专利名称：微生物地下水渗流阻塞观测的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及地下水渗流生物阻塞观测技术领域，更具体地涉及一种进行微生物渗流阻塞观测的方法，同时还涉及一种用于研究含水地下砂层中微生物在砂层空隙中繁殖、迁移并阻塞地下水渗流现象的观测装置。
背景技术：
微生物在自然界含水孔隙介质中的繁殖运移会造成介质渗透性质的改变，从而对涉及地下水渗流的技术系统造成不利影响。例如，地下水源型热泵系统作为一种拥有地下水的地区普遍采用的换热系统，在使用过程中，利用地下水进行热量的交换，给地面的空调系统提供冷源或热源，就涉及到微生物阻塞造成的热泵系统效率低下和环境污染的问题。地下水源型热泵系统的换热装置会使空气/水接触，从而使水携带空气传播的微生物以及来自补充供应系统的有机物污染。这些系统和地下水通常是微生物的优质生长媒质，使得微生物大量繁殖运移。抽取和回灌地下水的过程中，由于微生物在含有地下水的砂层、土壤中繁殖运移，会阻塞水的流动，或者在回灌的井壁上形成生物膜，因此很难将大部分抽取出来的地下水灌回到原来的地层中去，造成经济上的困难和环境的破坏。对于地下水源型热泵系统而言，由于物质阻塞引起的回灌困难是一个普遍的问题，微生物阻塞是其中一种重要机理。含水介质中微生物阻塞是由微生物本身和细胞外物质聚集的生物质引起的，比如细菌、真菌、酵母菌、硅藻和原生动物都是引起生物淤积的有机生物质。在含水孔隙介质内部这些生物质会不均匀地聚集，对于地下水源热泵系统来说，尤其是在灌水井井壁到地下砂层较薄的一层介质中，微生物淤积会形成膜状，大大降低水流的速度和流量，严重影响系统的运行效能。如果不了解其淤积阻塞的机理和过程，那么地下水源型热泵系统的设计、维护方案的制定都会比较盲目，因此需要进行实际的微生物阻塞机理定性和定量研究，了解微生物在自然含水介质水流通道繁殖、运移和阻塞水流通道的过程，以及水流通道改变对微生物的影响，为建立物理数学模型提供试验数据。
目前尚未见公开的达到上述目的研究观测装置。巳有的类似研究观测装置和方法可以监测微生物在溶液中数量的变化，比如中国发明专利(公开号CN100389317)公开的生物淤积监测器及监测或检测生物淤积的方法，利用填充材料两端水压力的变化判断流入填充材料的水溶液中生物的淤积，达到监测生物淤积的目的；以及中国实用新型专利(公开号CN2874021Y)公开的一种物理模拟实验用长管填砂模型，用长管充填石英砂来模拟不同流体的渗流规律，用于模拟微生物驱釆石油以提高原油采收率的实验。然而，这类方法和装置是以填充介质整体渗透性能来估算微生物在水溶液中的含量，无法提供微生物在水流动区域里面具体运移过程的直接观测，不能为微生物阻塞机理研究提供足够的数据。其他的类似装置有中国实用新型专利(公开号CN2626986Y)公开的上流式厌氧生物膜反应器，是一种用于生物化学反应的反应器，以及中国发明专利(公开号CN1246231C)公开的水平旋流悬浮载体生物膜反应器及其水体原位修复方法，利用微生物降解水中污染物，由于设计目的不同，都无法对微生物在孔隙介质水流通道繁殖、运移和阻塞过程，以及水流通道改变对微生物的影响进行直接观测研究。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种微生物地下水渗流阻塞观测的方法，可以直接观测和记录微生物在孔隙介质中的繁殖运移、阻塞方式以及水流动通道的变化，可以实时定量地获取观测数据，易于控制微生物活性，同时便于取样分析，有利于地下水渗流生物模型研究。
