給水管網(wǎng)生物膜反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李書環(huán), 解芳蕓，楊帆，梁廣源

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給水管網(wǎng)生物膜反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李書環(huán), 解芳蕓，楊帆，梁廣源

（天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津300384）

生物反應(yīng)器用于模擬給水管網(wǎng)中生物膜的生成。從合理有效模擬的角度出發(fā)，進(jìn)行了生物反應(yīng)器的方案設(shè)計(jì)，并就立軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。所設(shè)計(jì)反應(yīng)器能夠模擬不同溫度、不同水體以及不同附著材料等情況下生物膜的生長(zhǎng)。

生物反應(yīng)器；生物膜；立軸結(jié)構(gòu)

隨著人們對(duì)飲用水水質(zhì)要求的提高，給水管網(wǎng)水質(zhì)的研究越來越受到重視。研究發(fā)現(xiàn)，在給水管網(wǎng)寡營(yíng)養(yǎng)的條件下，約有95%的細(xì)菌會(huì)附著在管壁上[1]，借助于管壁濕潤(rùn)的基質(zhì)生長(zhǎng)并分泌黏性聚合物形成生物膜。這些生物膜對(duì)消毒劑、機(jī)械沖刷等抗性極強(qiáng)，并會(huì)導(dǎo)致給水管網(wǎng)的腐蝕及水質(zhì)的惡化。為了控制和去除生物膜，需對(duì)生物膜的形成過程和機(jī)理進(jìn)行研究?；诖耍兄屏薆AR（Biological Annular Reactor）環(huán)狀生物膜反應(yīng)器[1]。

1 生物反應(yīng)器應(yīng)滿足的條件

生物反應(yīng)器應(yīng)能合理、有效地模擬實(shí)際管網(wǎng)生物膜生長(zhǎng)狀況。理想情況下，生物反應(yīng)器不僅能提供持續(xù)剪切力，還可以重復(fù)取樣，以觀察生物膜隨時(shí)間和空間的發(fā)展在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的變化[2]。研究生物膜的多樣性也是目前的集中點(diǎn)，因此，生物反應(yīng)器應(yīng)能模擬研究溫度、消毒種類和方式、消毒劑余量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度、附著材料等對(duì)生物膜生長(zhǎng)的影響，以及發(fā)現(xiàn)新的微生物種類等。

2 生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，反應(yīng)器由內(nèi)外兩個(gè)圓筒相套而成。內(nèi)部套筒盛裝實(shí)驗(yàn)用水，套筒上下有水體進(jìn)出口，實(shí)驗(yàn)中，即可采用水體循環(huán)式模擬給水管網(wǎng)中不斷流動(dòng)更新的水體，也可采用非循環(huán)式用以模擬給水管網(wǎng)中具有停留時(shí)間的水體，取用不同的水體即可進(jìn)行消毒種類和方式、消毒劑余量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度等對(duì)生物膜影響的實(shí)驗(yàn)。內(nèi)部套筒內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子表面均勻加工有軸向槽，槽內(nèi)安裝膜片，為實(shí)驗(yàn)附著材料對(duì)生物膜的影響，膜片可選用不同材料；內(nèi)部套筒上面開有膜片插拔口，便于隨時(shí)以及重復(fù)取樣；轉(zhuǎn)子由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速大小由變頻器調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子附帶的膜片在與水的運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生剪切力,不同的轉(zhuǎn)速能夠模擬不同的剪切力。外部套筒盛裝恒溫水，保證實(shí)驗(yàn)水體處于一定的溫度，以進(jìn)行不同溫度對(duì)生物膜的影響實(shí)驗(yàn)；套筒上下有恒溫水入出口。內(nèi)外套筒不相通[1]。

3 生物反應(yīng)器零部件設(shè)計(jì)

生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)過程中主要解決以下幾個(gè)問題。

3.1 內(nèi)外圓筒固定及反應(yīng)器密封

如圖2所示，反應(yīng)器由兩個(gè)圓筒相套而成，內(nèi)部套筒填裝實(shí)驗(yàn)水體，直徑156 mm，高180 mm，外部套筒填裝恒溫水，直徑200 mm，高190 mm，內(nèi)外套筒材料采用有機(jī)玻璃。為固定套筒位置，將上下底板做成階梯式，底板材料采用聚乙烯。同時(shí)，為增強(qiáng)反應(yīng)器剛度，增加上下加強(qiáng)板，加強(qiáng)板材料為鋁。上下底板與加強(qiáng)板用聯(lián)接螺桿聯(lián)接，進(jìn)一步增加反應(yīng)器剛度。

反應(yīng)器采用O型圈密封。

圖2 反應(yīng)器內(nèi)外筒裝配示意圖

3.2 反應(yīng)器立軸軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反應(yīng)器工作時(shí)，是由電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子裝在立軸上。為減小摩擦，立軸采用軸承支承，軸承需既能承受徑向力又能承受軸向力；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)，選用的軸承應(yīng)該能夠具有調(diào)心作用；同時(shí)，軸系結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠適應(yīng)軸的軸向適量伸縮[3-5]?；诖耍岢隽艘韵聨追N設(shè)計(jì)方案[6]。

