堵塞的機(jī)理，并對堵塞的程度進(jìn)行評價(jià)分析，為再生水回灌河湖滲濾系統(tǒng)堵塞問題的解決提供理論依據(jù)。如圖7所示，本發(fā)明模擬測試裝置的模擬測試方法及評價(jià)分析方法包括以下步驟I、試驗(yàn)的設(shè)計(jì)本發(fā)明將三套本發(fā)明模擬測試裝置作為一組試驗(yàn)，每套本發(fā)明模擬測試裝置均包括6個(gè)生物堵塞模擬單體101和一臺蠕動(dòng)泵203。第一套模擬測試裝置中的3個(gè)生物堵塞模擬單體101填充的介質(zhì)為850 1000 μ m的石英砂，蠕動(dòng)泵供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/ min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3個(gè)生物堵塞模擬單體101內(nèi)填充的是相同粒徑的玻璃珠作為對照，螺動(dòng)泵供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min。第二套模擬測試裝置中的3個(gè)生物堵塞模擬單體101填充的介質(zhì)為450 500 μ m的石英砂，蠕動(dòng)泵供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3個(gè)生物堵塞模擬單體101內(nèi)填充的是相同粒徑的玻璃珠作為對照，螺動(dòng)泵供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、2. OmL/min、
10.OmL/min。第三套模擬測試裝置中的3個(gè)生物堵塞模擬單體101填充的介質(zhì)為120 150 μ m的石英砂，螺動(dòng)泵供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3個(gè)生物堵塞模擬單體101內(nèi)填充的是相同粒徑的玻璃珠作為對照，蠕動(dòng)泵供水流速分別設(shè)定為 O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min。上述共設(shè)18組處理(三種流速，三種粒徑的介質(zhì)，兩種介質(zhì))，每種處理設(shè)7個(gè)重復(fù)，每5天更換一次水樣。儲(chǔ)水罐201水樣的制備方法為在儲(chǔ)水罐內(nèi)加入微生物制劑、微生物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)以及附有生物膜的河沙。微生物制劑采用原生芽胞乳制劑，用量為16g/L ;微生物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)為20g/L的氯化銨作為氮源，以及50g/L經(jīng)煮沸鍋的淀粉作為碳源，淀粉煮熟后便于微生物吸收利用。河沙具體培養(yǎng)步驟如下取沉淀后的再生水，作為培養(yǎng)液的原液，之后取粒徑325目 360目(即O. 043 O. 040mm)的河沙放入錐形瓶中作為微生物生長的載體，濃度約為120g/L，培養(yǎng)48小時(shí)，加入微生物制劑(芽孢桿菌)和營養(yǎng)物質(zhì)(包括碳源、氮源)，最后將培養(yǎng)好的河沙轉(zhuǎn)入儲(chǔ)水罐內(nèi)，稀釋后河沙濃度為6g/L。2、系統(tǒng)的安裝(I)生物堵塞模擬裝置10 :在第一柱體102內(nèi)第一透水板109頂部放一層孔眼O. 45mm (40 50目)的尼龍網(wǎng)作為過濾層，防止介質(zhì)顆粒進(jìn)入第一柱體102底部的滲濾液內(nèi)。再將預(yù)處理過的介質(zhì)50用濕法裝填進(jìn)第一柱體102內(nèi)，當(dāng)介質(zhì)填裝完成后，在介質(zhì)上放置一層O. 45mm (40 50目)的尼龍網(wǎng)作為過濾層，然后設(shè)置第二透水板113。在第一柱體102上的頂部法蘭盤105上放置密封墊112，然后通過螺栓將第二柱體103的下部法蘭盤111和第一柱體102上的頂部法蘭盤105連接。然后將進(jìn)水口 106與第一柱體供水管205相連，出水口 117與出水支管206相連。出水壓力傳感器安裝口 115連接出水壓力傳感器116。