本发明的另一个目的是在于提供一种微生物地下水渗流阻塞观测装置，结构简单，能直接观测微生物在孔隙含水介质水流通道繁殖、运移和阻塞过程，以及水流通道改变对微生物的影响。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
一种微生物地下水渗流阻塞观测的方法，其特征在于包括以下步骤
① 往观测装置的实验箱体中加入可透水的孔隙介质，比如河流沉积的粗砂、细砂和土壤；
② 根据观测试验不同地下水压力要求，由水泵调节上游控制水箱的水位，使得实验箱体中水流稳定；光源恒定照射实验箱体，用数字相机记录箱体透射的光线，由计算机处理储存微生物聚集密度和孔隙介质密度数据；
③ 控制水箱的水位和营养物质根据观测试验要求变化，间隔一定时间(1秒 24小时)，数字相机记录图像储存，长期运行；
④ 根据观测试验定量分析微生物聚集密度和孔隙介质密度的标定要求，从实验箱体的采样阀门取出少量含微生物水溶液和孔隙介质样品，供分析用；
⑤ 根据观测试验要求杀灭微生物时，关闭进水水阀，光源改用紫外光源，
4对局部或者整个实验箱体照射5~30分钟；
本发明中所述的可透水孔隙介质指细砂、粗砂、土壤、碎石等自然地下含水层介质或玻璃珠、塑料珠等人造介质。
一种实现微生物地下水渗流阻塞观测方法的装置，它包括带有入水出水口的实验箱体、储水水箱、控制水箱、水泵、排水水箱、光源、数字相机和计算机。其特征在于实验箱体为扁平长方形，厚度1~2厘米，实验箱体箱壁带有采样阀门，实验箱体透明，实验箱体内在入水口和出水口处有过滤网，实验箱体内可装孔隙介质，组成实验部分。实验箱体入水口的上游，储水水箱与水泵相连，水泵与控制水箱相连，组成供水部分，由入水管与实验箱体入水口相连。实验箱体出水口与出水管相连，出水管上装有出水水阀，出水管与排水水箱相连，组成排水部分。光源、数字相机放置在实验箱体厚度方向的两侧，数字相机与计算机相连，共同组成观测部分，可实时记录透过实验箱体(包含孔隙介质)的光线，得到可换算微生物聚集密度和孔隙介质密度数据。
本发明具有以下的优点和效果①采用透光材料的实验箱体，可以直接观测和记录微生物在可透水孔隙介质中的繁殖、运移，有利于地下水渗流生物模型研究；②由于采用了数字相机记录计算机储存，可以实时定量地获取微生物在可透水孔隙介质中的分布和孔隙介质流动通道的变化，易于定量分析前后差别。③通过紫外线照射可以直接杀灭微生物，不需要高温加压杀灭等影响水流模拟的其他方法，易于实施，还可以达到杀灭部分区域微生物的特殊对比观测
要求。④适用于自然界孔隙介质和人造孔隙介质，比如河流沉积的粗砂、细砂和土壤，以及玻璃珠、塑料珠，适于模拟研究地下水源热泵系统的生物渗流阻塞问题。
图l为一种微生物地下水渗流阻塞观测装置示意图。
图2为图一微生物地下水渗流阻塞观测装置箱体部分的A向视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明-一种微生物地下水渗流阻塞观测的方法，其步骤为
① 往观测装置的实验箱体中加入可透水的孔隙介质；
② 根据观测试验不同地下水压力要求，由水泵调节上游控制水箱的水位，
5使得实验箱体中水流稳定；光源恒定照射实验箱体，用数字相机记录箱体透射的光线，由计算机处理储存微生物聚集密度和孔隙介质密度数据；
