生物膜分形結(jié)構(gòu)形成的模擬及理論分析.pdf

1、在復(fù)雜的環(huán)境體系中，生物膜是一種較為常見(jiàn)的生物形態(tài)，其應(yīng)用十分廣泛，涉及環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域。生物膜體系是一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的、開(kāi)放的熱力學(xué)系統(tǒng)，涉及多種組分、多個(gè)物種的復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，最終形成了復(fù)雜的、有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它的形成是物理、化學(xué)、生物綜合作用的結(jié)果。到目前為止，有關(guān)生物膜廢水處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究仍然相當(dāng)缺乏。 本文首先分析了推流式反應(yīng)器(PFR)內(nèi)生物膜形成與穩(wěn)定的各種因素，提出了一個(gè)綜合考慮懸浮微生

2、物與附著微生物相互轉(zhuǎn)化形成生物膜的非線性反應(yīng)-擴(kuò)散模型。通過(guò)理論解析詳細(xì)地討論了洗出平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性與非平凡穩(wěn)定狀態(tài)的存在性，揭示了推流式反應(yīng)器系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程即掛膜過(guò)程的物理機(jī)理，對(duì)廢水處理工程中推流式生物反應(yīng)器的成功啟動(dòng)與運(yùn)行具有指導(dǎo)性意義。 生物膜的形成過(guò)程本質(zhì)上是物理學(xué)中典型的分形生長(zhǎng)過(guò)程，本文通過(guò)對(duì)分形物理學(xué)中的生長(zhǎng)模型--有限擴(kuò)散凝聚(DLA)模型的限制與修正(將限制性DLA模型的生長(zhǎng)區(qū)域控制在平面坐標(biāo)的第一象限內(nèi))，

3、模擬出了生物膜單一定殖點(diǎn)的分形結(jié)構(gòu)。針對(duì)這一結(jié)構(gòu)，量化討論了其形成過(guò)程中標(biāo)度分形結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)：分形維數(shù)、生長(zhǎng)率、最終生長(zhǎng)半徑以及最大縱橫比，并理論分析了這些參數(shù)對(duì)生物膜廢水處理工程實(shí)際處理效果的影響。 生物膜系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)由大量微生物細(xì)胞自組織而成的復(fù)雜的非平衡熱力學(xué)系統(tǒng)，本文利用新統(tǒng)計(jì)力學(xué)--最大流原理(MFP)從理論上分析并推導(dǎo)出了生物膜分形結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，進(jìn)一步探討和揭示了生物膜形成過(guò)程中的合作、競(jìng)爭(zhēng)、相變、復(fù)制、遺