一种用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶、测定装置及测定方法与流程

本发明涉及污水处理领域，更具体地，涉及一种用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶、测定装置及测定方法。

背景技术：

流化床生物膜反应器（mbbr）是一类新型的生物膜反应器，是在固定床反应器、流化床反应器和生物滤池的基础上发展起来的一种改进的新型复合生物膜反应器。该工艺中需要使用悬浮填料，从而为微生物提供适合的生长环境。测定mbbr悬浮填料上生物膜的呼吸动力学特征，对优化污水处理工艺设计和运行来说极为重要。

现有测定mbbr填料上生物膜呼吸动力学特征的方法有两种。一种是直接将填料投入呼吸瓶中，并配以磁力搅拌，从而进行呼吸动力学测试；测试过程中填料会干扰磁力搅拌子的转动，影响氧传质；另外，磁力搅拌子会将填料上的生物膜刮落，从而破坏生物膜结构，影响测定结果；实际上无法实现测定。另一种是，对mbbr填料直接进行离心处理，使填料上的生物膜脱落，并悬浮在水中，再按常规方法进行呼吸动力学实验；该方法对填料上的生物膜造成了不可逆的伤害；同时，生物膜的脱落导致氧气在填料生物膜表面的传质速率发生了改变，而不能真实反映生物膜的呼吸动力学特征。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶，所述呼吸瓶结合常规的呼吸仪使用，可无破坏、简单、快速、“原位”地表征mbbr填料上生物膜的呼吸动力学特征，且不会破坏mbbr填料上生物膜的原有结构并减少测试过程对生物膜的伤害，测定结果更真实准确。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶，所述呼吸瓶包括瓶体、二氧化碳吸收管和设置在瓶体内部的穿孔隔板；所述穿孔隔板将所述瓶体内部分隔为氧传质搅拌区及生物膜反应区，所述氧传质搅拌区设有搅拌装置，所述生物膜反应区用于放置mbbr填料；所述二氧化碳吸收管设有透气孔并含有能够吸收co2的溶液，以吸收所述瓶体内的co2；所述穿孔隔板具有第一孔和第二孔，所述第一孔位于所述穿孔隔板的中部和下部并作为液体交换通道，所述第二孔位于所述穿孔隔板的上部并作为气体交换通道，所述氧传质搅拌区通过所述液体交换通道和所述气体交换通道与所述生物膜反应区连通。

所述穿孔隔板将瓶体内部分隔为氧传质搅拌区及生物膜反应区，氧传质搅拌区放置搅拌装置，生物膜反应区放置mbbr填料，使得mbbr填料不会干扰搅拌装置，搅拌装置也不会将mbbr填料上的生物膜刮落，进而避免对生物膜造成不可逆的伤害。搅拌装置用于促使氧气溶于水中。呼吸瓶中mbbr填料上附着的微生物在生物膜反应区发生生物反应，消耗水中的溶解氧，同时释放co2，co2通过穿孔隔板的气流交换通道进入氧传质搅拌区，并且被二氧化碳吸收管中能够吸收co2的溶液吸收。这种构造一方面保证氧传质搅拌区及生物膜反应区的气-液交换的充分进行，另一方面避免了搅拌装置对mbbr填料上生物膜的破坏，可无破坏、原位测定填料上生物膜的呼吸动力学特征。

