专利名称：一种多孔介质生物堵塞模拟测试装置及模拟测试评估方法
技术领域：
本发明涉及一种堵塞模拟测试装置及模拟测试评估方法，特别是关于一种多孔介质生物堵塞模拟测试装置及模拟测试评估方法。
背景技术：
多孔介质是由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质。当富含悬浮物、溶解盐、化学沉淀、有机物、微生物等物质的水流通过多孔介质时，极易导致多孔介质渗透系数降低，孔隙度减�。佣斐啥嗫捉橹氏低车亩氯６嗫捉橹识氯莩梢蚩煞治锢�、化学和生物堵塞。物理堵塞是指水中含有的有机(生物残体)或无机(砂、淤泥和粘粒)颗粒物引起的堵塞，主要与颗粒物粒径有关；化学堵塞主要是由水中的碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐、硅酸盐、氢氧化物、铁离子、锰离子、钙离子、硫化物等物质的沉淀附着在渗滤介质上而引起的堵塞；生物堵塞是指水体中微生物在多孔介质中附着、生 长、脱落而引起的堵塞。引起堵塞的主要物质是固体颗粒，但有研究表明这并不是最先引起堵塞的原因，而是源自微生物在不规则形状的多孔介质表面附着、聚集，水流中固体悬浮颗粒物的不断沉积粘附作用下形成生物膜，而导致的多孔介质堵塞，也就是说多孔介质生物堵塞与微生物在多孔介质表面的附着、成膜、生长有着密切的关系。多孔介质中生物堵塞和生物膜的形成受颗粒物大小、溶液离子强度、介质表面特性和粒径级配以及水动力条件等多种因素影响，这已经成为水利、环境交叉学科领域研究的热点问题。如何构建适宜精细测试多孔介质生物堵塞过程的装置，构建堵塞状态及其对水分、污染物运移效应的评价方法已成为目前急需解决的问题。目前国内已有多孔介质中水流运动及微生物运移的观测装置和方法的研究报道公开号为CN101504351A的发明专利申请“砂层渗流淤堵模拟装置”，通过在试验箱体上装置测压采样阀门，正反向驱动水泵向实验箱体供水，实现观测地下水源热泵系统的颗粒物和气泡渗流淤堵问题；公开号为CN100389317的发明专利“生物淤积监测器及监测或检测生物淤积的方法”，利用填充材料两端水压力的变化判断填充材料发生生物淤积的程度。然而，这类装置的智能化程度较低、水源中物质均匀度保障程度较低，缺乏对于堵塞状态及其对水分、污染物运移影响效应的评价方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种智能化程度高，用于研究河床包气带介质、地下水回灌介质中微生物在多孔介质中生长，产生多孔介质生物堵塞，进而对水分入渗和污染物运移产生影响的多孔介质生物堵塞模拟测试装置及模拟测试评估方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种多孔介质生物堵塞模拟测试装置，其特征在于它包括生物堵塞模拟装置、循环供水装置、搅拌装置和压力采集装置；所述生物堵塞模拟装置包括若干生物堵塞模拟单体，所述生物堵塞模拟单体包括第一柱体和第二柱体；所述第一柱体中空、顶部开口，底部密封，所述第二柱体中空、顶部和底部均开口，所述第二柱体的底部与所述第一柱体的顶部通过法兰盘连接；所述第一柱体的下部侧壁上设置有进水口，所述进水口上方设置有连接进水压力传感器的安装口 ；所述第一柱体内、所述安装口的上方设置有第一透水板，所述第一透水板上间隔设置有若干透水孔；所述第一柱体和第二柱体的连接处设置有第二透水板，所述第二透水板上间隔设置有若干透水孔，所述第二柱体的下部侧壁上设置有连接出水压力传感器的安装口，该所述安装口的上方设置有出水口 ；所述第一透水板和第二透水板之间用于填充多孔介质；所述循环供水装置包括储水罐，所述储水罐内通过管路连接位于所述储水罐外部的蠕动泵的输入端，所述蠕动泵的输出端通过管路连接各所述第一柱体上的进水口 ；各所述第二柱体顶部的出水口通过管路连接回所述储水罐内；所述搅拌装置包括设置在所述储水罐顶部的电动机，所述电动机的输出端连接一搅拌轴，所述搅拌轴插入所述储水罐内，所述搅拌轴上设置有搅拌叶片；所述压力采集装置包括压力采集控制器，所述压力采集控制器的输入端电连接各所述第一柱体上的进水压力传感器和各所述第二柱体上的出水压力传感器；所述压力采集控制器的输出端电连接计算机。所述储水罐内插设有若干条蠕动泵水管，各所述蠕动泵水管的另一端连接位于所述储水罐外部的所述蠕动泵的输入端，所述蠕动泵的输出管分别通过一转接头对应连接若干条第一柱体供水管，各所述第一柱体供水管的输出端分别对应连接各所述第一柱体上的进水口 ；各所述第二柱体顶部的出水口分别连接一出水支管、各所述出水支管的输出端连接同一出水干管，所述出水干管的输出端连接回所述储水罐内。所述第一透水板和第二透水板之间采用湿法装填多孔介质；湿法装填的具体操作为在所述第一透水板上方的第一柱体内先输入少量蒸馏水，加入少量多孔介质的同时不断搅拌去除气泡，但多孔介质不要超过水面高度，压实后再加水，水面高出固体约Icm后再加多孔介质，重复上一过程直至所述第一柱体内装满。所述电动机电连接时间控制器。