進(jìn)水壓力傳感器安裝口 107連接進(jìn)水壓力傳感器108。(2)自動(dòng)攪拌裝置30 :將電動(dòng)機(jī)302固定在電動(dòng)機(jī)托板301上，將攪拌軸303安裝在電動(dòng)機(jī)上，電動(dòng)機(jī)傳輸線306與時(shí)間控制器307相連，時(shí)間控制器傳輸線308連接電源60。(3)循環(huán)供水裝置20 :將蠕動(dòng)泵水管202安裝在蠕動(dòng)泵203上，另一端放在儲(chǔ)水罐201中，蠕動(dòng)泵203的輸出管分別通過一轉(zhuǎn)接頭204對應(yīng)連接若干條第一柱體供水管205 ；各出水支管206的輸出端連接同一出水干管207，出水干管207另一端放置在儲(chǔ)水罐201中。(4)自動(dòng)壓力采集裝置40 :壓力采集控制器401的輸入端通過若干進(jìn)水傳感器傳輸線402分別對應(yīng)連接各第一柱體102上的進(jìn)水壓力傳感器108，通過若干出水傳感器傳輸線403分別對應(yīng)連接各第二柱體103上的出水壓力傳感器116，壓力采集控制器401的輸出端通過計(jì)算機(jī)傳輸線404連接計(jì)算機(jī)405。 3、系統(tǒng)的啟動(dòng)在試驗(yàn)啟動(dòng)前，先通入去離子水對裝置穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)試，檢查是否漏水；調(diào)試完成后將培養(yǎng)好的微生物培養(yǎng)基放入盛有再生水的儲(chǔ)水罐201中，啟動(dòng)自動(dòng)攪拌裝置30 ;自動(dòng) 攪拌時(shí)間與頻率設(shè)定為每6小時(shí)攪拌10分鐘，攪拌軸303轉(zhuǎn)速設(shè)定為100r/min。當(dāng)攪拌完成后，啟動(dòng)循環(huán)供水裝置20,通過螺動(dòng)泵203給第一柱體102進(jìn)行供水。打開計(jì)算機(jī)405以及壓力采集控制器401開關(guān)，設(shè)定壓力采集的頻率為每2小時(shí)采集一次壓力值，通過計(jì)算機(jī)傳輸線404將壓力值傳輸給計(jì)算機(jī)405，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀數(shù)計(jì)數(shù)的功能。4、試驗(yàn)運(yùn)行與取樣監(jiān)測為表征實(shí)測例試驗(yàn)效果，主要通過滲透系數(shù)、彌散度等參數(shù)來反應(yīng)的多孔介質(zhì)水力特性，通過生物膜的空間結(jié)構(gòu)、生物膜的干重、微生物群落結(jié)構(gòu)和微生物的種類和數(shù)量來反應(yīng)生物膜的生長特性。I)用自動(dòng)壓力采集裝置40采集多孔介質(zhì)下方進(jìn)水口和上方出水口的壓力值H1和H2，通過達(dá)西定律公式可分別計(jì)算出不同運(yùn)行時(shí)段的滲透系數(shù)，壓力傳感器采集時(shí)間頻率為每2小時(shí)采集一次，可得出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)滲透系數(shù)的值，通過作滲透系數(shù)曲線圖觀察滲透系數(shù)的變化規(guī)律。2)在試驗(yàn)初期及運(yùn)行過程中，每15天取各處理的生物堵塞模擬單體101 —個(gè)，用
O.lmol/L的NaCl做穿透試驗(yàn)，用自動(dòng)部分收集器收集出流液，用電導(dǎo)率儀測出流液的電導(dǎo)率，換算成NaCl的濃度作成穿透曲線，以反映不同堵塞程度下彌散度的變化。3)在生物膜的成膜階段、膜生長階段和穩(wěn)定階段，用工業(yè)CT層析掃描法進(jìn)行一次生物膜的空間結(jié)構(gòu)監(jiān)測。方法是從每種處理中各取一個(gè)生物堵塞模擬單體101，將生物堵塞模擬單體101與所連接的水管、傳感器裝置斷開，泄空生物堵塞模擬單體101內(nèi)的水分，用碘化鉀染色劑對多孔介質(zhì)內(nèi)的生物膜進(jìn)行染色，然后將生物堵塞模擬單體101在50°C條件下烘6小時(shí)，除去生物堵塞模擬單體101中多余的水分。最后，將生物堵塞模擬單體101利用工業(yè)CT進(jìn)行逐層掃描，得到試樣斷層掃描灰度圖像。