可选地，所述能够吸收co2的溶液为koh溶液或naoh溶液等碱性溶液。不同的溶液会导致用量有所不同。

优选地，所述瓶体设有第一瓶口和第二瓶口，所述第一瓶口对应于所述氧传质搅拌区，所述第二瓶口对应于所述生物膜反应区；所述第一瓶口设有用于密封的顶空瓶盖，所述第二瓶口设有用于密封的密封瓶盖。可通过第一瓶口将搅拌装置从氧传质搅拌区中取出或放置在氧传质搅拌区中；可通过第二瓶口将mbbr填料从生物膜反应区中取出或放置在生物膜反应区中；还可通过第一瓶口和/或第二瓶口对瓶体内相应的区域进行直接接触的操作，如清洗等。顶空瓶盖即中部开孔、内置垫片（如塑胶垫片）的瓶盖，尖锐的部件（如末端为针头的管件）可通过顶空瓶盖插入呼吸瓶的内部，而保持呼吸瓶的气密性。可根据呼吸瓶的第一瓶口大小、螺纹等而定制顶空瓶盖，使用时只需拧紧顶空瓶盖，即可保证呼吸瓶的气密性。

作为上述技术方案的改进，所述穿孔隔板为圆筒形并位于瓶体中部，圆筒形的穿孔隔板内部为氧传质搅拌区，圆筒形的穿孔隔板外部与瓶体之间为生物膜反应区。如此设置，在生物膜反应区中的mbbr填料上的微生物反应而释放的co2从圆筒形的穿孔隔板外部进入圆筒形的穿孔隔板内部的氧传质搅拌区，由此提高传质效果。

可选地，所述穿孔隔板的数量为两个，两个穿孔隔板之间为氧传质搅拌区，穿孔隔板与瓶体之间为生物膜反应区。当穿孔隔板的数量为两个时，在两侧的生物膜反应区中的mbbr填料上的微生物反应而释放的co2从两侧的生物膜反应区进入中部的氧传质搅拌区，由此提高传质效果。所述穿孔隔板的数量可根据实际需要而改变。

作为上述技术方案的进一步的改进，所述瓶体设有第一瓶口和两个第二瓶口，所述第一瓶口对应于所述氧传质搅拌区，所述两个第二瓶口分别对应于两个生物膜反应区；所述第一瓶口设有用于密封的顶空瓶盖，所述两个第二瓶口分别设有用于密封的密封瓶盖。这种构造适应于包括两个穿孔隔板的呼吸瓶。第一瓶口和第二瓶口的数量可根据穿孔隔板的数量而改变。

优选地，所述二氧化碳吸收管位于所述瓶体内部并连接至所述顶空瓶盖。在这种构造下，所述二氧化碳吸收管位于氧传质搅拌区，生物膜反应区排放出来的co2通过穿孔隔板的气流交换通道进入氧传质搅拌区，然后被位于氧传质搅拌区的二氧化碳吸收管中能够吸收co2的溶液吸收。二氧化碳吸收管也可以位于生物膜反应区，这种构造也能获得测定结果，且不会影响测定结果的精确度。

作为上述技术方案的改进，所述生物膜反应区底部的所述瓶体的边角处还设有边角斜板。在生物膜反应区底部设置边角斜板能够避免生物膜反应区中的mbbr填料在测定过程中形成氧传质死角，从而保证测定过程的有效进行。

可选地，所述瓶体为长方体或圆柱体。由于呼吸瓶中搅拌装置使得氧传质搅拌区中的水流形成漩涡状，水流向四周扩散，因此瓶体为圆柱体的呼吸瓶更有利于水流与mbbr填料混合。瓶体为圆柱体的呼吸瓶更适于采用圆筒形的穿孔隔板。

作为上述技术方案的改进，所述第一孔的数量为多个，所述液体交换通道平均分布在所述穿孔隔板的中部和下部。一般来说，液体交换通道的尺寸较小，防止放置在所述生物膜反应区的mbbr填料进入氧传质搅拌区。而气体交换通道的尺寸较大，防止阻止气体交换的液膜形成。

