專利名稱：微生物地下水滲流阻塞觀測的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下水滲流生物阻塞觀測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種進行微生物滲流阻塞觀測的方法，同時還涉及一種用于研究含水地下砂層中微生物在砂層空隙中繁殖、遷移并阻塞地下水滲流現(xiàn)象的觀測裝置。
背景技術(shù)：
微生物在自然界含水孔隙介質(zhì)中的繁殖運移會造成介質(zhì)滲透性質(zhì)的改變，從而對涉及地下水滲流的技術(shù)系統(tǒng)造成不利影響。例如，地下水源型熱泵系統(tǒng)作為一種擁有地下水的地區(qū)普遍采用的換熱系統(tǒng)，在使用過程中，利用地下水進行熱量的交換，給地面的空調(diào)系統(tǒng)提供冷源或熱源，就涉及到微生物阻塞造成的熱泵系統(tǒng)效率低下和環(huán)境污染的問題。地下水源型熱泵系統(tǒng)的換熱裝置會使空氣/水接觸，從而使水攜帶空氣傳播的微生物以及來自補充供應系統(tǒng)的有機物污染。這些系統(tǒng)和地下水通常是微生物的優(yōu)質(zhì)生長媒質(zhì)，使得微生物大量繁殖運移。抽取和回灌地下水的過程中，由于微生物在含有地下水的砂層、土壤中繁殖運移，會阻塞水的流動，或者在回灌的井壁上形成生物膜，因此很難將大部分抽取出來的地下水灌回到原來的地層中去，造成經(jīng)濟上的困難和環(huán)境的破壞。對于地下水源型熱泵系統(tǒng)而言，由于物質(zhì)阻塞引起的回灌困難是一個普遍的問題，微生物阻塞是其中一種重要機理。含水介質(zhì)中微生物阻塞是由微生物本身和細胞外物質(zhì)聚集的生物質(zhì)引起的，比如細菌、真菌、酵母菌、硅藻和原生動物都是引起生物淤積的有機生物質(zhì)。在含水孔隙介質(zhì)內(nèi)部這些生物質(zhì)會不均勻地聚集，對于地下水源熱泵系統(tǒng)來說，尤其是在灌水井井壁到地下砂層較薄的一層介質(zhì)中，微生物淤積會形成膜狀，大大降低水流的速度和流量，嚴重影響系統(tǒng)的運行效能。如果不了解其淤積阻塞的機理和過程，那么地下水源型熱泵系統(tǒng)的設計、維護方案的制定都會比較盲目，因此需要進行實際的微生物阻塞機理定性和定量研究，了解微生物在自然含水介質(zhì)水流通道繁殖、運移和阻塞水流通道的過程，以及水流通道改變對微生物的影響，為建立物理數(shù)學模型提供試驗數(shù)據(jù)。
目前尚未見公開的達到上述目的研究觀測裝置。巳有的類似研究觀測裝置和方法可以監(jiān)測微生物在溶液中數(shù)量的變化，比如中國發(fā)明專利(公開號CN100389317)公開的生物淤積監(jiān)測器及監(jiān)測或檢測生物淤積的方法，利用填充材料兩端水壓力的變化判斷流入填充材料的水溶液中生物的淤積，達到監(jiān)測生物淤積的目的；以及中國實用新型專利(公開號CN2874021Y)公開的一種物理模擬實驗用長管填砂模型，用長管充填石英砂來模擬不同流體的滲流規(guī)律，用于模擬微生物驅(qū)釆石油以提高原油采收率的實驗。然而，這類方法和裝置是以填充介質(zhì)整體滲透性能來估算微生物在水溶液中的含量，無法提供微生物在水流動區(qū)域里面具體運移過程的直接觀測，不能為微生物阻塞機理研究提供足夠的數(shù)據(jù)。其他的類似裝置有中國實用新型專利(公開號CN2626986Y)公開的上流式厭氧生物膜反應器，是一種用于生物化學反應的反應器，以及中國發(fā)明專利(公開號CN1246231C)公開的水平旋流懸浮載體生物膜反應器及其水體原位修復方法，利用微生物降解水中污染物，由于設計目的不同，都無法對微生物在孔隙介質(zhì)水流通道繁殖、運移和阻塞過程，以及水流通道改變對微生物的影響進行直接觀測研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供了一種微生物地下水滲流阻塞觀測的方法，可以直接觀測和記錄微生物在孔隙介質(zhì)中的繁殖運移、阻塞方式以及水流動通道的變化，可以實時定量地獲取觀測數(shù)據(jù)，易于控制微生物活性，同時便于取樣分析，有利于地下水滲流生物模型研究。
