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      循環(huán)水平剪切流條件下的微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法與流程

      文檔序號:11613147閱讀:418來源:國知局
      循環(huán)水平剪切流條件下的微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法與流程

      本發(fā)明屬于微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù),具體的涉及一種用于動水中藻類聚集模擬實(shí)驗(yàn)的循環(huán)水平剪切流條件下的微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。



      背景技術(shù):

      水華(algalblooms)指淡水水體中藻類大量繁殖的一種自然生態(tài)現(xiàn)象,是水體富營養(yǎng)化的一種特征,主要由于生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中含有大量氮、磷的廢污水進(jìn)入水體后,藍(lán)藻、綠藻、硅藻等大量繁殖后使水體呈現(xiàn)藍(lán)色或綠色的一種現(xiàn)象。近年來,我國很多地區(qū),例如太湖、滇池、巢湖、洪澤湖、三峽庫區(qū)的支流,都爆發(fā)了大規(guī)模、高強(qiáng)度的“水華”現(xiàn)象?!八A”作為一種生態(tài)災(zāi)害,對公眾健康與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了諸多危害,包括威脅居民的飲用水安全,增加水質(zhì)處理成本;釋放生物毒素,通過食物鏈引發(fā)魚類、動物以及公眾的多級中毒;大量消耗溶解氧,使魚、蝦等水生物缺氧死亡,破壞水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè);散發(fā)惡臭,損害旅游、觀光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?!八A”已成為我國當(dāng)前以及今后很長一段時期所關(guān)注的重大水環(huán)境問題,是國家水污染控制與治理的重點(diǎn)關(guān)注問題。

      藻類聚集的水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置是研究湖泊、水庫、河道等環(huán)境水體中“水華”生消演變過程的重要硬件平臺,對明確“水華”形成的水動力機(jī)理,建立高效的“水華”預(yù)防、控制與治理措施具有重要意義,是水利、環(huán)境、生態(tài)等科研機(jī)構(gòu)一直關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)前模擬藻類聚集的實(shí)驗(yàn)裝置主要用于反映溫度、光照、營養(yǎng)鹽對水華的影響,僅適用于靜水這種理想的水動力條件。然而,實(shí)際情況中發(fā)生“水華”的水動力條件多為動水條件,比如湖、庫、灣的風(fēng)生流,庫區(qū)主流與支流溫差引起的異重流,河道的自然流動等。動水環(huán)境與靜水環(huán)境下的水流形態(tài)存在重要差異,主要體現(xiàn)在兩方面:一是動水條件下的水流多為湍流流態(tài),而靜水條件為非湍流流態(tài);二是動水條件下水流具有明顯的速度分布特征。現(xiàn)有的藻類聚集模擬實(shí)驗(yàn)裝置無法反映動水的特征物理量,比如時均速度梯度、湍動能、湍動耗散率,對藻類聚集的影響,進(jìn)而無法真實(shí)模擬動水環(huán)境中“水華”的形成過程與特征規(guī)律。因此,利用能模擬異重流條件的實(shí)驗(yàn)裝置,來研究藻類聚集規(guī)律,對理解動水條件下“水華”形成演變的水動力機(jī)理,構(gòu)建科學(xué)合理的“水華”預(yù)防、控制與治理措施具有重要意義,也是當(dāng)前環(huán)境與生態(tài)水力學(xué)領(lǐng)域研究亟待解決的關(guān)鍵問題。

      目前模擬剪切流的試驗(yàn)方法多采用較為復(fù)雜的裝置,例如長水槽抽離隔板式剪切流產(chǎn)生裝置,長水槽逆向供水式剪切流試驗(yàn)裝置,皮帶輪逆向運(yùn)動剪切流產(chǎn)生裝置等等。上述裝置作為垂向剪切流的試驗(yàn)裝置已在相關(guān)研究中得到廣泛應(yīng)用。這類裝置通常只能產(chǎn)生垂向剪切流,需要兩種密度不同的水體,裝置本身對試驗(yàn)水體造成擾動,水體穩(wěn)定性差,并且不利于長時間穩(wěn)定地循環(huán)運(yùn)行。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      本發(fā)明提供了一種方法簡單實(shí)用、能夠充分滿足實(shí)驗(yàn)條件的循環(huán)水平剪切流條件下的微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。其能夠?qū)崿F(xiàn)長時間循環(huán)運(yùn)行的水平剪切流水力學(xué)條件,裝置各機(jī)構(gòu)幾乎不對水體產(chǎn)生擾動,穩(wěn)定性好,并且不需要配置不同密度的水體,也不會在運(yùn)行過程中對水體中的微生物產(chǎn)生傷害。