采用MMICS軟件分析灰度圖像，得出試樣的固體基質(zhì)斷面圖及多孔介質(zhì)基質(zhì)邊界及生物膜的三維重構(gòu)圖(如圖8所示)。4)對生物膜的提取是每隔5天對每種處理的一個(gè)生物堵塞模擬單體101進(jìn)行破壞性取樣。在所有處理類型的生物堵塞模擬單體101底部5cm處取20mL介質(zhì)和生物膜的混合物，放入I號自封袋內(nèi)，加入適量去離子水，放在超聲波清洗器中進(jìn)行40Hz超聲振蕩20分鐘，將上層渾濁液轉(zhuǎn)入IOmL取樣瓶中，待測。將提取后的生物膜放于60°C下烘干，用高精度的電子天平(精確到O. OOOlg)分別測量其重量。然后將取樣瓶洗干凈后烘干，再稱重，前后重量相減即為生物膜的干重。將固體生物膜研磨均勻，放在D8_AdvanceX射線衍射儀的操作平臺上進(jìn)行掃描，得到多晶衍射圖譜。掃描過程基本試驗(yàn)條件電壓40kV，電流40mA，Cu靶，波長λ =1. 5406Α。將所得圖譜用X射線衍射儀配套的Topas軟件進(jìn)行分析，確定組成的物相，并進(jìn)行定量分析得出生物膜的無機(jī)組分。將提取的生物膜脫落到去離子水中，分別進(jìn)行微生物磷脂脂肪酸法(PLFA)法的提取、純化、甲酯、質(zhì)譜測定、生物量評估，得出微生物的群落結(jié)構(gòu)。微生物種類和數(shù)量的分析采用變性梯度凝膠PCR-DGGE法進(jìn)行測定?？傮w來說，本實(shí)測例運(yùn)用多種監(jiān)測手段，圍繞反映生物堵塞程度的多個(gè)指標(biāo)包括多孔介質(zhì)的彌散度、滲透系數(shù)，生物膜的空間結(jié)構(gòu)及其組分等，研究了在再生水回用條件下不同介質(zhì)粒徑、不同環(huán)境因子條件下堵塞發(fā)生的過程與程度，提出了多孔介質(zhì)生物堵塞模擬試驗(yàn)適宜的采用頻率和評價(jià)方法，為再生水回灌河湖滲濾系統(tǒng)堵塞問題的解決提供行之
有效的裝置與方法。本發(fā)明裝置的取樣與評估分析方法具體如下由于滲透系數(shù)、彌散度是表征多孔介質(zhì)系統(tǒng)水力特性的重要指標(biāo)；生物膜的空間結(jié)構(gòu)、生物膜中微生物的群落結(jié)構(gòu)及微生物的種類和數(shù)量是表征多孔介質(zhì)中生物膜特性的基本指標(biāo)。因此，本發(fā)明采用多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)、彌散度、相對孔隙度以及生物膜的空間結(jié)構(gòu)、生物膜中微生物的群落結(jié)構(gòu)及微生物的種類和數(shù)量對多孔介質(zhì)堵塞水平進(jìn)行評估分析。本發(fā)明可以設(shè)置多個(gè)裝置，多組試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。I、滲透系數(shù)和多孔介質(zhì)相對孔隙度本發(fā)明裝置連接完成后，通過循環(huán)供水裝置20向生物堵塞模擬裝置10中的各生物堵塞模擬單體101內(nèi)循環(huán)供水；在此過程中，間隔一定時(shí)間通過自動(dòng)攪拌裝置30將儲(chǔ)水罐201內(nèi)的水?dāng)嚢杈鶆?；將水體內(nèi)部的營養(yǎng)物質(zhì)在水流的帶動(dòng)作用下供給各生物堵塞模擬單體101內(nèi)的多孔介質(zhì)內(nèi)微生物的生長繁殖需要。啟動(dòng)自動(dòng)壓力采集裝置40，第一柱體102上的進(jìn)水壓力傳感器108和第二柱體103上的出水壓力傳感器116采集多孔介質(zhì)下方進(jìn)水和上方出水的壓力信號，并分別對應(yīng)通過進(jìn)水傳感器傳輸線402和出水傳感器傳輸線403傳輸給自動(dòng)壓力采集裝置40并轉(zhuǎn)化為壓力值，最后通過計(jì)算機(jī)傳輸線404傳送給計(jì)算機(jī)405，在計(jì)算機(jī)中顯示讀數(shù)。壓力值的采集可以通過設(shè)定自動(dòng)壓力采集裝置40來控制壓力值的采集步長。對壓力數(shù)據(jù)的采集在試驗(yàn)初期15天采集較頻繁，設(shè)定為每2小時(shí)采集一次，之后可減少采集次數(shù)，設(shè)定為每12小時(shí)采集一次。