③ 控制水箱的水位和营养物质根据观测试验要求变化，间隔一定时间(1秒 24小时)，数字相机记录图像储存，长期运行；
④ 根据观测试验定量分析微生物聚集密度和孔隙介质密度的要求，从实验箱体的采样阀门取出少量含微生物水溶液和孔隙介质样品，供分析用；
⑤ 根据观测试验要求杀灭微生物时，关闭进水水阀，光源改用紫外光源，对局部或者整个实验箱体照射5~30分钟；
本发明中所述的可透水孔隙介质指细砂、粗砂、土壤、碎石等自然地下含水层介质，比如河流沉积的卵石、粗砂、细砂和土壤，粒径在l厘米以内，可以装填到实验箱体为限，还可以是玻璃珠、塑料珠等人造介质的其中一种。一种实现微生物地下水渗流阻塞观测方法的装置由实验箱体1、第一滤网2、
第二滤网3、采样阀门4、光源5、数字相机6、计算机7、控制水箱8、水泵9、储水水箱10、入水管11、进水阀门12、出水管13和排水水箱14组成。
如图l、图2所示，实验箱体1带有入水口和出水口，在实验箱体l内部距入水口和出水口 1 2厘米处装置第一滤网2、第二滤网3，实验用的孔隙介质可装填在第一滤网2、第二滤网3之间，被第一滤网2和第二滤网3限制住。实验箱体l制成扁平长方形，厚度1~2厘米，实验箱体1壁上装置有采样阀门4，可以在需要时通过采样阀门4取出实验箱体1内的水溶液和孔隙介质样品。数字相机6和计算机7相连，放置在实验箱体l一侧(厚度方向)，光源5放置在另一侧。入水管11分别与实验箱体1、控制水箱8相连，将水导入实验箱体l。在入水管11上装有进水阀门12，水泵9通过水管分别与控制水箱8、储水水箱10相连。控制水箱8、水泵9、储水水箱10、入水管11相连组成辅助的供水部分，水泵9从储水水箱10中抽水到控制水箱8，控制水位的高低，以模拟不同地下水压力下的流动。储水水箱10还具有补充微生物营养物质(比如蔗糖)的作用。出水管13分别与实验箱体1、排水水箱14，承接从实验箱体1排出的水溶液。出水管13和排水水箱14组成辅助的排水部分。
具体实施时，实验箱体1可用石英玻璃制成，具有紫外到红外的整个光谱波段较好的透光性能，可见光透过率在90%以上，紫外光谱区，最大透过率达80%以上，保证光学成像质量和紫外线杀灭微生物效果；实验箱体1可制成长度1 2米，高度0.5 1米，厚度1 2厘米，箱体内径厚度0.25~1厘米，保证装填在实验箱体中的孔隙介质有好的透光度。箱体内滤网可釆用不锈钢孔径0.25M.25mm滤网或Swagelok卫生滤网等，起到限制实验用的孔隙介质直接接触入水管和出水管，均匀水流的作用。光源采用可见光源和紫外光源两种，分别在数字相机拍照和杀灭微生物时使用，可见光源可用的LED冷光源，比 如CamLight的PL-68型号摄像灯，紫外光源可采用波长2C)0 400nm的紫外 灯，比如上海金光ZWX-1型紫外线消毒器高硼紫外线灯管。光源采用反光罩， 以增强光线照射在实验箱体1上的均匀度。数字相机6采用尽量高分辨率的型 号，比如索尼a 900数字相机，像素分辨率达到6000x4000，在实验箱体长度 1.2米时每像素可对应0.25平方毫米的面积，提供尽量高的空间分辨。计算机 采用可以与数字相机连接的台式机或者便携机。控制水箱8可采用有水面高度 显示的容器，以测量实验箱体l承受的水压力。 本发明的工作过程如下
① 往观测装置的实验箱体1中加入可透水的孔隙介质，装填在第一滤网2、 第二滤网3之间； .
