生物膜反應(yīng)器內(nèi)微生物運動及附著特性研究.pdf

1、人類社會對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，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，在國際上被普遍認(rèn)為更具有競爭力和廣闊的發(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

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)的成膜過程分為懸浮液內(nèi)游離態(tài)細(xì)菌運動到壁面、細(xì)菌穩(wěn)定吸附到壁面以及生物膜的生長三個過程?，F(xiàn)有對生物膜反應(yīng)器內(nèi)成膜過程的研究主要集中在細(xì)菌的吸附及生物膜的生長。而對游離細(xì)菌運動的研究主要集中在鞭毛的運動機(jī)理上，未綜合考慮細(xì)菌運動過程中的鞭毛運動、布朗運動和細(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)、流場及濃度場等實際運行條件。微生物的運動及在固體壁面的附著會直接影響

3、生物膜反應(yīng)器內(nèi)的成膜過程，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動、布朗運動、翻滾運動、反應(yīng)器內(nèi)流場變化、趨化運動等因素的數(shù)學(xué)模型，分析了在生物膜形成的初期階段微生物的運動及在壁面上的附著特性，本文的研究內(nèi)容如下：
　?、偈紫葟奈⑸锏慕Y(jié)構(gòu)出發(fā)，對運動狀態(tài)的微生物進(jìn)行了受力分析。根據(jù)流體繞流細(xì)菌時低雷諾數(shù)的特點，在“阻力理論”的基礎(chǔ)上得到了細(xì)菌鞭毛運動過程中的相關(guān)運動參數(shù)計算方法。在此基礎(chǔ)上，

4、分析了布朗運動對微生物運動的影響。此外，模型還考慮了微生物翻滾行為。計算得到的細(xì)菌在液體中的運動軌跡與文獻(xiàn)中實驗觀察得到的結(jié)果對比，證明了本文提出的數(shù)值模型的合理性與準(zhǔn)確性。
　?、诶媒⒌奈⑸镞\動的數(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)液溫度對微生物運動行為的影響。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，運動速度越小；具有翻滾能力的細(xì)菌運動相同的距離所需要的時間遠(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)菌的運動速度越低；在10-25℃范圍內(nèi)，細(xì)菌培養(yǎng)液溫度越高，細(xì)菌的運動速度越快。
　?、蹫榱搜芯可锬し磻?yīng)器的不同的結(jié)構(gòu)形式對微生物運動及附著過程的影響，以堆疊床生物膜反應(yīng)器為研究對象，分析了微生物在不規(guī)則空間的運動與附著特性。結(jié)果表明：通過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程更快；不具有翻滾能力的微生物的附著過程遠(yuǎn)快于具有翻滾能力的微

6、生物；而對于具有翻滾能力的微生物，液體粘度對微生物在不規(guī)則空間內(nèi)的附著過程影響不大。
　?、茚槍ι锬し磻?yīng)器內(nèi)常見的液相流動條件，建立了微生物在流場內(nèi)運動的數(shù)值模型，分析了在不同的流場形式下微生物在固體表面的附著。結(jié)果表明：不同的流型會改變吸附到固體表面的細(xì)菌的密度。通過分析發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌在流場內(nèi)的運動主要包括兩種形式：細(xì)菌自身的運動（包含布朗運動和翻滾行為）和細(xì)菌跟隨流體的運動。在流動邊界層內(nèi)，細(xì)菌自身的運動占據(jù)主導(dǎo)地位，而細(xì)菌自身

7、運動速度一般情況下遠(yuǎn)小于液體流動的速度。因此，流型變化導(dǎo)致的較小的邊界層厚度能使細(xì)菌運動到固體壁面的時間更短，加快游離態(tài)細(xì)菌在壁面的附著。
　?、葆槍ι锬し磻?yīng)器內(nèi)常見的化學(xué)濃度梯度，建立了微生物趨化運動的數(shù)值模型。微生物的趨化運動來自于在不同化學(xué)濃度下對微生物對其運動行為的主動調(diào)整。利用該趨化運動模型，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動。
　　⑥為了深入分析微生物的趨化運動并將其應(yīng)用于強(qiáng)化生物