圖3為立軸上端支承方式，圖3a采用圓錐滾子軸承支承，圖3b采用圓柱滾子軸承支承，兩種支承形式都能適應(yīng)軸的軸向適量伸縮，但圖3a在承受徑向力的同時(shí)，還能承受部分軸向力，對(duì)立軸系統(tǒng)有提拉作用，以減小立軸下端支承摩擦。

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圖4為下端支承方式。圖4a中，下端采用雙列調(diào)心軸承、推力軸承組合型；圖4b中，下端采用雙列調(diào)心軸承、推力軸承、調(diào)心半球（球面瓦）組合型；圖4c中，下端采用調(diào)心半球支承，立軸軸頸與半球形成過渡配合，半球球面與下軸承座接觸，形成滑動(dòng)摩擦；圖4d中，下端采用雙列調(diào)心球軸承和萬向滾珠組合型。

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圖4 立軸下端支承方式

3.3 立軸支承方式分析

圖4a、b中，當(dāng)立軸由于各種原因產(chǎn)生彎曲或擺動(dòng)時(shí)，立軸下端軸頸便與雙列調(diào)心軸承的內(nèi)圈一起繞其外圈球面中心轉(zhuǎn)動(dòng)，軸的尾部及推力軸承也將有一定角度的偏轉(zhuǎn)，對(duì)于圖4b，推力軸承由調(diào)心半球支承，因此調(diào)心半球轉(zhuǎn)動(dòng)可以適應(yīng)軸尾部的偏轉(zhuǎn)，但結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜。對(duì)于圖4a，由于推力軸承由固定不動(dòng)的下底板支承，軸尾的偏轉(zhuǎn)受到限制，當(dāng)軸尾偏轉(zhuǎn)角度比較大時(shí)，推力軸承將由于局部受力過大而破壞，頻繁出現(xiàn)故障[6]。圖4c中，調(diào)心半球隨同立軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)立軸轉(zhuǎn)動(dòng)并據(jù)有一定彎曲或擺動(dòng)時(shí)，調(diào)心半球繞軸承座凹球中心做三維擺動(dòng)，適應(yīng)軸端的偏轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但半球加工復(fù)雜[7]；圖4d中，調(diào)心軸承與萬向滾珠都為標(biāo)準(zhǔn)件，可成品外購(gòu)，加工方便，而且能夠適應(yīng)軸的彎曲或擺動(dòng)。所以，優(yōu)選方案圖3a與圖4d組合。

4 結(jié)語

根據(jù)生物反應(yīng)器功能要求，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并就立軸軸系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了方案分析，最終選擇立軸上端采用圓錐滾子軸承支承，立軸下端采用調(diào)心軸承及萬向滾珠組合支承，此組合既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)又能適應(yīng)立軸一定角度的偏轉(zhuǎn)，對(duì)立軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。

[1] 叢樂．給水管網(wǎng)水力運(yùn)行參數(shù)及溫度對(duì)水質(zhì)影響的實(shí)驗(yàn)研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011．

[2] 劉慧娜，孫吉慧，沈加艷．給水管網(wǎng)中管壁生物膜對(duì)水質(zhì)二次污染的影響[J]．環(huán)?？萍?，2009，15（4）：9-13．

[3] 李秀珍，曲玉峰．機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998．

[4] 王成燾．現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)—思想與方法[M]．上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1999．

[5] 濮良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[6] 劉平成．低速重載立式軸支承及鍵聯(lián)接方案的研究[J]．煤礦機(jī)械，2006，27（9）：59-62．

[7] 祝亞峰，郭麗霞．球面調(diào)心機(jī)構(gòu)應(yīng)用及球面加工工藝[J].金屬加工，2011（4）：32-34．

責(zé)任編輯：楊霞

Design of Reactor Structure for Biofilm in Water Distribution Network

LI Shu-huan，XIE Fang-yun，YANG Fan，LIANG Guang-yuan

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural university, Tianjin 300384, China）

Biological reactor was used to simulate the generation of biofilm in the water supply pipe network. From the perspective of reasonable and effective simulation, the design of the bioreactor, and the vertical shaft structure design is introduced in detail. The reactor was designed to simulate the growth of biofilm under different circumstances such as different temperature, different water bodies, and different attached material.

biological reactor；biological film；vertical shaft structure

1008-5394（2017）01-0075-02

THI22

A

2016-03-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“再生水管網(wǎng)生物膜中微生物代謝產(chǎn)物對(duì)水泥內(nèi)襯管的腐蝕機(jī)理”（51308392）；天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“生物反應(yīng)器創(chuàng)新設(shè)計(jì)”（201510061012）

李書環(huán)（1967－），女，河北故城人，副教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究與教學(xué)工作。E-mail：hblshh@163.com。