上述一种多孔介质生物堵塞模拟测试装置的模拟测试方法，其包括以下步骤1)试验的设计将三套模拟测试装置作为一组试验，每套模拟测试装置均包括6个生物堵塞模拟单体；第一套模拟测试装置中的3个生物堵塞模拟单体填充的介质为850 1000 μ m的石英砂，供水流速分别设定为O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3个生物堵塞模拟单体内填充的是相同粒径的玻璃珠作为对照，供水流速分别设定为O. 4mL/min、2. OmL/minUO. OmL/min ;第二套模拟测试装置中的3个生物堵塞模拟单体填充的介质为450 500 μ m的石英砂,供水流速分别设定为O. 4mL/min、2. OmL/min> 10. OmL/min ;另外3个生物堵塞模拟单体内填充的是相同粒径的玻璃珠作为对照，供水流速分别设定为0. 4mL/min、
2.OmL/min、10. OmL/min ;第三套模拟测试装置中的3个生物堵塞模拟单体填充的介质为120 150 μ m的石英砂，供水流速分别设定为0. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3个生物堵塞模拟单体内填充的是相同粒径的玻璃珠作为对照，供水流速分别设定为0. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;上述18组处理,每种处理设7个重复,每5天更换一次储水罐内的水样；2)系统的安装将生物堵塞模拟装置、自动搅拌装置、循环供水装置、自动压力采集装置连接完成；生物堵塞模拟装置中的每个生物堵塞模拟单体内均采用湿法装填进介质；3)系统的启动启动自动搅拌装置，自动搅拌时间与频率设定为每6小时搅拌10分钟，搅拌轴转速设定为lOOr/min ;当搅拌完成后，启动循环供水装置，通过蠕动泵给第一柱体进行供水；打开计算机以及压力采集控制器开关，设定压力采集的频率为每2小时采集一次压力值，通过计算机传输线将压力值传输给计算机；4)试验运行与取样监测生物膜的生长阶段分为成膜阶段、膜生长阶段和稳定阶段，在这三个阶段通过求取生物堵塞模拟单体内多孔介质的渗透系数、弥散度来反应多孔介质的水力特性；通过CT扫描和破坏性试验获得生物膜的空间结构、生物膜的干重、微生物群落结构和微生物的种类和数量，以此来反应生物膜的生长特性，对多孔介质堵塞水平进行评估分析。所述步骤I)中，储水罐内的水样为在储水罐内加入微生物制剂、微生物生长所需的营养物质以及附有生物膜的河沙。上述一种采用多孔介质生物堵塞模拟测试装置及模拟测试方法进行模拟测试后的堵塞取样评估方法，其包括以下步骤1)连接完成多孔介质生物堵塞模拟测试装置，设置多套该装置，并进行多组重复试验；试验中通过循环供水装置向生物堵塞模拟装置中的各生物堵塞模拟单体内循环供水；在此过程中，间隔一定时间通过自动搅拌装置将储水罐内的水搅拌均匀；将水体内部的营养物质在水流的带动作用下供给各生物堵塞模拟单体内的多孔介质内微生物的生长繁殖需要；2)渗透系数和多孔介质相对孔隙度启动自动压力采集装置，第一柱体上的进水压力传感器和第二柱体上的出水压力传感器采集多孔介质下方 进水和上方出水的压力信号，并传输给自动压力采集装置并转化为压力值，最后传送给计算机；对压力数据的采集在成膜阶段采集较频繁，设定为每2小时采集一次，之后可减少采集次数，设定为每12小时采集一次；多孔介质的渗透系数反应了生物堵塞模拟单体内部的导水能力，根据达西定律可得渗透系数为K = lJiH1- H2)(I)其中，L为第一柱体内多孔介质的填装高度，Q为第二柱体顶部出水口的出流量，
S为第一柱体和第二柱体的横截面积，H1为第一柱体下部进水压力传感器采集的渗透压，H2
为第二柱体顶部出水压力传感器采集的渗透压；多孔介质渗透系数的改变是由孔隙度的改
变直接导致的，总孔隙度Θ由动孔隙度θπ和生物质定孔隙度ΘΜ。构成，动孔隙度θπ*:
phx0m = 0- Obkj = θ----(2)
P,其中θ=πΛ2/ —子(J)
tb式中，X是生物质浓度，Pb是多孔介质的密度，Px是生物质的密度，R是第一柱体和第二柱体的的内径，H是填装多孔介质的高度，m是填装的多孔介质的干重；相对移动孔隙度β可以按下式计算P = —4
Θ渗透系数和多孔介质相对孔隙度的分析为随着多孔介质堵塞程度的加剧，渗透系数逐渐变�。喽钥紫抖戎鸾ケ湫。徊捎猛诔倩铮畛渖笆龃笊赶凳拖喽钥紫抖龋约岸曰毓嗨式性ご恚跎倏帕Ｎ锖浚�3)弥散度在试验运行过程中，每15天监测一次弥散系数，监测方法是从各组试验中选取一个生物堵塞模拟单体，拆下其供、排水管和传感器，用O. lmol/L的NaCl做穿透试验，用自动部分收集器收集NaCl出流液，用便携式电导率仪测定NaCl出流液的电导率e ;在他(1穿透试验末期，将NaCl溶液换成去离子水溶液，对生物堵塞模拟单体供水6个小时后，将生物堵塞模拟单体组装回原系统；获得NaCl电导率与其浓度的标准曲线的关系系数Oc，通过关系系数Oc和NaC1出流溶液的电导率e求出NaCl出流液的浓度值C，通过分析NaCl出流液浓度的变化规律，以反映不同堵塞程度下弥散度的变化；NaCl出流液浓度值c的求解公式如下C= c^c · e (5)式中e是NaCl出流液的电导率；c是似(1出流液的浓度；~是似(1浓度与电导率的标准曲线的关系系数；弥散度的分析为随着多孔介质堵塞程度的加剧，微生物数量增多，增加了更多的溶质附着和运移点，使弥散度增加；通过弥散度的数据变化规律，反应介质堵塞的程度和规律；4) CT扫描生物膜的生长阶段分为成膜阶段、膜生长阶段和稳定阶段，从各组试验的三个阶段各选取一个生物堵塞模拟单体，将生物堵塞模拟单体与所连接的水管、传感器装置断开，泄空生物堵塞模拟单体内的水分；将O. lg/ml的碘化钾溶液用注射器注入生物堵塞模拟单体内，让多孔介质在碘化钾溶液中浸泡10分钟后，排出多余碘化钾溶液，并将生物堵塞模拟单体在50°C条件下烘6小时，除去生物堵塞模拟单体中多余 的水分；然后，利用工业CT层析扫描技术对生物堵塞模拟单体进行逐层扫描，获得试样断层扫描灰度图像；待检测的生物堵塞模拟单体断层扫描完成后，应组装回原系统继续同其他待检测的生物堵塞模拟单体一起运行；采用MMICS软件分析灰度图像，得出试样的固体基质断面图及多孔介质基质边界及生物膜的三维重构图；CT层析扫描的分析为生物膜附生于多孔介质表面，占据多孔介质孔隙空间，直接影响多孔介质孔隙度的大�。煌ü远喜闵杌叶韧枷竦姆治觯贸鍪匝锬さ目占浣峁雇迹⒎治黾扑愠銎矫娑喜闵仙锬さ拿婊捅缺砻婊圆煌喜慊叶韧枷裰毓沟玫缴锬さ奶寤煌ü陨锬た占浣峁沟墓鄄庥敕治觯惫鄯从扯嗫捉橹噬锒氯某潭龋簧锬さ奶寤酱螅砻魑⑸镎季萘嗽蕉嗟目紫短寤紫短寤跣〗苯拥贾露氯潭燃又兀�5)破坏性试验对生物膜的干重与无机组分的测试，是在试验运行过程中每5天从各组试验中选择一个生物堵塞模拟单体，进行破坏性取样；将生物堵塞模拟单体分为3 5个不同断面，取不同断面处的多孔介质各20g，装进I号自封袋内，加入适量去离子水，放在超声波清洗器中，40Hz条件下超声振荡20分钟，将上层浑浊液转入IOmL取样瓶中，将提取出的各个生物膜进行下述不同操作
(I)对提取出的生物膜干重采用烘干法进行测量将提取后的生物膜放于60°C下烘干，用精确到O. OOOlg的电子天平分别测量其重量；然后将取样瓶洗干净后烘干，再称重，前后重量相减即为生物膜的干重；将烘干后的固体生物膜研磨均匀，放在D8-AdvanceX射线衍射仪的操作平台上进行扫描，得到多晶衍射图谱；将所得图谱用X射线衍射仪配套的Topas软件进行分析，确定组成的物相，并进行定量分析得出生物膜的无机组分；(2)将提取到的生物膜平均分成两份，一份用磷脂脂肪酸法测定生物膜中微生物的群落结构；一份用变性梯度凝胶测试法测定生物膜中微生物的种类和数量；破坏性试验的分析为生物膜干重随着生物堵塞程度的增长而增长，表明形成了更多的附着生物膜；生物膜的无机组分、微生物群落结构以及种类和数量由试验初期的单一性变为试验后期的多样化，说明微生物能够吸收和利用水源中的营养物质促进自身的生长、丰富生物膜的群落结构、增加微生物的种类和数量；微生物群落结构以及种类和数量是适应多孔介质环境并大量生长繁殖的表现，反映了介质的环境特征；针对生物膜的特征，采取水质预处理减少水体中微生物的数量和微生物的营养物质、颗粒物含量，抑制介质中微生物的生长和繁殖，减少生物膜的形成，减缓堵塞的发生。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明包括生物堵塞模拟装置、循环供水装置、自动搅拌装置、自动压力采集装置，通过生物堵塞模拟装置能够模拟多孔介质生物堵塞现�。ü饭┧爸每梢月闵锒氯Ｄ庾爸玫淖远μ跫ü远涟枳爸每梢越粱镒远傩。煌ü远沽Σ杉爸每梢宰远杉锒氯Ｄ庾爸弥卸嗫捉橹实难沽Γ虼耍痉⒚髂芄徽媸捣从扯嗫捉橹手猩锒氯姆⑸纯觯也僮鞴碳虻タ煽�。2、本发明基于多孔介质的水力特性(渗透系数、弥散度等)和生物膜特性(生物膜空间结构、微生物种类与数量、微生物群落结构等)，通过考虑不同环境因子、不同工况等条件相互影响的多孔介质系统生物堵塞的状态，提出了生物堵塞的取样与测试分析方法；且形成从渗透系数、弥散度、相对孔隙度三个特征参数对多孔介质堵塞状态及其对水流、污染物运移的影响效应进行分析的方法，最后，提出了多孔介质生物堵塞状态的综合评价方法，因此，能够为分析评价多孔介质堵塞状况提供理论依据。3、本发明的生物堵塞模拟装置包括进水口、多孔介质、出水口，液体通过进水口进入第一柱体进水室，进水室内的液体以一定的压力供给向上运移穿过多孔介质，由上部出水口排出；液体中所含的颗粒物可以吸附阻塞在介质表面，微生物可以在介质和颗粒物表面附着生长形成生物膜，生物膜可以进一步吸收利用液体中的营养物质，促进生物膜的生长，形成多孔介质的生物堵塞；生物堵塞模拟装置符合多孔介质生物堵塞状况模拟的要求，能够真实反映多孔介质中生物堵塞的发生状况。4、本发明的自动压力采集装置包括压力采集控制器，压力采集控制器的输入端通过若干进水传感器传输线分别对应连接各第一柱体上的进水压力传感器，通过若干出水传感器传输线分别对应连接各第二柱体上的出水压力传感器；试验启动后，进水压力传感器和出水压力传感器通过采集压力传感器接口水平面处的压力值，获得不同时间点上的压力值，然后分别对应通过进水传感器传输线和出水传感器传输线将压力值传输给压力采集控制器，并进一步通过计算机传输线，将压力数据传送给计算机，因此，可以实现自动获得压力参数，方便采集多孔介质内部压力大�。