给水管网生物膜反应器结构设计

李书环, 解芳芸，杨帆，梁广源



给水管网生物膜反应器结构设计

李书环, 解芳芸，杨帆，梁广源

（天津农学院工程技术学院，天津300384）

生物反应器用于模拟给水管网中生物膜的生成。从合理有效模拟的角度出发，进行了生物反应器的方案设计，并就立轴结构设计进行了详细介绍。所设计反应器能够模拟不同温度、不同水体以及不同附着材料等情况下生物膜的生长。

生物反应器；生物膜；立轴结构

随着人们对饮用水水质要求的提高，给水管网水质的研究越来越受到重视。研究发现，在给水管网寡营养的条件下，约有95%的细菌会附着在管壁上[1]，借助于管壁湿润的基质生长并分泌黏性聚合物形成生物膜。这些生物膜对消毒剂、机械冲刷等抗性极强，并会导致给水管网的腐蚀及水质的恶化。为了控制和去除生物膜，需对生物膜的形成过程和机理进行研究。基于此，研制了BAR（Biological Annular Reactor）环状生物膜反应器[1]。

1 生物反应器应满足的条件

生物反应器应能合理、有效地模拟实际管网生物膜生长状况。理想情况下，生物反应器不仅能提供持续剪切力，还可以重复取样，以观察生物膜随时间和空间的发展在结构和性质上的变化[2]。研究生物膜的多样性也是目前的集中点，因此，生物反应器应能模拟研究温度、消毒种类和方式、消毒剂余量、营养物质浓度、附着材料等对生物膜生长的影响，以及发现新的微生物种类等。

2 生物反应器结构组成

如图1所示，反应器由内外两个圆筒相套而成。内部套筒盛装实验用水，套筒上下有水体进出口，实验中，即可采用水体循环式模拟给水管网中不断流动更新的水体，也可采用非循环式用以模拟给水管网中具有停留时间的水体，取用不同的水体即可进行消毒种类和方式、消毒剂余量、营养物质浓度等对生物膜影响的实验。内部套筒内安装有转子，在转子表面均匀加工有轴向槽，槽内安装膜片，为实验附着材料对生物膜的影响，膜片可选用不同材料；内部套筒上面开有膜片插拔口，便于随时以及重复取样；转子由电机带动旋转，转速大小由变频器调节，转子附带的膜片在与水的运动中产生剪切力,不同的转速能够模拟不同的剪切力。外部套筒盛装恒温水，保证实验水体处于一定的温度，以进行不同温度对生物膜的影响实验；套筒上下有恒温水入出口。内外套筒不相通[1]。

3 生物反应器零部件设计

生物反应器设计过程中主要解决以下几个问题。

3.1 内外圆筒固定及反应器密封

如图2所示，反应器由两个圆筒相套而成，内部套筒填装实验水体，直径156 mm，高180 mm，外部套筒填装恒温水，直径200 mm，高190 mm，内外套筒材料采用有机玻璃。为固定套筒位置，将上下底板做成阶梯式，底板材料采用聚乙烯。同时，为增强反应器刚度，增加上下加强板，加强板材料为铝。上下底板与加强板用联接螺杆联接，进一步增加反应器刚度。

反应器采用O型圈密封。

图2 反应器内外筒装配示意图

3.2 反应器立轴轴系结构设计

反应器工作时，是由电动机通过联轴器带动转子转动，转子装在立轴上。为减小摩擦，立轴采用轴承支承，轴承需既能承受径向力又能承受轴向力；转子转动过程中，不可避免会产生摆动，选用的轴承应该能够具有调心作用；同时，轴系结构应能够适应轴的轴向适量伸缩[3-5]。基于此，提出了以下几种设计方案[6]。

图3为立轴上端支承方式，图3a采用圆锥滚子轴承支承，图3b采用圆柱滚子轴承支承，两种支承形式都能适应轴的轴向适量伸缩，但图3a在承受径向力的同时，还能承受部分轴向力，对立轴系统有提拉作用，以减小立轴下端支承摩擦。

a             b

图4为下端支承方式。图4a中，下端采用双列调心轴承、推力轴承组合型；图4b中，下端采用双列调心轴承、推力轴承、调心半球（球面瓦）组合型；图4c中，下端采用调心半球支承，立轴轴颈与半球形成过渡配合，半球球面与下轴承座接触，形成滑动摩擦；图4d中，下端采用双列调心球轴承和万向滚珠组合型。

a          b

c         d

图4 立轴下端支承方式

3.3 立轴支承方式分析

图4a、b中，当立轴由于各种原因产生弯曲或摆动时，立轴下端轴颈便与双列调心轴承的内圈一起绕其外圈球面中心转动，轴的尾部及推力轴承也将有一定角度的偏转，对于图4b，推力轴承由调心半球支承，因此调心半球转动可以适应轴尾部的偏转，但结构稍显复杂。对于图4a，由于推力轴承由固定不动的下底板支承，轴尾的偏转受到限制，当轴尾偏转角度比较大时，推力轴承将由于局部受力过大而破坏，频繁出现故障[6]。图4c中，调心半球随同立轴旋转，当立轴转动并据有一定弯曲或摆动时，调心半球绕轴承座凹球中心做三维摆动，适应轴端的偏转，其结构比较简单，但半球加工复杂[7]；图4d中，调心轴承与万向滚珠都为标准件，可成品外购，加工方便，而且能够适应轴的弯曲或摆动。所以，优选方案图3a与图4d组合。

4 结语

根据生物反应器功能要求，对反应器进行了方案设计，并就立轴轴系结构进行了方案分析，最终选择立轴上端采用圆锥滚子轴承支承，立轴下端采用调心轴承及万向滚珠组合支承，此组合既简化了结构又能适应立轴一定角度的偏转，对立轴结构设计具有一定的参考作用。

[1] 丛乐．给水管网水力运行参数及温度对水质影响的实验研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011．

[2] 刘慧娜，孙吉慧，沈加艳．给水管网中管壁生物膜对水质二次污染的影响[J]．环保科技，2009，15（4）：9-13．

[3] 李秀珍，曲玉峰．机械设计基础[M]．北京：机械工业出版社，1998．

[4] 王成焘．现代机械设计—思想与方法[M]．上海：上海科学技术文献出版社，1999．

[5] 濮良贵，纪名刚．机械设计[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[6] 刘平成．低速重载立式轴支承及键联接方案的研究[J]．煤矿机械，2006，27（9）：59-62．

[7] 祝亚峰，郭丽霞．球面调心机构应用及球面加工工艺[J].金属加工，2011（4）：32-34．

责任编辑：杨霞

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

国家自然科学基金项目“再生水管网生物膜中微生物代谢产物对水泥内衬管的腐蚀机理”（51308392）；天津市大学生创新创业训练计划项目“生物反应器创新设计”（201510061012）

李书环（1967－），女，河北故城人，副教授，硕士，主要从事机械设计方面的研究与教学工作。E-mail：hblshh@163.com。