      本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:

      一種循環(huán)水平剪切流條件下的微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法,其特征在于所述實(shí)驗(yàn)方法包括:

      采用一環(huán)形結(jié)構(gòu)的水槽,在所述水槽內(nèi)加入實(shí)驗(yàn)流體,通過驅(qū)動環(huán)形水槽的內(nèi)筒和外筒進(jìn)行逆方向的轉(zhuǎn)動,形成并改變水槽內(nèi)剪切流的流速和流態(tài)。

      具體實(shí)施方式中,所述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步包括:所述水槽的內(nèi)筒與外筒以同心圓結(jié)構(gòu)設(shè)置,水槽底部采用一底座作為內(nèi)筒和外筒的共同支撐,所述內(nèi)筒和外筒采用透明材料制成。

      一實(shí)施方式中,所述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步包括:所述底座上內(nèi)筒和外筒的對應(yīng)位置開槽并安裝有動水密封裝置,所述內(nèi)筒和外筒相對于底座在外力驅(qū)動下相反方向繞同心圓的圓心轉(zhuǎn)動。

      另一實(shí)施方式中,所述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步包括:在內(nèi)筒和外筒的下沿開設(shè)圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽,使內(nèi)筒和外筒在轉(zhuǎn)動時與動水密封裝置間緊密接觸形成密封。

      一實(shí)施方式中,所述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步包括:基于所述底座安裝兩驅(qū)動電機(jī),一驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動內(nèi)筒,另一驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動外筒。

      再一實(shí)施方式中,所述驅(qū)動電機(jī)通過支架架設(shè)固定,驅(qū)動電機(jī)通過導(dǎo)力板驅(qū)動連接所述內(nèi)筒和外筒。

      一實(shí)施方式中,所述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步包括:

      通過控制所述內(nèi)筒和外筒的轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行水槽內(nèi)剪切流的流速和流態(tài)的調(diào)整;將激光片源水平射入該環(huán)形水槽內(nèi),并使用ccd相機(jī)進(jìn)行測量和取像。

      本發(fā)明通過一種特制的實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生循環(huán)水平剪切流,該剪切流為環(huán)形水槽的中心環(huán)面產(chǎn)生的持續(xù)穩(wěn)定的剪切流,通過調(diào)節(jié)水槽內(nèi)外壁的轉(zhuǎn)動速度可改變環(huán)形水槽內(nèi)的剪切流的流速和流態(tài)。在進(jìn)行微生物水動力學(xué)時,在環(huán)形水槽內(nèi)加入實(shí)驗(yàn)流體及微生物,啟動驅(qū)動裝置對內(nèi)筒和外筒進(jìn)行轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制,即可逼真的模擬東水體的水體環(huán)境,達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果和數(shù)據(jù)。

      為了實(shí)現(xiàn)環(huán)形水槽內(nèi)水體在內(nèi)筒和外筒轉(zhuǎn)動下的防泄露效果,本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)方法采用了筒狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒和外筒,以及和內(nèi)筒、外筒進(jìn)行配合底部活動密封的底座。具體應(yīng)用中,內(nèi)筒和外筒可采用透明玻璃或玻璃鋼結(jié)構(gòu),底座采用鋼板制作,底座上開設(shè)有與內(nèi)筒和外筒相對應(yīng)的凹槽,在凹槽內(nèi)安裝有動水密封裝置,該動水密封裝置可采用高分子密封膠條。內(nèi)筒和外筒的下邊緣設(shè)計(jì)為弧形結(jié)構(gòu),以便于在轉(zhuǎn)動時降低與動水密封裝置件的摩擦力并緊密接觸形成水密封。內(nèi)筒和外筒采用同心圓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其的轉(zhuǎn)動可采用底座上安裝固定的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動,驅(qū)動電機(jī)通過支架進(jìn)行內(nèi)筒和外筒圓心位置的架設(shè)固定,兩個驅(qū)動電機(jī)分別與內(nèi)筒和外筒之間通過導(dǎo)力板進(jìn)行徑向方向的連接固定。