扑闵赶凳任锢聿问�。5、本发明的自动搅拌装置包括设置在储水罐顶部的电动机，电动机连接一搅拌轴，搅拌轴插入储水罐内，沿搅拌轴上下间隔设置有两组搅拌叶片；电动机带动搅拌轴转动，从而使储水罐中的水搅拌均匀，使储水罐中的沉降颗粒物再悬�。行Ы饩隽丝帕Ｎ锊痪瘸两档任侍猓沟貌馐跃群托氏灾嵘�6、本发明基于高频率、长期的观测试验，提出了适宜描述介质堵塞的参数测试频率，并建立了堵塞物质-生物膜物理、化学、生物组分及生物膜结构特征的取样测试分析方法；因此，可以从多孔介质的水力特性与生物膜的特性等不同层面进行分析，系统全面的反映堵塞的状态和程度。7、本发明提出多孔介质的水力特性指标一渗透系数、相对孔隙度和生物膜的特性指标一生物膜的空间结构是评价多孔介质生物堵塞程度的有效参数，建立了多孔介质生物堵塞的综合评价体系，为多孔介质生物堵塞状况评价提供理论依据。本发明可广泛用于测试多工况条件下河湖渗滤介质、地下水回灌介质等多孔介质中堵塞-渗流-微生物过程耦合的多孔介质生物堵塞。
图I是本发明整体结构示意图 图2是本发明生物堵塞模拟装置示意图
图3是本发明生物堵塞模拟装置剖视示意4是本发明自动搅拌装置示意5是本发明自动搅拌装置细部示意6是本发明转接头细部示意7是本发明总体分析流程示意8是采用本发明获得的生物膜的空间结构示意图；其中，图(a)是固体基质断面图；图(13)是生物膜的空间结构图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。 本发明装置的结构如图I所示，本发明测试装置包括生物堵塞模拟装置10、循环供水装置20、自动搅拌装置30、自动压力采集装置40 ；如图I、图2、图3所示，本发明的生物堵塞模拟装置10包括若干并排排列的生物堵塞模拟单体101，各生物堵塞模拟单体101的结构相同，现以其中一个为例进行详细说明。生物堵塞模拟单体101包括第一柱体102和第二柱体103。第一柱体102中空、顶部开口，底部密封，第一柱体102的底部设置有底座，底座可以是底部法兰盘104，主要用于固定和支撑第一柱体102。第一柱体102的顶部设置有顶部法兰盘105，第一柱体102的下部侧壁上设置有进水口 106，进水口 106上方设置有进水压力传感器安装口 107，进水压力传感器安装口 107连接进水压力传感器108。第一柱体102内、进水压力传感器安装口 107上方设置有第一透水板109，第一透水板109上间隔设置有若干透水孔110。第二柱体103中空、顶部和底部均开口，第二柱体103的底部设置有下部法兰盘111，第二柱体103的下部法兰盘111和第一柱体102上的顶部法兰盘105连接，且在下部法兰盘111和顶部法兰盘105之间设置有密封垫112 ;顶部法兰盘105和下部法兰盘111的连接处设置有第二透水板113，第二透水板113将第一柱体102内部和第二柱体103内部隔开，第二透水板113上间隔设置有若干透水孔114，第二柱体103下部的侧壁上设置有出水压力传感器安装口 115，出水压力传感器安装口 115连接出水压力传感器116，出水压力传感器安装口 115的上方设置有出水口 117。第一柱体102内的第一透水板109和第二透水板113之间用于填充多孔介质50。如图I所示，本发明的循环供水装置20包括储水罐201，储水罐201内插设有若干条蠕动泵水管202，各蠕动泵水管202的另一端连接位于储水罐201外部的蠕动泵203的输入端，蠕动泵203的输出管分别通过一转接头204对应连接若干条第一柱体供水管205，各第一柱体供水管205的输出端分别对应连接各第一柱体102上的进水口 106。各第二柱体103顶部的出水口 117分别连接一出水支管206、各出水支管206的输出端连接同一出水干管207，出水干管207的输出端连接回储水罐201内。蠕动泵203通过蠕动泵传输线208连接电源60。在蠕动泵203的动力作用下，储水罐201中的水沿着蠕动泵水管202进入蠕动泵203，然后经过蠕动泵203的输出管、转接头204的流道转换进入第一柱体供水管205，供给第一柱体102，水流由下而上穿过第一柱体102和第二柱体103，然后流入出水支管206，最终出水支管206内的水流汇流进出水干管207，进而回流进储水罐201，完成水流的实时循环。如图4所示，转接头204包括水流入口 209和水流出口 210 ;转接头204的水流入口 209与蠕动泵203的输出管连接，水流出口 210与第一柱体供水管205连接。因为第一柱体102上的进水口 106直径不易过�。涠�203上的输出管直径是一定的，经过转接头204的连接作用，使经过蠕动泵203加压作用的水流从蠕动泵203的输出管经过转接头204的流道转换流入第一柱体供水管205，实现向第一柱体102供水的作用。如图I、图5、图6所示，本发明的自动搅拌装置30包括设置在储水罐201顶部的电动机托板301，电动机托板301上设置有电动机302，电动机302的输出端连接一搅拌轴303，搅拌轴303插入储水罐201内，沿搅拌轴303上下间隔设置有两组搅拌叶片304。电动机302上设置有电动机手动控制按钮305，电动机302通过电动机传输线306连接时间控制器307，时间控制器307通过时间控制器传输线308连接电源60。