本發(fā)明的另一個目的是在于提供一種微生物地下水滲流阻塞觀測裝置，結(jié)構(gòu)簡單，能直接觀測微生物在孔隙含水介質(zhì)水流通道繁殖、運移和阻塞過程，以及水流通道改變對微生物的影響。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種微生物地下水滲流阻塞觀測的方法，其特征在于包括以下步驟
① 往觀測裝置的實驗箱體中加入可透水的孔隙介質(zhì)，比如河流沉積的粗砂、細砂和土壤；
② 根據(jù)觀測試驗不同地下水壓力要求，由水泵調(diào)節(jié)上游控制水箱的水位，使得實驗箱體中水流穩(wěn)定；光源恒定照射實驗箱體，用數(shù)字相機記錄箱體透射的光線，由計算機處理儲存微生物聚集密度和孔隙介質(zhì)密度數(shù)據(jù)；
③ 控制水箱的水位和營養(yǎng)物質(zhì)根據(jù)觀測試驗要求變化，間隔一定時間(1秒 24小時)，數(shù)字相機記錄圖像儲存，長期運行；
④ 根據(jù)觀測試驗定量分析微生物聚集密度和孔隙介質(zhì)密度的標定要求，從實驗箱體的采樣閥門取出少量含微生物水溶液和孔隙介質(zhì)樣品，供分析用；
⑤ 根據(jù)觀測試驗要求殺滅微生物時，關(guān)閉進水水閥，光源改用紫外光源，
4對局部或者整個實驗箱體照射5~30分鐘；
本發(fā)明中所述的可透水孔隙介質(zhì)指細砂、粗砂、土壤、碎石等自然地下含水層介質(zhì)或玻璃珠、塑料珠等人造介質(zhì)。
一種實現(xiàn)微生物地下水滲流阻塞觀測方法的裝置，它包括帶有入水出水口的實驗箱體、儲水水箱、控制水箱、水泵、排水水箱、光源、數(shù)字相機和計算機。其特征在于實驗箱體為扁平長方形，厚度1~2厘米，實驗箱體箱壁帶有采樣閥門，實驗箱體透明，實驗箱體內(nèi)在入水口和出水口處有過濾網(wǎng)，實驗箱體內(nèi)可裝孔隙介質(zhì)，組成實驗部分。實驗箱體入水口的上游，儲水水箱與水泵相連，水泵與控制水箱相連，組成供水部分，由入水管與實驗箱體入水口相連。實驗箱體出水口與出水管相連，出水管上裝有出水水閥，出水管與排水水箱相連，組成排水部分。光源、數(shù)字相機放置在實驗箱體厚度方向的兩側(cè)，數(shù)字相機與計算機相連，共同組成觀測部分，可實時記錄透過實驗箱體(包含孔隙介質(zhì))的光線，得到可換算微生物聚集密度和孔隙介質(zhì)密度數(shù)據(jù)。
本發(fā)明具有以下的優(yōu)點和效果①采用透光材料的實驗箱體，可以直接觀測和記錄微生物在可透水孔隙介質(zhì)中的繁殖、運移，有利于地下水滲流生物模型研究；②由于采用了數(shù)字相機記錄計算機儲存，可以實時定量地獲取微生物在可透水孔隙介質(zhì)中的分布和孔隙介質(zhì)流動通道的變化，易于定量分析前后差別。③通過紫外線照射可以直接殺滅微生物，不需要高溫加壓殺滅等影響水流模擬的其他方法，易于實施，還可以達到殺滅部分區(qū)域微生物的特殊對比觀測
要求。④適用于自然界孔隙介質(zhì)和人造孔隙介質(zhì)，比如河流沉積的粗砂、細砂和土壤，以及玻璃珠、塑料珠，適于模擬研究地下水源熱泵系統(tǒng)的生物滲流阻塞問題。


圖l為一種微生物地下水滲流阻塞觀測裝置示意圖。
圖2為圖一微生物地下水滲流阻塞觀測裝置箱體部分的A向視圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明-一種微生物地下水滲流阻塞觀測的方法，其步驟為
① 往觀測裝置的實驗箱體中加入可透水的孔隙介質(zhì)；
② 根據(jù)觀測試驗不同地下水壓力要求，由水泵調(diào)節(jié)上游控制水箱的水位，