优选地，所述搅拌装置为磁力搅拌子，位于所述氧传质搅拌区的底部。磁力搅拌子位于氧传质搅拌区的底部则不会影响漩涡的形成。

一种生物膜呼吸速率的测定装置，包括用于测定氧气吸收速率的呼吸仪和上述呼吸瓶，所述呼吸仪与所述呼吸瓶的内部连通。呼吸瓶中mbbr填料上附着的微生物在生物膜反应区发生生物反应，消耗水中的溶解氧，同时释放co2，co2通过穿孔隔板的气流交换通道进入氧传质搅拌区，并且被二氧化碳吸收管中能够吸收co2的溶液吸收，从而呼吸瓶瓶内形成负压。所述呼吸仪包括呼吸仪元件和氧气瓶，所述呼吸仪元件与所述呼吸瓶连接，所述呼吸仪元件与所述氧气瓶连接。所述呼吸瓶从与呼吸仪元件连接的氧气瓶吸气；吸气的速率和总量被呼吸仪元件记录下来。根据呼吸仪元件记录的氧气吸收速率，即可计算出测试的mbbr填料的呼吸动力学参数。

优选地，所述呼吸仪元件通过第一管道与所述呼吸瓶连接，所述呼吸仪元件通过第二管道与所述氧气瓶连接，所述第一管道的一端设有针头，所述针头插入所述呼吸瓶的顶空瓶盖而进入所述呼吸瓶的内部。

一种生物膜呼吸速率的测定方法，采用上述测定装置进行，包括如下步骤：

s1、将已经附有生物膜的mbbr填料投入至生物膜反应区中，加入水样将所述生物膜反应区中的所述mbbr填料浸没；

s2、将能够吸收co2的溶液加入至二氧化碳吸收管中，密封生物膜反应区和氧传质搅拌区，将呼吸仪通过管道连接至呼吸瓶内，启动位于氧传质搅拌区的搅拌装置；

s3、获取所述呼吸仪所记录吸气的速率和总量。

所述水样一般是mbbr培养反应器的出水，也可以根据需要配备适宜微生物生长的溶液。所述mbbr填料上附着的微生物在所述生物膜反应区中发生生物反应，消耗水中的溶解氧，同时释放co2，co2通过穿孔隔板的气体交换通道进入氧传质搅拌区，并通过透气孔被二氧化碳吸收管中能够吸收co2的溶液吸收，从而呼吸瓶瓶内形成负压。所述呼吸仪包括呼吸仪元件和氧气瓶，所述呼吸仪元件与所述呼吸瓶连接，所述呼吸仪元件与所述氧气瓶连接。呼吸瓶从连接至呼吸仪元件的氧气瓶吸气，由于搅拌装置的搅拌作用，氧传质搅拌区的水流形成漩涡状，从而使新补充进来的氧气迅速溶解在水中。富含氧气的水流通过穿孔隔板的液体交换通道进入生物膜反应区，及时补充mbbr填料微生物反应所消耗掉的氧气，因此微生物反应得以持续发生。呼吸瓶吸气的速率和总量被呼吸仪元件记录下来。根据呼吸仪元件记录的氧气吸收速率，即可计算出测试的mbbr填料上生物膜的呼吸动力学特征。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所提供的用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶、测定装置及测定方法，通过具有液体交换通道和气体交换通道的穿孔隔板将瓶体内部分成氧传质搅拌区及生物膜反应区，氧传质搅拌区放置搅拌装置，生物膜反应区放置mbbr填料，使得mbbr填料不会干扰搅拌装置，搅拌装置也不会将mbbr填料上的生物膜刮落，进而避免对生物膜造成不可逆的伤害。这种构造一方面保证氧传质搅拌区及生物膜反应区的气-液交换的充分进行，另一方面避免了搅拌装置对mbbr填料上生物膜的破坏，保证填料上的生物膜氧气和营养物质的传质动力不会随实验时间改变。可无破坏、原位测定填料上生物膜的呼吸动力学特征。因此，本发明所提供的由于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶、测定装置及测定方法实现了对生物膜呼吸速率的原位测定，测定过程更简单、更快捷，测定结果更准确有效，测定结果有助于更准确真实地了解mbbr填料上生物膜的生长状况。