电流经过时间控制器传输线308传输给时间控制器307，时间控制器307可以通过设置时间步长，控制电动机302的工作时间，当不需要供水时，时间控制器307通过内部电磁继电器断开与电源60的连接，当需要供水时，时间控制器307通过内部电磁继电器接通电源60，电流通过电动机传输线 306传输给电动机302，使电动机302工作，进而带动搅拌轴303 —起转动，搅拌轴303上设置有两组搅拌叶片304，通过搅拌叶片304的转动，从而使储水罐201中的水搅拌均匀，使储水罐201中的沉降颗粒物再悬浮。如图I所示，自动压力采集装置40包括压力采集控制器401，压力采集控制器401的输入端通过若干进水传感器传输线402分别对应连接各第一柱体102上的进水压力传感器108，通过若干出水传感器传输线403分别对应连接各第二柱体103上的出水压力传感器116。压力采集控制器401的输出端通过计算机传输线404连接计算机405。试验启动后，进水压力传感器108和出水压力传感器116通过采集压力传感器接口水平面处的压力值(由于同一容器中，等水平面处压力值相同)，获得不同时间点上的压力值，然后分别对应通过进水传感器传输线402和出水传感器传输线403将压力值传输给压力采集控制器401，并进一步通过计算机传输线404，将压力数据传送给计算机405，实现自动获得压力参数，方便采集多孔介质内部压力大�。扑闵赶凳任锢聿问�。本发明生物堵塞模拟单体101的具体设置方法在第一柱体102内、进水口 106和进水压力传感器安装口 107的上方接近中部的位置设置第一透水板109 ;将预处理过的介质50用湿法装填进第一透水板109上方的第一柱体102内，第一透水板109下方的第一柱体102内通入渗滤液；通过第一透水板109可以防止介质颗粒进入第一柱体102渗滤液内。当介质填装完成后，在介质上设置第二透水板113 ;在第一柱体102上的顶部法兰盘105上放置密封垫112，然后通过螺栓将第二柱体103的下部法兰盘111和第一柱体102上的顶部法兰盘105连接。上述实施例中，湿法装填具体操作为在第一透水板109上方的第一柱体102内先输入少量蒸馏水(高约1cm)，加入少量多孔介质的同时不断搅拌去除气泡，但石英砂不要超过水面高度，略微压实后再加水，水面高出固体约Icm后再加多孔介质，重复上一过程直至第一柱体102完全装满并确保装置完全饱和。本发明模拟测试装置的模拟测试方法及评价分析方法基于以下思想为研究再生水回用河湖渗滤系统过程中，渗滤系统发生生物堵塞的程度及介质表面附生生物膜的生长规律，针对不同粒径的渗滤介质、不同环境因子条件下，利用多孔介质生物堵塞模拟装置，通过对生物膜的特性以及多孔介质水力特性进行模拟测试，并进行取样监测，检测分析多孔介质生物堵塞的机理，并对堵塞的程度进行评价分析，为再生水回灌河湖渗滤系统堵塞问题的解决提供理论依据。如图7所示，本发明模拟测试装置的模拟测试方法及评价分析方法包括以下步骤I、试验的设计本发明将三套本发明模拟测试装置作为一组试验，每套本发明模拟测试装置均包括6个生物堵塞模拟单体101和一台蠕动泵203。第一套模拟测试装置中的3个生物堵塞模拟单体101填充的介质为850 1000 μ m的石英砂，蠕动泵供水流速分别设定为O. 4mL/ min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3个生物堵塞模拟单体101内填充的是相同粒径的玻璃珠作为对照，螺动泵供水流速分别设定为O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min。第二套模拟测试装置中的3个生物堵塞模拟单体101填充的介质为450 500 μ m的石英砂，蠕动泵供水流速分别设定为O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3个生物堵塞模拟单体101内填充的是相同粒径的玻璃珠作为对照，螺动泵供水流速分别设定为O. 4mL/min、2. OmL/min、
10.OmL/min。第三套模拟测试装置中的3个生物堵塞模拟单体101填充的介质为120 150 μ m的石英砂，螺动泵供水流速分别设定为O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3个生物堵塞模拟单体101内填充的是相同粒径的玻璃珠作为对照，蠕动泵供水流速分别设定为 O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min。上述共设18组处理(三种流速，三种粒径的介质，两种介质)，每种处理设7个重复，每5天更换一次水样。储水罐201水样的制备方法为在储水罐内加入微生物制剂、微生物生长所需的营养物质以及附有生物膜的河沙。微生物制剂采用原生芽胞乳制剂，用量为16g/L ;微生物生长所需的营养物质为20g/L的氯化铵作为氮源，以及50g/L经煮沸锅的淀粉作为碳源，淀粉煮熟后便于微生物吸收利用。