5使得實驗箱體中水流穩(wěn)定；光源恒定照射實驗箱體，用數(shù)字相機記錄箱體透射的光線，由計算機處理儲存微生物聚集密度和孔隙介質(zhì)密度數(shù)據(jù)；
③ 控制水箱的水位和營養(yǎng)物質(zhì)根據(jù)觀測試驗要求變化，間隔一定時間(1秒 24小時)，數(shù)字相機記錄圖像儲存，長期運行；
④ 根據(jù)觀測試驗定量分析微生物聚集密度和孔隙介質(zhì)密度的要求，從實驗箱體的采樣閥門取出少量含微生物水溶液和孔隙介質(zhì)樣品，供分析用；
⑤ 根據(jù)觀測試驗要求殺滅微生物時，關(guān)閉進水水閥，光源改用紫外光源，對局部或者整個實驗箱體照射5~30分鐘；
本發(fā)明中所述的可透水孔隙介質(zhì)指細砂、粗砂、土壤、碎石等自然地下含水層介質(zhì)，比如河流沉積的卵石、粗砂、細砂和土壤，粒徑在l厘米以內(nèi)，可以裝填到實驗箱體為限，還可以是玻璃珠、塑料珠等人造介質(zhì)的其中一種。一種實現(xiàn)微生物地下水滲流阻塞觀測方法的裝置由實驗箱體1、第一濾網(wǎng)2、
第二濾網(wǎng)3、采樣閥門4、光源5、數(shù)字相機6、計算機7、控制水箱8、水泵9、儲水水箱10、入水管11、進水閥門12、出水管13和排水水箱14組成。
如圖l、圖2所示，實驗箱體1帶有入水口和出水口，在實驗箱體l內(nèi)部距入水口和出水口 1 2厘米處裝置第一濾網(wǎng)2、第二濾網(wǎng)3，實驗用的孔隙介質(zhì)可裝填在第一濾網(wǎng)2、第二濾網(wǎng)3之間，被第一濾網(wǎng)2和第二濾網(wǎng)3限制住。實驗箱體l制成扁平長方形，厚度1~2厘米，實驗箱體1壁上裝置有采樣閥門4，可以在需要時通過采樣閥門4取出實驗箱體1內(nèi)的水溶液和孔隙介質(zhì)樣品。數(shù)字相機6和計算機7相連，放置在實驗箱體l一側(cè)(厚度方向)，光源5放置在另一側(cè)。入水管11分別與實驗箱體1、控制水箱8相連，將水導入實驗箱體l。在入水管11上裝有進水閥門12，水泵9通過水管分別與控制水箱8、儲水水箱10相連?？刂扑?、水泵9、儲水水箱10、入水管11相連組成輔助的供水部分，水泵9從儲水水箱10中抽水到控制水箱8，控制水位的高低，以模擬不同地下水壓力下的流動。儲水水箱10還具有補充微生物營養(yǎng)物質(zhì)(比如蔗糖)的作用。出水管13分別與實驗箱體1、排水水箱14，承接從實驗箱體1排出的水溶液。出水管13和排水水箱14組成輔助的排水部分。
具體實施時，實驗箱體1可用石英玻璃制成，具有紫外到紅外的整個光譜波段較好的透光性能，可見光透過率在90%以上，紫外光譜區(qū)，最大透過率達80%以上，保證光學成像質(zhì)量和紫外線殺滅微生物效果；實驗箱體1可制成長度1 2米，高度0.5 1米，厚度1 2厘米，箱體內(nèi)徑厚度0.25~1厘米，保證裝填在實驗箱體中的孔隙介質(zhì)有好的透光度。箱體內(nèi)濾網(wǎng)可釆用不銹鋼孔徑0.25M.25mm濾網(wǎng)或Swagelok衛(wèi)生濾網(wǎng)等，起到限制實驗用的孔隙介質(zhì)直接接觸入水管和出水管，均勻水流的作用。光源采用可見光源和紫外光源兩種，分別在數(shù)字相機拍照和殺滅微生物時使用，可見光源可用的LED冷光源，比 如CamLight的PL-68型號攝像燈，紫外光源可采用波長2C)0 400nm的紫外 燈，比如上海金光ZWX-1型紫外線消毒器高硼紫外線燈管。光源采用反光罩， 以增強光線照射在實驗箱體1上的均勻度。數(shù)字相機6采用盡量高分辨率的型 號，比如索尼a 900數(shù)字相機，像素分辨率達到6000x4000，在實驗箱體長度 1.2米時每像素可對應0.25平方毫米的面積，提供盡量高的空間分辨。計算機 采用可以與數(shù)字相機連接的臺式機或者便攜機。控制水箱8可采用有水面高度 顯示的容器，以測量實驗箱體l承受的水壓力。 本發(fā)明的工作過程如下
① 往觀測裝置的實驗箱體1中加入可透水的孔隙介質(zhì)，裝填在第一濾網(wǎng)2、 第二濾網(wǎng)3之間； .