② 储水水箱10装无菌水，由水泵9调节控制水箱8的水位，使得实验箱 体1中水流稳定；光源5恒定照射实验箱体1，用数字相机6记录箱体透射的 光线，由计算机7处理储存；
③ 储水水箱10装含微生物(比如绿藻，Chlorophyta;或地芽孢杆菌 Geobacillus)的水溶液，控制水箱8的水位根据观测试验压力要求变化调节， 间隔一定时间(l秒 24小时)，数字相机6记录图像，储存在计算机7中， 长期运行；
④ 在运行过程中，根据观测试验定量分析微生物聚集密度和孔隙介质密度 的要求，关闭进水阀门12，从采样阀门4中取出少量水溶液和孔隙介质样品， 供分析用；
⑤ 在运行过程中，根据观测试验要求杀灭微生物时，关闭进水阀门12,光 源5使用紫外光源，对实验箱体1局部或者整个箱体照射5~30分钟；
⑥ 在运行过程中，排水水箱12取出水溶液样品，供分析用。
权利要求
1、一种微生物地下水渗流阻塞观测的方法，其特征在于包括以下步骤①往观测装置的实验箱体中加入透水的孔隙介质；②根据观测试验不同地下水压力，由水泵调节上游控制水箱的水位，使实验箱体中水流稳定，光源恒定照射实验箱体，用数字相机记录箱体透射的光线，由计算机处理储存微生物聚集密度和孔隙介质密度数据；③控制水箱的水位和营养物质根据观测试验要求，间隔1秒～24小时，数字相机记录图像储存，长期运行；④根据观测试验定量分析微生物聚集密度和孔隙介质密度的要求，从实验箱体的采样阀门取出含微生物水溶液和孔隙介质样品，供分析用；⑤根据观测试验要求杀灭微生物时，关闭进水水阀，光源改用紫外光源，对局部或者整个实验箱体照射5～30分钟；所述的透水孔隙介质指细砂、粗砂、土壤、碎石自然地下含水层介质或玻璃珠、塑料珠人造介质的其中一种。
2、 一种实现权利要求1所述的微生物地下水渗流阻塞观测方法的装置，包括实验箱体(1)、滤网(2、 3)、采样阀门(4)、光源(5)、数字相机(6)、 控制水箱(8)、进水阀门(12)和排水水箱(14)，其特征在于实验箱体(1) 上下箱壁带有采样阀门(4)，实验箱体(1)内在入水口和出水口处有滤网(2、 3)，实验箱体(l)内装孔隙介质，实验箱体(l)入水口的上游，储水水箱(IO) 与水泵(9)相连，水泵(9)与控制水箱(8)相连，入水管(11)与实验箱 体(1)相连，出水管(13)与实验箱体(1)和排水水箱(14)相连，光源、 数字相机(6)放置在实验箱体(1)厚度方向的两侧，数字相机与计算机相连。
3、 根据权利要求2 ff述的一种微生物地下水渗流阻塞观测方法的装置， 其特征在于所述的实验箱体(1)为扁平长方形，厚度1 2厘米。
4、 根据权未」要求2所述的一种微生物地下水渗流阻塞观测方法的装置， 其特征在于所述的入水管(11)分别与实验箱体(1)、控制水箱(8)相连， 在入水管(11)上装有进水阀门(12)，水泵(9)通过水管分别与控制水箱(8)、 储水水箱(10)相连。
全文摘要
本发明公开了一种微生物地下水渗流阻塞观测的方法及装置，步骤是①往实验箱体中加入孔隙介质；②调节上游控制水箱水位使水流稳定，光源恒定照射，记录箱体透射的光线；③控制水箱的水位和营养物质，数字相机记录图像储存；④定量分析微生物聚集密度和孔隙介质密度，从实验箱体的采样阀门取出含微生物水溶液和孔隙介质样品；⑤紫外光线杀灭微生物；实验箱体箱壁带有阀门，有过滤网，储水水箱与水泵相连，水泵与控制水箱相连，入水管与实验箱体相连。直接观测和记录微生物在孔隙介质中的繁殖运移、阻塞方式以及水流动通道的变化，获取观测数据，易于控制微生物活性，便于取样分析，适于模拟研究地下水源热泵系统的生物渗流阻塞问题。
文档编号G01N33/24GK101458247SQ20091006043
公开日2009年6月17日 申请日期2009年1月6日 优先权日2009年1月6日
发明者刘小燕, 刘泉声, 张程远 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所