河沙具体培养步骤如下取沉淀后的再生水，作为培养液的原液，之后取粒径325目 360目(即O. 043 O. 040mm)的河沙放入锥形瓶中作为微生物生长的载体，浓度约为120g/L，培养48小时，加入微生物制剂(芽孢杆菌)和营养物质(包括碳源、氮源)，最后将培养好的河沙转入储水罐内，稀释后河沙浓度为6g/L。2、系统的安装(I)生物堵塞模拟装置10 :在第一柱体102内第一透水板109顶部放一层孔眼O. 45mm (40 50目)的尼龙网作为过滤层，防止介质颗粒进入第一柱体102底部的渗滤液内。再将预处理过的介质50用湿法装填进第一柱体102内，当介质填装完成后，在介质上放置一层O. 45mm (40 50目)的尼龙网作为过滤层，然后设置第二透水板113。在第一柱体102上的顶部法兰盘105上放置密封垫112，然后通过螺栓将第二柱体103的下部法兰盘111和第一柱体102上的顶部法兰盘105连接。然后将进水口 106与第一柱体供水管205相连，出水口 117与出水支管206相连。出水压力传感器安装口 115连接出水压力传感器116。进水压力传感器安装口 107连接进水压力传感器108。(2)自动搅拌装置30 :将电动机302固定在电动机托板301上，将搅拌轴303安装在电动机上，电动机传输线306与时间控制器307相连，时间控制器传输线308连接电源60。(3)循环供水装置20 :将蠕动泵水管202安装在蠕动泵203上，另一端放在储水罐201中，蠕动泵203的输出管分别通过一转接头204对应连接若干条第一柱体供水管205 ；各出水支管206的输出端连接同一出水干管207，出水干管207另一端放置在储水罐201中。(4)自动压力采集装置40 :压力采集控制器401的输入端通过若干进水传感器传输线402分别对应连接各第一柱体102上的进水压力传感器108，通过若干出水传感器传输线403分别对应连接各第二柱体103上的出水压力传感器116，压力采集控制器401的输出端通过计算机传输线404连接计算机405。 3、系统的启动在试验启动前，先通入去离子水对装置稳定性进行调试，检查是否漏水；调试完成后将培养好的微生物培养基放入盛有再生水的储水罐201中，启动自动搅拌装置30 ;自动 搅拌时间与频率设定为每6小时搅拌10分钟，搅拌轴303转速设定为100r/min。当搅拌完成后，启动循环供水装置20,通过螺动泵203给第一柱体102进行供水。打开计算机405以及压力采集控制器401开关，设定压力采集的频率为每2小时采集一次压力值，通过计算机传输线404将压力值传输给计算机405，实现自动读数计数的功能。4、试验运行与取样监测为表征实测例试验效果，主要通过渗透系数、弥散度等参数来反应的多孔介质水力特性，通过生物膜的空间结构、生物膜的干重、微生物群落结构和微生物的种类和数量来反应生物膜的生长特性。I)用自动压力采集装置40采集多孔介质下方进水口和上方出水口的压力值H1和H2，通过达西定律公式可分别计算出不同运行时段的渗透系数，压力传感器采集时间频率为每2小时采集一次，可得出系统运行时间内渗透系数的值，通过作渗透系数曲线图观察渗透系数的变化规律。2)在试验初期及运行过程中，每15天取各处理的生物堵塞模拟单体101 —个，用
O.lmol/L的NaCl做穿透试验，用自动部分收集器收集出流液，用电导率仪测出流液的电导率，换算成NaCl的浓度作成穿透曲线，以反映不同堵塞程度下弥散度的变化。3)在生物膜的成膜阶段、膜生长阶段和稳定阶段，用工业CT层析扫描法进行一次生物膜的空间结构监测。方法是从每种处理中各取一个生物堵塞模拟单体101，将生物堵塞模拟单体101与所连接的水管、传感器装置断开，泄空生物堵塞模拟单体101内的水分，用碘化钾染色剂对多孔介质内的生物膜进行染色，然后将生物堵塞模拟单体101在50°C条件下烘6小时，除去生物堵塞模拟单体101中多余的水分。最后，将生物堵塞模拟单体101利用工业CT进行逐层扫描，得到试样断层扫描灰度图像。采用MMICS软件分析灰度图像，得出试样的固体基质断面图及多孔介质基质边界及生物膜的三维重构图(如图8所示)。4)对生物膜的提取是每隔5天对每种处理的一个生物堵塞模拟单体101进行破坏性取样。在所有处理类型的生物堵塞模拟单体101底部5cm处取20mL介质和生物膜的混合物，放入I号自封袋内，加入适量去离子水，放在超声波清洗器中进行40Hz超声振荡20分钟，将上层浑浊液转入IOmL取样瓶中，待测。将提取后的生物膜放于60°C下烘干，用高精度的电子天平(精确到O. OOOlg)分别测量其重量。然后将取样瓶洗干净后烘干，再称重，前后重量相减即为生物膜的干重。将固体生物膜研磨均匀，放在D8_AdvanceX射线衍射仪的操作平台上进行扫描，得到多晶衍射图谱。扫描过程基本试验条件电压40kV，电流40mA，Cu靶，波长λ =1. 5406Α。将所得图谱用X射线衍射仪配套的Topas软件进行分析，确定组成的物相，并进行定量分析得出生物膜的无机组分。将提取的生物膜脱落到去离子水中，分别进行微生物磷脂脂肪酸法(PLFA)法的提取、纯化、甲酯、质谱测定、生物量评估，得出微生物的群落结构。微生物种类和数量的分析采用变性梯度凝胶PCR-DGGE法进行测定。总体来说，本实测例运用多种监测手段，围绕反映生物堵塞程度的多个指标包括多孔介质的弥散度、渗透系数，生物膜的空间结构及其组分等，研究了在再生水回用条件下不同介质粒径、不同环境因子条件下堵塞发生的过程与程度，提出了多孔介质生物堵塞模拟试验适宜的采用频率和评价方法，为再生水回灌河湖渗滤系统堵塞问题的解决提供行之