多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)反應(yīng)了生物堵塞模擬單體101內(nèi)部的導(dǎo)水能力，根據(jù)達(dá)西定律可得滲透系數(shù)為K = Y(H1-H2)I /其中，L為第一柱體102內(nèi)多孔介質(zhì)的填裝高度，Q為第二柱體103頂部出水口 117的出流量，S為第一柱體和第二柱體的橫截面積，H1為第一柱體102下部進(jìn)水壓力傳感器108采集的滲透壓，H2為第二柱體103頂部出水壓力傳感器116采集的滲透壓。多孔介質(zhì)滲透系數(shù)的改變是由孔隙度的改變直接導(dǎo)致的，因此由相對滲透系數(shù)可以推導(dǎo)出第一柱體102內(nèi)孔隙度的變化，總孔隙度Θ由動(dòng)孔隙度θπ和生物質(zhì)定孔隙度ΘΜ。構(gòu)成，生物量的增長會(huì)影響生物質(zhì)定孔隙度ΘΜ。，所以，在任何時(shí)刻動(dòng)孔隙度θπ可以按下式計(jì)算


其中
權(quán)利要求
1.一種多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置，其特征在于它包括生物堵塞模擬裝置、循環(huán)供水裝置、攪拌裝置和壓力采集裝置； 所述生物堵塞模擬裝置包括若干生物堵塞模擬單體，所述生物堵塞模擬單體包括第一柱體和第二柱體；所述第一柱體中空、頂部開口，底部密封,所述第二柱體中空、頂部和底部均開口，所述第二柱體的底部與所述第一柱體的頂部通過法蘭盤連接；所述第一柱體的下部側(cè)壁上設(shè)置有進(jìn)水口，所述進(jìn)水口上方設(shè)置有連接進(jìn)水壓力傳感器的安裝口 ；所述第一柱體內(nèi)、所述安裝口的上方設(shè)置有第一透水板，所述第一透水板上間隔設(shè)置有若干透水孔；所述第一柱體和第二柱體的連接處設(shè)置有第二透水板，所述第二透水板上間隔設(shè)置有若干透水孔，所述第二柱體的下部側(cè)壁上設(shè)置有連接出水壓力傳感器的安裝口，該所述安裝口的上方設(shè)置有出水口 ；所述第一透水板和第二透水板之間用于填充多孔介質(zhì)； 所述循環(huán)供水裝置包括儲(chǔ)水罐，所述儲(chǔ)水罐內(nèi)通過管路連接位于所述儲(chǔ)水罐外部的蠕動(dòng)泵的輸入端，所述蠕動(dòng)泵的輸出端通過管路連接各所述第一柱體上的進(jìn)水口 ；各所述第二柱體頂部的出水口通過管路連接回所述儲(chǔ)水罐內(nèi)； 所述攪拌裝置包括設(shè)置在所述儲(chǔ)水罐頂部的電動(dòng)機(jī)，所述電動(dòng)機(jī)的輸出端連接一攪拌 軸，所述攪拌軸插入所述儲(chǔ)水罐內(nèi)，所述攪拌軸上設(shè)置有攪拌葉片； 所述壓力采集裝置包括壓力采集控制器，所述壓力采集控制器的輸入端電連接各所述第一柱體上的進(jìn)水壓力傳感器和各所述第二柱體上的出水壓力傳感器；所述壓力采集控制器的輸出端電連接計(jì)算機(jī)。
2.如權(quán)利要求I所述的一種多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置，其特征在于所述儲(chǔ)水罐內(nèi)插設(shè)有若干條蠕動(dòng)泵水管，各所述蠕動(dòng)泵水管的另一端連接位于所述儲(chǔ)水罐外部的所述蠕動(dòng)泵的輸入端，所述蠕動(dòng)泵的輸出管分別通過一轉(zhuǎn)接頭對應(yīng)連接若干條第一柱體供水管，各所述第一柱體供水管的輸出端分別對應(yīng)連接各所述第一柱體上的進(jìn)水口 ；各所述第二柱體頂部的出水口分別連接一出水支管、各所述出水支管的輸出端連接同一出水干管，所述出水干管的輸出端連接回所述儲(chǔ)水罐內(nèi)。
3.如權(quán)利要求I或2所述的一種多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置，其特征在于所述第一透水板和第二透水板之間采用濕法裝填多孔介質(zhì)；濕法裝填的具體操作為在所述第一透水板上方的第一柱體內(nèi)先輸入少量蒸餾水，加入少量多孔介質(zhì)的同時(shí)不斷攪拌去除氣泡，多孔介質(zhì)不要超過水面高度，壓實(shí)后再加水，水面高出固體約Icm后再加多孔介質(zhì)，重復(fù)上一過程直至所述第一柱體內(nèi)裝滿。