附图说明

图1为实施例1的用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶连接用于测定氧气吸收速率的呼吸仪组成测定装置的示意图。

图2为实施例1的呼吸瓶的俯视图。

图3为本发明的穿孔隔板的示意图。

图4为实施例2和实施例3的用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶连接用于测定氧气吸收速率的呼吸仪组成测定装置的示意图。

图5为实施例2的呼吸瓶的俯视图。

图6为实施例3的呼吸瓶的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但具体实施例并不对本发明作任何限定。除非特别说明，实施例中所涉及的试剂、方法均为本领域常用的试剂和方法。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分（具体的种类和构造可能相同也可能不同），并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

实施例1

图1为实施例1的用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶连接用于测定氧气吸收速率的呼吸仪组成测定装置的示意图，图2为实施例1的呼吸瓶的俯视图。如图1-2所示，本发明的一种用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶，包括瓶体1、二氧化碳吸收管11和设置在瓶体1内部的穿孔隔板6；穿孔隔板6将瓶体1内部分隔为氧传质搅拌区8及生物膜反应区3，氧传质搅拌区8设有搅拌装置7，生物膜反应区3用于放置mbbr填料2；二氧化碳吸收管11设有透气孔10并含有能够吸收co2的koh溶液，以吸收瓶体1内的co2；穿孔隔板6具有第一孔和第二孔，所述第一孔位于穿孔隔板6的中部和下部并作为液体交换通道5，所述第二孔位于穿孔隔板6的上部并作为气体交换通道12，氧传质搅拌区8通过液体交换通道5和气体交换通道12与生物膜反应区3连通。瓶体1设有第一瓶口和第二瓶口，所述第一瓶口对应于氧传质搅拌区8，所述第二瓶口对应于生物膜反应区3；所述第一瓶口设有用于密封的顶空瓶盖9，所述第二瓶口设有用于密封的密封瓶盖13。二氧化碳吸收管11位于瓶体1内部并连接至顶空瓶盖9。生物膜反应区3底部的瓶体1的边角处还设有边角斜板4。瓶体1为长方体。搅拌装置7为磁力搅拌子，位于氧传质搅拌区8的底部。

呼吸瓶与呼吸仪组成测定装置，所述呼吸仪包括呼吸仪元件和氧气瓶，所述呼吸仪元件通过第一管道与呼吸瓶连接，所述呼吸仪元件通过第二管道与所述氧气瓶连接，所述第一管道的一端设有针头，所述针头插入瓶体1的顶空瓶盖9而进入瓶体1的内部。

图3为本发明的穿孔隔板6的示意图。如图3所示，第一孔的数量为多个，液体交换通道5平均分布在穿孔隔板6的中部和下部。液体交换通道5的尺寸较小，防止放置在生物膜反应区3的mbbr填料2进入氧传质搅拌区8。而气体交换通道12的尺寸较大，防止阻止气体交换的液膜形成。

采用上述测定装置测定生物膜呼吸速率的方法，具体包括如下步骤：

s1、将已经附有生物膜的mbbr填料2投入至生物膜反应区3中，加入水样将生物膜反应区3中的mbbr填料2浸没；

s2、将能够吸收co2的koh溶液加入至二氧化碳吸收管11中，密封生物膜反应区3和氧传质搅拌区8，将呼吸仪元件通过第一管道连接至呼吸瓶内并通过第二管道连接至氧气瓶，启动位于氧传质搅拌区8的搅拌装置7；

