[發明專利]一種準原位監測生物膜內物質濃度動態變化的方法

有效

• 申請號: 201610201280.1
• 申請日: 2016-03-31
• 公開（公告）號: CN105758921B
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發明（設計）人: 陳猷鵬;王建輝;申渝;楊吉祥;郭勁松;晏鵬
• 申請（專利權）人: 中國科學院重慶綠色智能技術研究院
• 主分類號: G01N27/416
• 分類號: G01N27/416
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 李海華

1.一種準原位監測旋轉式生物膜反應器生物膜內物質濃度動態變化的方法，其特征在于：本方法采用一種準原位監測旋轉式生物膜反應器生物膜內物質濃度動態變化的裝置進行監測，所述準原位監測旋轉式生物膜反應器生物膜內物質濃度動態變化的裝置包括載體片、盛裝溶液的容器、蠕動泵、升降機構和微電極，其中載體片安裝在支撐架上并懸空以用于放置待測生物膜；盛裝溶液的容器和蠕動泵安裝在升降機構上以在升降機構的控制下升降，其中盛裝溶液的容器位于載體片正下方，且容器截面大于載體片截面，確保在升降過程中，載體片不會與容器壁接觸；蠕動泵通過管道與容器連通以使容器內的液體產生流動以模擬生物膜在反應器內的旋轉；升降機構和蠕動泵接控制系統，通過控制系統控制升降機構和蠕動泵按模擬需要運行；所述微電極設置在支撐架上，微電極尖端朝下用于插入待測生物膜內部某一深度，微電極接處理單元，由處理單元對采集的信號進行處理；

監測前，先在容器內加入需要量的主體溶液，在載體片上固定生物膜，同時固定設置微電極，微電極尖端朝下并插入生物膜內部某一深度；然后根據需要選擇如下某種或幾種模擬過程進行生物膜在反應器內各種情形的模擬，在模擬的同時，由微電極測量生物膜內特定物質在此處的濃度變化，從而得到生物膜內部的物質濃度動態變化；

1)通過升降機構使容器升降，從而使容器內的主體溶液升降，實現對載體片上生物膜的浸沒與非浸沒，從而模擬生物膜在生物轉籠反應器中交替處于浸沒與暴露的狀態；

2)通過控制系統，對升降機構的運行方式進行控制，在不改變浸沒與非浸沒時間之和的情況下改變兩者比例，從而模擬生物膜在生物轉籠反應器內浸沒與暴露的時間比，即浸沒率；

3)通過控制系統，對升降機構的運行方式進行控制，在不改變浸沒與非浸沒時間比值的情況下改變兩者總時間的長短，從而模擬生物膜在生物轉籠反應器內浸曝一次的快慢，即轉速或周期；

4)通過調節蠕動泵的流量，控制蠕動泵出水口的流速，實現在浸沒段溶液與生物膜之間的相對運動，從而模擬生物膜在生物轉籠反應器內浸沒段的水力狀態；

5)更換主體溶液及容器，以模擬生物膜所處的各種水質環境；

模擬監測時，按如下方法進行參數計算和確認：

①確定模擬轉速與蠕動泵轉速

根據所模擬的生物轉籠反應器的轉速W和所取生物膜距離生物轉籠反應器旋轉中心軸的距離r來確定模擬轉速，計算生物膜在準原位監測旋轉式生物膜反應器中與溶液的相對速度，也就是線速度V；

V＝2πr·W

為模擬此相對運動，需要調節蠕動泵轉子轉動速度w，控制其流量Q，從而調整其出口處的線速度V’，使其等于V；

假設蠕動泵輸水管截面面積為A，根據蠕動泵流量特性可知Q＝f(w)，且Q與w為線性關系，通過實測轉速與流量得到此函數關系；根據下式：

得到蠕動泵轉子轉速與其輸水管出口處速度的關系，從而確定模擬相對運動速度為V時需要調節的蠕動泵轉速；

②計算生物膜浸曝時間

根據所模擬的生物轉籠反應器的轉速W和浸沒率η，得到其周期為T＝1/W min；所模擬的生物轉籠反應器截面半徑為R，轉動中心軸距離液面的高度為H，則浸沒率η的表示式為：

根據式1求出H；

實際需要模擬的生物膜未必在所模擬的生物轉籠反應器邊緣，假設所需模擬的生物膜距離所模擬的生物轉籠反應器旋轉中心軸的距離為r，r≤R，對該處生物膜而言，其浸沒角為2α，由幾何關系可得：

將式1求出的H帶入式2，可以得到浸沒角2α；

由于所以，浸沒時間為暴露時間為

結合前述計算的生物膜在所模擬的生物轉籠反應器內的實際浸曝時間，通過控制系統調控升降機構的運動方式，實現準原位監測旋轉式生物膜反應器對生物膜模擬出等量的浸曝時間。

2.根據權利要求1所述的準原位監測旋轉式生物膜反應器生物膜內物質濃度動態變化的方法，其特征在于：所述升降機構包括升降平臺和位于升降平臺下的固定平臺，盛裝溶液的容器和蠕動泵安裝在升降平臺上，固定平臺通過支柱支撐使之懸空；在固定平臺上設有升降動力，升降動力輸入接所述控制系統，升降動力的輸出端支撐在升降平臺下表面中部位置；在升降平臺四周設有升降導桿，升降導桿下端從固定平臺上的導孔穿出。