生物膜反應(yīng)器內(nèi)微生物運(yùn)動(dòng)及附著特性研究.pdf

1、人類社會(huì)對(duì)化石燃料的依賴引起了全球變暖、空氣污染等嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。積極開發(fā)環(huán)境友好和符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可再生能源，成為關(guān)系中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。在各種可再生能源中，生物質(zhì)能源具有可再生、天然可用、富含能量、污染物質(zhì)少等優(yōu)點(diǎn)，有潛力替代現(xiàn)有的化石燃料。微生物能源轉(zhuǎn)化技術(shù)作為生物質(zhì)能源的一種重要形式，具有條件溫和、環(huán)境友好以及能量投入低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際上被普遍認(rèn)為更具有競(jìng)爭(zhēng)力和廣闊的發(fā)展前景。生物膜反應(yīng)器以其高穩(wěn)定性、可重復(fù)連續(xù)使用的優(yōu)點(diǎn)

2、成為微生物能源轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中最常用一種形式。
　　生物膜反應(yīng)器內(nèi)的成膜過(guò)程分為懸浮液內(nèi)游離態(tài)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)到壁面、細(xì)菌穩(wěn)定吸附到壁面以及生物膜的生長(zhǎng)三個(gè)過(guò)程?，F(xiàn)有對(duì)生物膜反應(yīng)器內(nèi)成膜過(guò)程的研究主要集中在細(xì)菌的吸附及生物膜的生長(zhǎng)。而對(duì)游離細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的研究主要集中在鞭毛的運(yùn)動(dòng)機(jī)理上，未綜合考慮細(xì)菌運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的鞭毛運(yùn)動(dòng)、布朗運(yùn)動(dòng)和細(xì)菌的翻滾行為，也未考慮生物膜反應(yīng)器內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)及濃度場(chǎng)等實(shí)際運(yùn)行條件。微生物的運(yùn)動(dòng)及在固體壁面的附著會(huì)直接影響

3、生物膜反應(yīng)器內(nèi)的成膜過(guò)程，并最終決定生物膜反應(yīng)器的性能。本文以生物膜反應(yīng)器為背景，建立了綜合考慮鞭毛運(yùn)動(dòng)、布朗運(yùn)動(dòng)、翻滾運(yùn)動(dòng)、反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)變化、趨化運(yùn)動(dòng)等因素的數(shù)學(xué)模型，分析了在生物膜形成的初期階段微生物的運(yùn)動(dòng)及在壁面上的附著特性，本文的研究?jī)?nèi)容如下：
　?、偈紫葟奈⑸锏慕Y(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的微生物進(jìn)行了受力分析。根據(jù)流體繞流細(xì)菌時(shí)低雷諾數(shù)的特點(diǎn)，在“阻力理論”的基礎(chǔ)上得到了細(xì)菌鞭毛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，

4、分析了布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)微生物運(yùn)動(dòng)的影響。此外，模型還考慮了微生物翻滾行為。計(jì)算得到的細(xì)菌在液體中的運(yùn)動(dòng)軌跡與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)觀察得到的結(jié)果對(duì)比，證明了本文提出的數(shù)值模型的合理性與準(zhǔn)確性。
　　②利用建立的微生物運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模型，分析了微生物尺寸參數(shù)、翻滾能力、細(xì)菌培養(yǎng)液粘度、細(xì)菌培養(yǎng)液溫度對(duì)微生物運(yùn)動(dòng)行為的影響。結(jié)果表明：在其他參數(shù)保持不變的情況下，細(xì)菌尺寸越大，運(yùn)動(dòng)速度越小；具有翻滾能力的細(xì)菌運(yùn)動(dòng)相同的距離所需要的時(shí)間遠(yuǎn)大于不具有翻滾能力的細(xì)

5、菌；細(xì)菌培養(yǎng)液粘度越大，細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)速度越低；在10-25℃范圍內(nèi)，細(xì)菌培養(yǎng)液溫度越高，細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)速度越快。
　?、蹫榱搜芯可锬し磻?yīng)器的不同的結(jié)構(gòu)形式對(duì)微生物運(yùn)動(dòng)及附著過(guò)程的影響，以堆疊床生物膜反應(yīng)器為研究對(duì)象，分析了微生物在不規(guī)則空間的運(yùn)動(dòng)與附著特性。結(jié)果表明：通過(guò)改變堆疊形式或者減小顆粒直徑增大比表面積可以加快懸浮態(tài)微生物附著到堆疊顆粒表面；較小尺寸的微生物的附著過(guò)程更快；不具有翻滾能力的微生物的附著過(guò)程遠(yuǎn)快于具有翻滾能力的微

6、生物；而對(duì)于具有翻滾能力的微生物，液體粘度對(duì)微生物在不規(guī)則空間內(nèi)的附著過(guò)程影響不大。
　　④針對(duì)生物膜反應(yīng)器內(nèi)常見的液相流動(dòng)條件，建立了微生物在流場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模型，分析了在不同的流場(chǎng)形式下微生物在固體表面的附著。結(jié)果表明：不同的流型會(huì)改變吸附到固體表面的細(xì)菌的密度。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌在流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)主要包括兩種形式：細(xì)菌自身的運(yùn)動(dòng)（包含布朗運(yùn)動(dòng)和翻滾行為）和細(xì)菌跟隨流體的運(yùn)動(dòng)。在流動(dòng)邊界層內(nèi)，細(xì)菌自身的運(yùn)動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)地位，而細(xì)菌自身

7、運(yùn)動(dòng)速度一般情況下遠(yuǎn)小于液體流動(dòng)的速度。因此，流型變化導(dǎo)致的較小的邊界層厚度能使細(xì)菌運(yùn)動(dòng)到固體壁面的時(shí)間更短，加快游離態(tài)細(xì)菌在壁面的附著。
　?、葆槍?duì)生物膜反應(yīng)器內(nèi)常見的化學(xué)濃度梯度，建立了微生物趨化運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模型。微生物的趨化運(yùn)動(dòng)來(lái)自于在不同化學(xué)濃度下對(duì)微生物對(duì)其運(yùn)動(dòng)行為的主動(dòng)調(diào)整。利用該趨化運(yùn)動(dòng)模型，本文分析了微生物在不同濃度、不同形式濃度梯度下微生物的趨向性運(yùn)動(dòng)。
　?、逓榱松钊敕治鑫⑸锏内吇\(yùn)動(dòng)并將其應(yīng)用于強(qiáng)化生物