s3、获取所述呼吸仪元件所记录吸气的速率和总量。

mbbr填料2上附着的微生物在生物膜反应区3中发生生物反应，消耗水中的溶解氧，同时释放co2，co2通过穿孔隔板6的气体交换通道12进入氧传质搅拌区8，并通过透气孔被二氧化碳吸收管11中能够吸收co2的koh溶液吸收，从而呼吸瓶瓶内形成负压。呼吸瓶从连接至呼吸仪元件的氧气瓶吸气，由于搅拌装置7的搅拌作用，氧传质搅拌区8的水流形成漩涡状，从而使新补充进来的氧气迅速溶解在水中。富含氧气的水流通过穿孔隔板6的液体交换通道5进入生物膜反应区3，及时补充mbbr填料2微生物反应所消耗掉的氧气，因此微生物反应得以持续发生。呼吸瓶吸气的速率和总量被呼吸仪元件记录下来。根据呼吸仪元件记录的氧气吸收速率，即可计算出测试的mbbr填料2上生物膜的呼吸动力学特征。

本发明所提供的用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶、测定装置及测定方法，通过具有液体交换通道5和气体交换通道12的穿孔隔板6将瓶体1分成氧传质搅拌区8及生物膜反应区3，氧传质搅拌区8放置搅拌装置7，生物膜反应区3放置mbbr填料2，使得mbbr填料2不会干扰搅拌装置7，搅拌装置7也不会将mbbr填料2上的生物膜刮落，进而避免对生物膜造成不可逆的伤害。这种构造一方面保证氧传质搅拌区8及生物膜反应区2的气-液交换的充分进行，另一方面避免了搅拌装置7对mbbr填料2上生物膜的破坏，可无破坏、原位测定填料上生物膜的呼吸动力学特征。因此，本发明所提供的用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶、测定装置及测定方法实现了对生物膜呼吸速率的原位测定，测定过程更简单、更快捷，测定结果更准确有效，测定结果有助于更准确真实地了解mbbr填料2上生物膜的生长状况。

实施例2

图4为实施例2和实施例3的用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶连接用于测定氧气吸收速率的呼吸仪组成测定装置的示意图，图5为实施例2的呼吸瓶的俯视图。本实施例为本发明呼吸瓶的第二实施例，如图4-5所示，与实施例1不同的是：本实施例中瓶体1为圆柱体；穿孔隔板6为圆筒形，圆筒形的穿孔隔板6内部为氧传质搅拌区8，圆筒形的穿孔隔板6外部与瓶体1之间为生物膜反应区3；穿孔隔板6位于瓶体1中部，第一瓶口对应于圆筒形的穿孔隔板内部的氧传质搅拌区8，瓶体1设有两个第二瓶口，所述两个第二瓶口对应于圆筒形的穿孔隔板外部的生物膜反应区3；所述两个第二瓶口分别设有用于密封的密封瓶盖13。

生物膜反应区3中的mbbr填料2上的微生物反应而释放的co2从圆筒形的穿孔隔板外部进入圆筒形的穿孔隔板内部的氧传质搅拌区8，由于呼吸瓶中搅拌装置使得氧传质搅拌区8中的水流形成漩涡状，水流向四周扩散。本实施例的呼吸瓶更有利于水流与mbbr填料2混合，由此提高传质效果。

实施例3

图4为实施例2和实施例3的用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶连接用于测定氧气吸收速率的呼吸仪组成测定装置的示意图，图6为实施例3的呼吸瓶的俯视图。本实施例为本发明呼吸瓶的第二实施例，如图4和图6所示，与实施例1不同的是：穿孔隔板6的数量为两个，两个穿孔隔板6之间为氧传质搅拌区8，穿孔隔板6与瓶体1之间为生物膜反应区3；瓶体1设有两个第二瓶口，所述两个第二瓶口分别对应于两个生物膜反应区3；所述两个第二瓶口分别设有用于密封的密封瓶盖13。

在两侧的生物膜反应区3中的mbbr填料2上的微生物反应而释放的co2从两侧的生物膜反应区3进入中部的氧传质搅拌区8，由于呼吸瓶中搅拌装置使得氧传质搅拌区8中的水流形成漩涡状，水流向四周扩散。本实施例的呼吸瓶更有利于水流与mbbr填料2混合，由此提高传质效果。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。