4.如權(quán)利要求I或2所述的一種多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置，其特征在于所述電動(dòng)機(jī)電連接時(shí)間控制器。
5.如權(quán)利要求3所述的一種多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置，其特征在于所述電動(dòng)機(jī)電連接時(shí)間控制器。
6.—種如權(quán)利要求I 5任一項(xiàng)所述多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置的模擬測試方法，其包括以下步驟 I)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)將三套模擬測試裝置作為一組試驗(yàn)，每套模擬測試裝置均包括6個(gè)生物堵塞模擬單體；第一套模擬測試裝置中的3個(gè)生物堵塞模擬單體填充的介質(zhì)為850 ,1000 μ m的石英砂，供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3個(gè)生物堵塞模擬單體內(nèi)填充的是相同粒徑的玻璃珠作為對照，供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、.2. OmL/min、10. OmL/min ;第二套模擬測試裝置中的3個(gè)生物堵塞模擬單體填充的介質(zhì)為.450 500 μ m的石英砂，供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3個(gè)生物堵塞模擬單體內(nèi)填充的是相同粒徑的玻璃珠作為對照，供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、2. 0mL/min、10. OmL/min ;第三套模擬測試裝置中的3個(gè)生物堵塞模擬單體填充的介質(zhì)為120 150 μ m的石英砂，供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、2. 0mL/min、10. OmL/min ；另外3個(gè)生物堵塞模擬單體內(nèi)填充的是相同粒徑的玻璃珠作為對照，供水流速分別設(shè)定為O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;上述18組處理,每種處理設(shè)7個(gè)重復(fù),每5天更換一次儲(chǔ)水罐內(nèi)的水樣； 2)系統(tǒng)的安裝將生物堵塞模擬裝置、自動(dòng)攪拌裝置、循環(huán)供水裝置、自動(dòng)壓力采集裝置連接完成；生物堵塞模擬裝置中的每個(gè)生物堵塞模擬單體內(nèi)均采用濕法裝填進(jìn)介質(zhì)； 3)系統(tǒng)的啟動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)攪拌裝置，自動(dòng)攪拌時(shí)間與頻率設(shè)定為每6小時(shí)攪拌10分鐘，攪拌軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為lOOr/min ;當(dāng)攪拌完成后，啟動(dòng)循環(huán)供水裝置，通過蠕動(dòng)泵給第一柱體進(jìn)行供水；打開計(jì)算機(jī)以及壓力采集控制器開關(guān)，設(shè)定壓力采集的頻率為每2小時(shí)采集一次壓力值，通過計(jì)算機(jī)傳輸線將壓力值傳輸給計(jì)算機(jī)； 4)試驗(yàn)運(yùn)行與取樣監(jiān)測生物膜的生長階段分為成膜階段、膜生長階段和穩(wěn)定階段，在這三個(gè)階段通過求取生物堵塞模擬單體內(nèi)多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)、彌散度來反應(yīng)多孔介質(zhì)的水力特性；通過CT掃描和破壞性試驗(yàn)獲得生物膜的空間結(jié)構(gòu)、生物膜的干重、微生物群落結(jié)構(gòu)和微生物的種類和數(shù)量，以此來反應(yīng)生物膜的生長特性，對多孔介質(zhì)堵塞水平進(jìn)行評估分析。