② 儲水水箱10裝無菌水，由水泵9調(diào)節(jié)控制水箱8的水位，使得實驗箱 體1中水流穩(wěn)定；光源5恒定照射實驗箱體1，用數(shù)字相機6記錄箱體透射的 光線，由計算機7處理儲存；
③ 儲水水箱10裝含微生物(比如綠藻，Chlorophyta;或地芽孢桿菌 Geobacillus)的水溶液，控制水箱8的水位根據(jù)觀測試驗壓力要求變化調(diào)節(jié)， 間隔一定時間(l秒 24小時)，數(shù)字相機6記錄圖像，儲存在計算機7中， 長期運行；
④ 在運行過程中，根據(jù)觀測試驗定量分析微生物聚集密度和孔隙介質(zhì)密度 的要求，關(guān)閉進水閥門12，從采樣閥門4中取出少量水溶液和孔隙介質(zhì)樣品， 供分析用；
⑤ 在運行過程中，根據(jù)觀測試驗要求殺滅微生物時，關(guān)閉進水閥門12,光 源5使用紫外光源，對實驗箱體1局部或者整個箱體照射5~30分鐘；
⑥ 在運行過程中，排水水箱12取出水溶液樣品，供分析用。
權(quán)利要求
1、一種微生物地下水滲流阻塞觀測的方法，其特征在于包括以下步驟①往觀測裝置的實驗箱體中加入透水的孔隙介質(zhì)；②根據(jù)觀測試驗不同地下水壓力，由水泵調(diào)節(jié)上游控制水箱的水位，使實驗箱體中水流穩(wěn)定，光源恒定照射實驗箱體，用數(shù)字相機記錄箱體透射的光線，由計算機處理儲存微生物聚集密度和孔隙介質(zhì)密度數(shù)據(jù)；③控制水箱的水位和營養(yǎng)物質(zhì)根據(jù)觀測試驗要求，間隔1秒～24小時，數(shù)字相機記錄圖像儲存，長期運行；④根據(jù)觀測試驗定量分析微生物聚集密度和孔隙介質(zhì)密度的要求，從實驗箱體的采樣閥門取出含微生物水溶液和孔隙介質(zhì)樣品，供分析用；⑤根據(jù)觀測試驗要求殺滅微生物時，關(guān)閉進水水閥，光源改用紫外光源，對局部或者整個實驗箱體照射5～30分鐘；所述的透水孔隙介質(zhì)指細砂、粗砂、土壤、碎石自然地下含水層介質(zhì)或玻璃珠、塑料珠人造介質(zhì)的其中一種。
2、 一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的微生物地下水滲流阻塞觀測方法的裝置，包括實驗箱體(1)、濾網(wǎng)(2、 3)、采樣閥門(4)、光源(5)、數(shù)字相機(6)、 控制水箱(8)、進水閥門(12)和排水水箱(14)，其特征在于實驗箱體(1) 上下箱壁帶有采樣閥門(4)，實驗箱體(1)內(nèi)在入水口和出水口處有濾網(wǎng)(2、 3)，實驗箱體(l)內(nèi)裝孔隙介質(zhì)，實驗箱體(l)入水口的上游，儲水水箱(IO) 與水泵(9)相連，水泵(9)與控制水箱(8)相連，入水管(11)與實驗箱 體(1)相連，出水管(13)與實驗箱體(1)和排水水箱(14)相連，光源、 數(shù)字相機(6)放置在實驗箱體(1)厚度方向的兩側(cè)，數(shù)字相機與計算機相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2 ff述的一種微生物地下水滲流阻塞觀測方法的裝置， 其特征在于所述的實驗箱體(1)為扁平長方形，厚度1 2厘米。
4、 根據(jù)權(quán)未」要求2所述的一種微生物地下水滲流阻塞觀測方法的裝置， 其特征在于所述的入水管(11)分別與實驗箱體(1)、控制水箱(8)相連， 在入水管(11)上裝有進水閥門(12)，水泵(9)通過水管分別與控制水箱(8)、 儲水水箱(10)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微生物地下水滲流阻塞觀測的方法及裝置，步驟是①往實驗箱體中加入孔隙介質(zhì)；②調(diào)節(jié)上游控制水箱水位使水流穩(wěn)定，光源恒定照射，記錄箱體透射的光線；③控制水箱的水位和營養(yǎng)物質(zhì)，數(shù)字相機記錄圖像儲存；④定量分析微生物聚集密度和孔隙介質(zhì)密度，從實驗箱體的采樣閥門取出含微生物水溶液和孔隙介質(zhì)樣品；⑤紫外光線殺滅微生物；實驗箱體箱壁帶有閥門，有過濾網(wǎng)，儲水水箱與水泵相連，水泵與控制水箱相連，入水管與實驗箱體相連。直接觀測和記錄微生物在孔隙介質(zhì)中的繁殖運移、阻塞方式以及水流動通道的變化，獲取觀測數(shù)據(jù)，易于控制微生物活性，便于取樣分析，適于模擬研究地下水源熱泵系統(tǒng)的生物滲流阻塞問題。
文檔編號G01N33/24GK101458247SQ20091006043
公開日2009年6月17日 申請日期2009年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月6日
發(fā)明者劉小燕, 劉泉聲, 張程遠 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所