      本發(fā)明的有益效果在于,該循環(huán)水平剪切流條件下的微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法簡單實(shí)用,能夠充分滿足實(shí)驗(yàn)條件其能夠?qū)崿F(xiàn)長時間循環(huán)運(yùn)行的水平剪切流水力學(xué)條件,裝置各機(jī)構(gòu)幾乎不對水體產(chǎn)生擾動,穩(wěn)定性好,并且不需要配置不同密度的水體,也不會在運(yùn)行過程中對水體中的微生物產(chǎn)生傷害。

      下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。

      附圖說明

      圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式的一狀態(tài)模擬結(jié)構(gòu)示意圖;

      圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式中的一實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖;

      圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式中的一實(shí)驗(yàn)裝置的部分剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

      具體實(shí)施方式

      如圖1所示,該循環(huán)水平剪切流條件下的微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法系采用一環(huán)形結(jié)構(gòu)的水槽,在所述水槽內(nèi)加入實(shí)驗(yàn)流體,通過驅(qū)動環(huán)形水槽的內(nèi)筒20和外筒10進(jìn)行逆方向的轉(zhuǎn)動,形成并改變水槽內(nèi)剪切流的流速和流態(tài)。通過調(diào)節(jié)水槽內(nèi)外筒壁的轉(zhuǎn)動速度可改變環(huán)形水槽內(nèi)的剪切流的流速和流態(tài)。在進(jìn)行微生物水動力學(xué)時,在環(huán)形水槽內(nèi)加入實(shí)驗(yàn)流體及微生物,啟動驅(qū)動裝置對內(nèi)筒和外筒進(jìn)行轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制,即可逼真的模擬東水體的水體環(huán)境,達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果和數(shù)據(jù)。

      如圖2和圖3所示,水槽的內(nèi)筒20和外筒10為圓筒形結(jié)構(gòu),內(nèi)筒20與外筒10以同心圓結(jié)構(gòu)設(shè)置,可采用玻璃或者玻璃鋼材質(zhì)等的透明材料制成,將激光片源水平射入該環(huán)形水槽內(nèi)后,可使用ccd相機(jī)進(jìn)行測量和取像。水槽底部采用一底座30作為內(nèi)筒20和外筒10的共同支撐及底部密封,該底座30可采用鋼板制成。在內(nèi)筒和外筒的下沿開設(shè)圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽31,底座上內(nèi)筒和外筒的對應(yīng)位置開槽并安裝有動水密封裝置(圖中未示出),同時在內(nèi)筒和外筒的下沿開設(shè)圓弧形結(jié)構(gòu)的凹槽,使內(nèi)筒和外筒在轉(zhuǎn)動時與動水密封裝置間緊密接觸形成密封。內(nèi)筒20和外筒10相對于底座在外力驅(qū)動下相反方向繞同心圓的圓心轉(zhuǎn)動。該外力驅(qū)動為基于所述底座30安裝的兩個驅(qū)動電機(jī)11和21,一驅(qū)動電機(jī)21驅(qū)動內(nèi)筒20,另一驅(qū)動電機(jī)11驅(qū)動外筒10。驅(qū)動電機(jī)11、21分別通過支架13和23架設(shè)固定,驅(qū)動電機(jī)11、21分別通過導(dǎo)力板12、22驅(qū)動連接所述外筒10和內(nèi)筒20。驅(qū)動電機(jī)均位于內(nèi)筒和外筒的中軸線上,通過驅(qū)動電機(jī)可控制所述內(nèi)筒和外筒的轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行水槽內(nèi)剪切流的流速和流態(tài)的調(diào)整。

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