有效的装置与方法。本发明装置的取样与评估分析方法具体如下由于渗透系数、弥散度是表征多孔介质系统水力特性的重要指标；生物膜的空间结构、生物膜中微生物的群落结构及微生物的种类和数量是表征多孔介质中生物膜特性的基本指标。因此，本发明采用多孔介质的渗透系数、弥散度、相对孔隙度以及生物膜的空间结构、生物膜中微生物的群落结构及微生物的种类和数量对多孔介质堵塞水平进行评估分析。本发明可以设置多个装置，多组试验同时进行。I、渗透系数和多孔介质相对孔隙度本发明装置连接完成后，通过循环供水装置20向生物堵塞模拟装置10中的各生物堵塞模拟单体101内循环供水；在此过程中，间隔一定时间通过自动搅拌装置30将储水罐201内的水搅拌均匀；将水体内部的营养物质在水流的带动作用下供给各生物堵塞模拟单体101内的多孔介质内微生物的生长繁殖需要。启动自动压力采集装置40，第一柱体102上的进水压力传感器108和第二柱体103上的出水压力传感器116采集多孔介质下方进水和上方出水的压力信号，并分别对应通过进水传感器传输线402和出水传感器传输线403传输给自动压力采集装置40并转化为压力值，最后通过计算机传输线404传送给计算机405，在计算机中显示读数。压力值的采集可以通过设定自动压力采集装置40来控制压力值的采集步长。对压力数据的采集在试验初期15天采集较频繁，设定为每2小时采集一次，之后可减少采集次数，设定为每12小时采集一次。多孔介质的渗透系数反应了生物堵塞模拟单体101内部的导水能力，根据达西定律可得渗透系数为K = Y(H1-H2)I /其中，L为第一柱体102内多孔介质的填装高度，Q为第二柱体103顶部出水口 117的出流量，S为第一柱体和第二柱体的横截面积，H1为第一柱体102下部进水压力传感器108采集的渗透压，H2为第二柱体103顶部出水压力传感器116采集的渗透压。多孔介质渗透系数的改变是由孔隙度的改变直接导致的，因此由相对渗透系数可以推导出第一柱体102内孔隙度的变化，总孔隙度Θ由动孔隙度θπ和生物质定孔隙度ΘΜ。构成，生物量的增长会影响生物质定孔隙度ΘΜ。，所以，在任何时刻动孔隙度θπ可以按下式计算
其中
权利要求
1.一种多孔介质生物堵塞模拟测试装置，其特征在于它包括生物堵塞模拟装置、循环供水装置、搅拌装置和压力采集装置； 所述生物堵塞模拟装置包括若干生物堵塞模拟单体，所述生物堵塞模拟单体包括第一柱体和第二柱体；所述第一柱体中空、顶部开口，底部密封,所述第二柱体中空、顶部和底部均开口，所述第二柱体的底部与所述第一柱体的顶部通过法兰盘连接；所述第一柱体的下部侧壁上设置有进水口，所述进水口上方设置有连接进水压力传感器的安装口 ；所述第一柱体内、所述安装口的上方设置有第一透水板，所述第一透水板上间隔设置有若干透水孔；所述第一柱体和第二柱体的连接处设置有第二透水板，所述第二透水板上间隔设置有若干透水孔，所述第二柱体的下部侧壁上设置有连接出水压力传感器的安装口，该所述安装口的上方设置有出水口 ；所述第一透水板和第二透水板之间用于填充多孔介质； 所述循环供水装置包括储水罐，所述储水罐内通过管路连接位于所述储水罐外部的蠕动泵的输入端，所述蠕动泵的输出端通过管路连接各所述第一柱体上的进水口 ；各所述第二柱体顶部的出水口通过管路连接回所述储水罐内； 所述搅拌装置包括设置在所述储水罐顶部的电动机，所述电动机的输出端连接一搅拌 轴，所述搅拌轴插入所述储水罐内，所述搅拌轴上设置有搅拌叶片； 所述压力采集装置包括压力采集控制器，所述压力采集控制器的输入端电连接各所述第一柱体上的进水压力传感器和各所述第二柱体上的出水压力传感器；所述压力采集控制器的输出端电连接计算机。
2.如权利要求I所述的一种多孔介质生物堵塞模拟测试装置，其特征在于所述储水罐内插设有若干条蠕动泵水管，各所述蠕动泵水管的另一端连接位于所述储水罐外部的所述蠕动泵的输入端，所述蠕动泵的输出管分别通过一转接头对应连接若干条第一柱体供水管，各所述第一柱体供水管的输出端分别对应连接各所述第一柱体上的进水口 ；各所述第二柱体顶部的出水口分别连接一出水支管、各所述出水支管的输出端连接同一出水干管，所述出水干管的输出端连接回所述储水罐内。
3.如权利要求I或2所述的一种多孔介质生物堵塞模拟测试装置，其特征在于所述第一透水板和第二透水板之间采用湿法装填多孔介质；湿法装填的具体操作为在所述第一透水板上方的第一柱体内先输入少量蒸馏水，加入少量多孔介质的同时不断搅拌去除气泡，多孔介质不要超过水面高度，压实后再加水，水面高出固体约Icm后再加多孔介质，重复上一过程直至所述第一柱体内装满。
4.如权利要求I或2所述的一种多孔介质生物堵塞模拟测试装置，其特征在于所述电动机电连接时间控制器。
5.如权利要求3所述的一种多孔介质生物堵塞模拟测试装置，其特征在于所述电动机电连接时间控制器。
