[发明专利]一种准原位监测生物膜内物质浓度动态变化的方法

摘要

本发明公开了一种准原位监测旋转式生物膜反应器生物膜内物质浓度动态变化的装置及方法，装置包括载体片、盛装溶液的容器、蠕动泵、升降机构和微电极，载体片安装在支撑架上用于放置生物膜；容器和蠕动泵安装在升降机构上，容器位于载体片正下方；蠕动泵通过管道与容器连通以使容器内的液体产生流动；升降机构和蠕动泵接控制系统；微电极接处理单元，由处理单元对采集的信号进行处理。本发明可模拟不同的反应器转速、浸没率、主体溶液性质等，能够在生物膜固定不动的情况下，仍然可以处于与其在旋转式生物膜反应器中相似的运行状态，从而对其内部物质浓度的动态变化进行准确的监测。

主权项

1.一种准原位监测旋转式生物膜反应器生物膜内物质浓度动态变化的方法，其特征在于：本方法采用一种准原位监测旋转式生物膜反应器生物膜内物质浓度动态变化的装置进行监测，所述准原位监测旋转式生物膜反应器生物膜内物质浓度动态变化的装置包括载体片、盛装溶液的容器、蠕动泵、升降机构和微电极，其中载体片安装在支撑架上并悬空以用于放置待测生物膜；盛装溶液的容器和蠕动泵安装在升降机构上以在升降机构的控制下升降，其中盛装溶液的容器位于载体片正下方，且容器截面大于载体片截面，确保在升降过程中，载体片不会与容器壁接触；蠕动泵通过管道与容器连通以使容器内的液体产生流动以模拟生物膜在反应器内的旋转；升降机构和蠕动泵接控制系统，通过控制系统控制升降机构和蠕动泵按模拟需要运行；所述微电极设置在支撑架上，微电极尖端朝下用于插入待测生物膜内部某一深度，微电极接处理单元，由处理单元对采集的信号进行处理；监测前，先在容器内加入需要量的主体溶液，在载体片上固定生物膜，同时固定设置微电极，微电极尖端朝下并插入生物膜内部某一深度；然后根据需要选择如下某种或几种模拟过程进行生物膜在反应器内各种情形的模拟，在模拟的同时，由微电极测量生物膜内特定物质在此处的浓度变化，从而得到生物膜内部的物质浓度动态变化；1)通过升降机构使容器升降，从而使容器内的主体溶液升降，实现对载体片上生物膜的浸没与非浸没，从而模拟生物膜在生物转笼反应器中交替处于浸没与暴露的状态；2)通过控制系统，对升降机构的运行方式进行控制，在不改变浸没与非浸没时间之和的情况下改变两者比例，从而模拟生物膜在生物转笼反应器内浸没与暴露的时间比，即浸没率；3)通过控制系统，对升降机构的运行方式进行控制，在不改变浸没与非浸没时间比值的情况下改变两者总时间的长短，从而模拟生物膜在生物转笼反应器内浸曝一次的快慢，即转速或周期；4)通过调节蠕动泵的流量，控制蠕动泵出水口的流速，实现在浸没段溶液与生物膜之间的相对运动，从而模拟生物膜在生物转笼反应器内浸没段的水力状态；5)更换主体溶液及容器，以模拟生物膜所处的各种水质环境；模拟监测时，按如下方法进行参数计算和确认：①确定模拟转速与蠕动泵转速根据所模拟的生物转笼反应器的转速W和所取生物膜距离生物转笼反应器旋转中心轴的距离r来确定模拟转速，计算生物膜在准原位监测旋转式生物膜反应器中与溶液的相对速度，也就是线速度V；V＝2πr·W为模拟此相对运动，需要调节蠕动泵转子转动速度w，控制其流量Q，从而调整其出口处的线速度V’，使其等于V；假设蠕动泵输水管截面面积为A，根据蠕动泵流量特性可知Q＝f(w)，且Q与w为线性关系，通过实测转速与流量得到此函数关系；根据下式：得到蠕动泵转子转速与其输水管出口处速度的关系，从而确定模拟相对运动速度为V时需要调节的蠕动泵转速；②计算生物膜浸曝时间根据所模拟的生物转笼反应器的转速W和浸没率η，得到其周期为T＝1/W min；所模拟的生物转笼反应器截面半径为R，转动中心轴距离液面的高度为H，则浸没率η的表示式为：根据式1求出H；实际需要模拟的生物膜未必在所模拟的生物转笼反应器边缘，假设所需模拟的生物膜距离所模拟的生物转笼反应器旋转中心轴的距离为r，r≤R，对该处生物膜而言，其浸没角为2α，由几何关系可得：将式1求出的H带入式2，可以得到浸没角2α；由于所以，浸没时间为暴露时间为结合前述计算的生物膜在所模拟的生物转笼反应器内的实际浸曝时间，通过控制系统调控升降机构的运动方式，实现准原位监测旋转式生物膜反应器对生物膜模拟出等量的浸曝时间。