[发明专利]滴灌灌水器附生生物膜模拟培养装置及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及节水灌溉技术和环境微生物技术领域，尤其涉及滴灌灌水器附生生物膜模拟培养装置及其应用。

背景技术

面对当前水资源严重紧缺的局势，利用再生水、地表微污染水、高含沙水、微咸水等劣质水源回用灌溉已成为解决农业用水紧缺问题的有效途径之一。但是劣质水源的水质往往较差，过量以及不恰当的使用劣质水源可能给环境甚至人类生活带来风险。滴灌技术因其精量、可控等优点被认为是劣质水源回用灌溉最可靠的方式之一，但劣质水复杂的水质条件使得灌水器发生堵塞的风险更大，堵塞的机理也更为复杂。

已有研究表明，滴灌灌水器堵塞程度与其内部附生生物膜的动态生长过程密切相关，生物膜是由微生物群体（细菌、原生动物、真菌等）、固体颗粒以及微生物分泌的胞外多聚物等多物质构成的一个三维异质结构和功能整体，结构和组分十分复杂。生物膜的形成和生长是造成灌水器堵塞加剧的主要诱因，不同阶段生物膜的生长特性存在明显差异。灌水器内部附生生物膜生长过程及其对灌水器堵塞的影响一直是众多科研工作者关心的问题。实际上，滴灌灌水器内部附生生物膜的形成和生长是灌水器流道类型、滴灌水质、温度、营养物质供给、水力学条件等多种因素综合影响下的结果，很难加以区分和衡量。尤其是流道结构尺寸狭小且流态复杂，灌水器内部附生生物膜动态生长过程及其对灌水器堵塞的影响难以研究。

目前滴灌灌水器附生生物膜的取样和测试主要依赖于滴灌系统原位试验，难以获得足够的样本，且取样和测试的难度都比较大。与此同时，灌水器内部局域微观水动力学特性对流道内附生生物膜的生长也有着显著影响，使得灌水器内部生物膜也存在明显的空间非均匀性，因为流道狭小，采用常规的取样方法，难以反映灌水器内部局域生物膜的形成机制以及堵塞的形成机理。因此，急需开发一套灌水器内部附生生物膜快速培养装置及测试分析方法。

发明内容

本发明的一个目的是模拟实际使用的滴灌灌水器，提供一种滴灌灌水器附生生物膜模拟培养装置，其为灌水器放大模型。

本发明提供的滴灌灌水器附生生物膜模拟培养装置，其包括密封贴合的上盖板7、下垫板8、位于二者间的中间流道板9，所述中间流道板设有通孔流道12，该通孔流道的两端分别是与外界相通的进水口10和出水口11，所述通孔流道内壁上设有生物膜培养单元14，所述生物膜培养单元包括若干个能拆卸的取样片15。

上述通孔流道可以为图3所示的梯形锯齿形流道，也可以为图5所示的流线形锯齿形流道，也可以为图6所示的矩形锯齿形流道，也可以为图7所示的圆角锯齿形流道。

以梯形锯齿形流道为例，所述通孔流道的两侧交错设置有若干梯形凹槽13，每一侧每两相邻梯形凹槽的腰底边连接成一V形凸棱，每一侧的各所述V形凸棱的尖部，分别对应另一侧所述梯形凹槽槽底中心；所述梯形凹槽的内壁上设置有若干所述生物膜培养单元。

以该锯齿形流道为基础，考虑到实际使用的灌水器流道尺寸较小，以相关的水工模型定律作为相似模拟的控制条件，通过综合权衡计算流体力学（CFD）分析结果以及生物膜取样需求，本发明按比例扩大40-50倍制作灌水器放大模型。实际上，根据相似模型放大定律，灌水器内部流体运动往往仅考虑重力和惯性力。但是由于灌水器流道结构的复杂性，水流流态一般为紊流，边界层效应不是很显著，粘滞力也不是促进水流运动主要作用力之一。因此，灌水器放大模型与灌水器原型要做到相似性，只须满足以下关系：

①几何尺寸关系：l₂/l₁=40-50/1（l₁为灌水器原型流道长度，l₂为放大模型流道长

度）；

w₂/w₁=40-50/1（w₁为灌水器原型流道宽度，w₂为放大模型流道

宽度）；

d₂/d₁=40-50/1（d₁为灌水器原型流道深度，d₂为放大模型流道

深度）；

②工作压力关系：H₂/H₁=40-50/1（H₁为灌水器原型工作压力，H₂为放大模型工作压力）；