李書環(huán), 解芳蕓，楊帆，梁廣源

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給水管網(wǎng)生物膜反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

李書環(huán), 解芳蕓，楊帆，梁廣源

（天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津300384）

生物反應(yīng)器用于模擬給水管網(wǎng)中生物膜的生成。從合理有效模擬的角度出發(fā)，進行了生物反應(yīng)器的方案設(shè)計，并就立軸結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了詳細介紹。所設(shè)計反應(yīng)器能夠模擬不同溫度、不同水體以及不同附著材料等情況下生物膜的生長。

生物反應(yīng)器；生物膜；立軸結(jié)構(gòu)

隨著人們對飲用水水質(zhì)要求的提高，給水管網(wǎng)水質(zhì)的研究越來越受到重視。研究發(fā)現(xiàn)，在給水管網(wǎng)寡營養(yǎng)的條件下，約有95%的細菌會附著在管壁上[1]，借助于管壁濕潤的基質(zhì)生長并分泌黏性聚合物形成生物膜。這些生物膜對消毒劑、機械沖刷等抗性極強，并會導(dǎo)致給水管網(wǎng)的腐蝕及水質(zhì)的惡化。為了控制和去除生物膜，需對生物膜的形成過程和機理進行研究?；诖?，研制了BAR（Biological Annular Reactor）環(huán)狀生物膜反應(yīng)器[1]。

1 生物反應(yīng)器應(yīng)滿足的條件

生物反應(yīng)器應(yīng)能合理、有效地模擬實際管網(wǎng)生物膜生長狀況。理想情況下，生物反應(yīng)器不僅能提供持續(xù)剪切力，還可以重復(fù)取樣，以觀察生物膜隨時間和空間的發(fā)展在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的變化[2]。研究生物膜的多樣性也是目前的集中點，因此，生物反應(yīng)器應(yīng)能模擬研究溫度、消毒種類和方式、消毒劑余量、營養(yǎng)物質(zhì)濃度、附著材料等對生物膜生長的影響，以及發(fā)現(xiàn)新的微生物種類等。

2 生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，反應(yīng)器由內(nèi)外兩個圓筒相套而成。內(nèi)部套筒盛裝實驗用水，套筒上下有水體進出口，實驗中，即可采用水體循環(huán)式模擬給水管網(wǎng)中不斷流動更新的水體，也可采用非循環(huán)式用以模擬給水管網(wǎng)中具有停留時間的水體，取用不同的水體即可進行消毒種類和方式、消毒劑余量、營養(yǎng)物質(zhì)濃度等對生物膜影響的實驗。內(nèi)部套筒內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子表面均勻加工有軸向槽，槽內(nèi)安裝膜片，為實驗附著材料對生物膜的影響，膜片可選用不同材料；內(nèi)部套筒上面開有膜片插拔口，便于隨時以及重復(fù)取樣；轉(zhuǎn)子由電機帶動旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速大小由變頻器調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子附帶的膜片在與水的運動中產(chǎn)生剪切力,不同的轉(zhuǎn)速能夠模擬不同的剪切力。外部套筒盛裝恒溫水，保證實驗水體處于一定的溫度，以進行不同溫度對生物膜的影響實驗；套筒上下有恒溫水入出口。內(nèi)外套筒不相通[1]。

3 生物反應(yīng)器零部件設(shè)計

生物反應(yīng)器設(shè)計過程中主要解決以下幾個問題。

3.1 內(nèi)外圓筒固定及反應(yīng)器密封

如圖2所示，反應(yīng)器由兩個圓筒相套而成，內(nèi)部套筒填裝實驗水體，直徑156 mm，高180 mm，外部套筒填裝恒溫水，直徑200 mm，高190 mm，內(nèi)外套筒材料采用有機玻璃。為固定套筒位置，將上下底板做成階梯式，底板材料采用聚乙烯。同時，為增強反應(yīng)器剛度，增加上下加強板，加強板材料為鋁。上下底板與加強板用聯(lián)接螺桿聯(lián)接，進一步增加反應(yīng)器剛度。

反應(yīng)器采用O型圈密封。

圖2 反應(yīng)器內(nèi)外筒裝配示意圖

3.2 反應(yīng)器立軸軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計

反應(yīng)器工作時，是由電動機通過聯(lián)軸器帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子裝在立軸上。為減小摩擦，立軸采用軸承支承，軸承需既能承受徑向力又能承受軸向力；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，不可避免會產(chǎn)生擺動，選用的軸承應(yīng)該能夠具有調(diào)心作用；同時，軸系結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠適應(yīng)軸的軸向適量伸縮[3-5]?；诖?，提出了以下幾種設(shè)計方案[6]。