6.—种如权利要求I 5任一项所述多孔介质生物堵塞模拟测试装置的模拟测试方法，其包括以下步骤 I)试验的设计将三套模拟测试装置作为一组试验，每套模拟测试装置均包括6个生物堵塞模拟单体；第一套模拟测试装置中的3个生物堵塞模拟单体填充的介质为850 ,1000 μ m的石英砂，供水流速分别设定为O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3个生物堵塞模拟单体内填充的是相同粒径的玻璃珠作为对照，供水流速分别设定为O. 4mL/min、.2. OmL/min、10. OmL/min ;第二套模拟测试装置中的3个生物堵塞模拟单体填充的介质为.450 500 μ m的石英砂，供水流速分别设定为O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;另外3个生物堵塞模拟单体内填充的是相同粒径的玻璃珠作为对照，供水流速分别设定为O. 4mL/min、2. 0mL/min、10. OmL/min ;第三套模拟测试装置中的3个生物堵塞模拟单体填充的介质为120 150 μ m的石英砂，供水流速分别设定为O. 4mL/min、2. 0mL/min、10. OmL/min ；另外3个生物堵塞模拟单体内填充的是相同粒径的玻璃珠作为对照，供水流速分别设定为O. 4mL/min、2. OmL/min、10. OmL/min ;上述18组处理,每种处理设7个重复,每5天更换一次储水罐内的水样； 2)系统的安装将生物堵塞模拟装置、自动搅拌装置、循环供水装置、自动压力采集装置连接完成；生物堵塞模拟装置中的每个生物堵塞模拟单体内均采用湿法装填进介质； 3)系统的启动启动自动搅拌装置，自动搅拌时间与频率设定为每6小时搅拌10分钟，搅拌轴转速设定为lOOr/min ;当搅拌完成后，启动循环供水装置，通过蠕动泵给第一柱体进行供水；打开计算机以及压力采集控制器开关，设定压力采集的频率为每2小时采集一次压力值，通过计算机传输线将压力值传输给计算机； 4)试验运行与取样监测生物膜的生长阶段分为成膜阶段、膜生长阶段和稳定阶段，在这三个阶段通过求取生物堵塞模拟单体内多孔介质的渗透系数、弥散度来反应多孔介质的水力特性；通过CT扫描和破坏性试验获得生物膜的空间结构、生物膜的干重、微生物群落结构和微生物的种类和数量，以此来反应生物膜的生长特性，对多孔介质堵塞水平进行评估分析。
7.如权利要求6所述的一种多孔介质生物堵塞模拟测试装置的模拟测试方法，其特征在于所述步骤I)中，储水罐内的水样为在储水罐内加入微生物制剂、微生物生长所需的营养物质以及附有生物膜的河沙。
8.一种采用如权利要求I 7任一项所述多孔介质生物堵塞模拟测试装置及模拟测试方法进行模拟测试后的堵塞取样评估方法，其包括以下步骤 1)连接完成多孔介质生物堵塞模拟测试装置，设置多套该装置，并进行多组重复试验；试验中通过循环供水装置向生物堵塞模拟装置中的各生物堵塞模拟单体内循环供水；在此过程中，间隔一定时间通过自动搅拌装置将储水罐内的水搅拌均匀；将水体内部的营养物质在水流的带动作用下供给各生物堵塞模拟单体内的多孔介质内微生物的生长繁殖需要； 2)渗透系数和多孔介质相对孔隙度启动自动压力采集装置，第一柱体上的进水压力传感器和第二柱体上的出水压力传感器采集多孔介质下方进水和上方出水的压力信号，并传输给自动压力采集装置并转化为压力值，最后传送给计算机；对压力数据的采集在成膜阶段采集较频繁，设定为每2小时采集一次，之后可减少采集次数，设定为每12小时采集一次； 多孔介质的渗透系数反应了生物堵塞模拟单体内部的导水能力，根据达西定律可得渗透系数K为 K = ^(H1-H2)(I) 其中，L为第一柱体内多孔介质的填装高度，Q为第二柱体顶部出水口的出流量，S为第一柱体和第二柱体的横截面积，H1为第一柱体下部进水压力传感器采集的渗透压，H2为第二柱体顶部出水压力传感器采集的渗透压； 多孔介质渗透系数的改变是由孔隙度的改变直接导致的，总孔隙度Θ由动孔隙度θπ和生物质定孔隙度ΘΜ。构成，动孔隙度0ms:
全文摘要
本发明涉及一种多孔介质生物堵塞模拟测试装置及模拟测试评估方法，其特征在于生物堵塞模拟装置包括若干生物堵塞模拟单体，生物堵塞模拟单体包括第一柱体和第二柱体；第一柱体上设置有进水口和进水压力传感器；第一柱体内设置有第一透水板；第一柱体和第二柱体的连接处设置有第二透水板，第二柱体上设置有出水压力传感器和出水口；循环供水装置包括储水罐，储水罐内通过管路连接蠕动泵，蠕动泵通过管路连接各第一柱体上的进水口；各第二柱体的出水口通过管路连接回储水罐内；搅拌装置包括设置在储水罐顶部的电动机，电动机的输出端连接一插入储水罐内的搅拌轴，搅拌轴上设置有搅拌叶片；压力采集装置包括压力采集控制器，压力采集控制器的输入端连接各进水压力传感器和各出水压力传感器，输出端连接计算机。
文档编号G01N15/08GK102866093SQ20121032428
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者李云开, 郎琪, 樊晓璇, 施泽, 唐洋博 申请人:中国农业大学
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