7.如權(quán)利要求6所述的一種多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置的模擬測試方法，其特征在于所述步驟I)中，儲(chǔ)水罐內(nèi)的水樣為在儲(chǔ)水罐內(nèi)加入微生物制劑、微生物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)以及附有生物膜的河沙。
8.一種采用如權(quán)利要求I 7任一項(xiàng)所述多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置及模擬測試方法進(jìn)行模擬測試后的堵塞取樣評估方法，其包括以下步驟 1)連接完成多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置，設(shè)置多套該裝置，并進(jìn)行多組重復(fù)試驗(yàn)；試驗(yàn)中通過循環(huán)供水裝置向生物堵塞模擬裝置中的各生物堵塞模擬單體內(nèi)循環(huán)供水；在此過程中，間隔一定時(shí)間通過自動(dòng)攪拌裝置將儲(chǔ)水罐內(nèi)的水?dāng)嚢杈鶆?；將水體內(nèi)部的營養(yǎng)物質(zhì)在水流的帶動(dòng)作用下供給各生物堵塞模擬單體內(nèi)的多孔介質(zhì)內(nèi)微生物的生長繁殖需要； 2)滲透系數(shù)和多孔介質(zhì)相對孔隙度啟動(dòng)自動(dòng)壓力采集裝置，第一柱體上的進(jìn)水壓力傳感器和第二柱體上的出水壓力傳感器采集多孔介質(zhì)下方進(jìn)水和上方出水的壓力信號，并傳輸給自動(dòng)壓力采集裝置并轉(zhuǎn)化為壓力值，最后傳送給計(jì)算機(jī)；對壓力數(shù)據(jù)的采集在成膜階段采集較頻繁，設(shè)定為每2小時(shí)采集一次，之后可減少采集次數(shù)，設(shè)定為每12小時(shí)采集一次； 多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)反應(yīng)了生物堵塞模擬單體內(nèi)部的導(dǎo)水能力，根據(jù)達(dá)西定律可得滲透系數(shù)K為 K = ^(H1-H2)(I) 其中，L為第一柱體內(nèi)多孔介質(zhì)的填裝高度，Q為第二柱體頂部出水口的出流量，S為第一柱體和第二柱體的橫截面積，H1為第一柱體下部進(jìn)水壓力傳感器采集的滲透壓，H2為第二柱體頂部出水壓力傳感器采集的滲透壓； 多孔介質(zhì)滲透系數(shù)的改變是由孔隙度的改變直接導(dǎo)致的，總孔隙度Θ由動(dòng)孔隙度θπ和生物質(zhì)定孔隙度ΘΜ。構(gòu)成，動(dòng)孔隙度0ms:
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置及模擬測試評估方法，其特征在于生物堵塞模擬裝置包括若干生物堵塞模擬單體，生物堵塞模擬單體包括第一柱體和第二柱體；第一柱體上設(shè)置有進(jìn)水口和進(jìn)水壓力傳感器；第一柱體內(nèi)設(shè)置有第一透水板；第一柱體和第二柱體的連接處設(shè)置有第二透水板，第二柱體上設(shè)置有出水壓力傳感器和出水口；循環(huán)供水裝置包括儲(chǔ)水罐，儲(chǔ)水罐內(nèi)通過管路連接蠕動(dòng)泵，蠕動(dòng)泵通過管路連接各第一柱體上的進(jìn)水口；各第二柱體的出水口通過管路連接回儲(chǔ)水罐內(nèi)；攪拌裝置包括設(shè)置在儲(chǔ)水罐頂部的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的輸出端連接一插入儲(chǔ)水罐內(nèi)的攪拌軸，攪拌軸上設(shè)置有攪拌葉片；壓力采集裝置包括壓力采集控制器，壓力采集控制器的輸入端連接各進(jìn)水壓力傳感器和各出水壓力傳感器，輸出端連接計(jì)算機(jī)。
文檔編號G01N15/08GK102866093SQ20121032428
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月4日
發(fā)明者李云開, 郎琪, 樊曉璇, 施澤, 唐洋博 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)