圖3為立軸上端支承方式，圖3a采用圓錐滾子軸承支承，圖3b采用圓柱滾子軸承支承，兩種支承形式都能適應(yīng)軸的軸向適量伸縮，但圖3a在承受徑向力的同時，還能承受部分軸向力，對立軸系統(tǒng)有提拉作用，以減小立軸下端支承摩擦。

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圖4為下端支承方式。圖4a中，下端采用雙列調(diào)心軸承、推力軸承組合型；圖4b中，下端采用雙列調(diào)心軸承、推力軸承、調(diào)心半球（球面瓦）組合型；圖4c中，下端采用調(diào)心半球支承，立軸軸頸與半球形成過渡配合，半球球面與下軸承座接觸，形成滑動摩擦；圖4d中，下端采用雙列調(diào)心球軸承和萬向滾珠組合型。

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圖4 立軸下端支承方式

3.3 立軸支承方式分析

圖4a、b中，當立軸由于各種原因產(chǎn)生彎曲或擺動時，立軸下端軸頸便與雙列調(diào)心軸承的內(nèi)圈一起繞其外圈球面中心轉(zhuǎn)動，軸的尾部及推力軸承也將有一定角度的偏轉(zhuǎn)，對于圖4b，推力軸承由調(diào)心半球支承，因此調(diào)心半球轉(zhuǎn)動可以適應(yīng)軸尾部的偏轉(zhuǎn)，但結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜。對于圖4a，由于推力軸承由固定不動的下底板支承，軸尾的偏轉(zhuǎn)受到限制，當軸尾偏轉(zhuǎn)角度比較大時，推力軸承將由于局部受力過大而破壞，頻繁出現(xiàn)故障[6]。圖4c中，調(diào)心半球隨同立軸旋轉(zhuǎn)，當立軸轉(zhuǎn)動并據(jù)有一定彎曲或擺動時，調(diào)心半球繞軸承座凹球中心做三維擺動，適應(yīng)軸端的偏轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)比較簡單，但半球加工復(fù)雜[7]；圖4d中，調(diào)心軸承與萬向滾珠都為標準件，可成品外購，加工方便，而且能夠適應(yīng)軸的彎曲或擺動。所以，優(yōu)選方案圖3a與圖4d組合。

4 結(jié)語

根據(jù)生物反應(yīng)器功能要求，對反應(yīng)器進行了方案設(shè)計，并就立軸軸系結(jié)構(gòu)進行了方案分析，最終選擇立軸上端采用圓錐滾子軸承支承，立軸下端采用調(diào)心軸承及萬向滾珠組合支承，此組合既簡化了結(jié)構(gòu)又能適應(yīng)立軸一定角度的偏轉(zhuǎn)，對立軸結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考作用。

[1] 叢樂．給水管網(wǎng)水力運行參數(shù)及溫度對水質(zhì)影響的實驗研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011．

[2] 劉慧娜，孫吉慧，沈加艷．給水管網(wǎng)中管壁生物膜對水質(zhì)二次污染的影響[J]．環(huán)?？萍?，2009，15（4）：9-13．

[3] 李秀珍，曲玉峰．機械設(shè)計基礎(chǔ)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1998．

[4] 王成燾．現(xiàn)代機械設(shè)計—思想與方法[M]．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社，1999．

[5] 濮良貴，紀名剛．機械設(shè)計[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[6] 劉平成．低速重載立式軸支承及鍵聯(lián)接方案的研究[J]．煤礦機械，2006，27（9）：59-62．

[7] 祝亞峰，郭麗霞．球面調(diào)心機構(gòu)應(yīng)用及球面加工工藝[J].金屬加工，2011（4）：32-34．

責任編輯：楊霞

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

國家自然科學(xué)基金項目“再生水管網(wǎng)生物膜中微生物代謝產(chǎn)物對水泥內(nèi)襯管的腐蝕機理”（51308392）；天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“生物反應(yīng)器創(chuàng)新設(shè)計”（201510061012）

李書環(huán)（1967－），女，河北故城人，副教授，碩士，主要從事機械設(shè)計方面的研究與教學(xué)工作。E-mail：hblshh@163.com。