Multispecies生物膜
所有的模型我们已经考虑到目前为止在本章考虑只有一个类型的细菌生长在一个电子供体。此外,他们认为只有一种类型的电子受体。然而,正如我们看到当我们研究悬浮生长系统,如果有机碳和氨氮都是可用的,那么异养生物和自养生物都将增长如果环境条件是合适的。此外,如果一个电子供体存在但缺氧环境条件改变的有氧,然后兼性异养生物可以改变他们的电子受体的性质。我们已经看到,在生物膜和氧浓度随深度可以达到零。因此,如果硝酸存在,潜在的脱氮存在于生物膜内部的。换句话说,就像悬浮生长系统的潜在存在的许多事件在第三章所讨论的,可能也会存在于附着生长系统。因此,为了使模型通用实用工具,它应该考虑所有这些可能性。
生物膜内多个事件的建模是一个很好的交易更复杂的比他们的悬浮生长系统的建模。这有很多原因。首先是需要同时考虑运输和反应。我们已经看到如何处理一个电子供体和电子受体中提供散装液体。扩展这些概念到多个电子给体和受体的散装液体并不复杂;它只是增加了微分方程的数量,必须解决。然而,必须认识到,当一个电子受体如nitrite-N或nitrate-N生物膜内的生成,传输可以发生在或两个方向的一代,根据建立的浓度梯度。这一点。必须考虑的方程,有点复杂。另一个复杂事件的建模mul-tispecies biolilms之间的竞争是各种类型的细菌为电子受体。 Autotrophs require molecular oxygen as their electron acceptor and heterotrophs will use it in preference to nitrate-N and nitrite-N when it is present. We saw earlier, however, that heterotrophs have a lower half-saturation coefficient for oxygen than autotrophs do. This means that heterotrophs can lower the oxygen concentration within the biofilm to the point that autotrophs cannot grow. This puts the autotrophs at a disadvantage and limits the region in which they can grow. Perhaps the most important complication arises, however, from the competition for space within the biofilm. In a suspended growth system the biomass is distributed uniformly and is lost from the system in proportion to its concentration. In other words, all of the biomass has the same retention time. This is not true in an attached growth system. Rather, biomass grows outward from a solid support and is remov ed by detachment at the liquid-biofilm interface. This displacement toward the interface must be considered in any multispecies model. In addition, as we saw in Figure 15.6, the distribution of biomass is not uniform throughout the biofilm. This means that different types of bacteria have different residence times in the biofilm, and the model must be structured to consider this as well.
从上面的描述可以推断,multispecies生物膜是最复杂的建模活动建模的生化污水处理操作。因此,空间不允许我们探索这个主题相同的深度泰国我们探讨了单一物种,单一基质模型。相反,我们将只考虑几个关键概念。那些希望更好地了解这个话题应该读第11章生物膜和论文描述建模工作。“2”那些希望使用一个计算机代码实现一个通用multispecies生物膜模型应该获得一份AQUASIM.2”
理解任何multispecies生物膜模型在文献中,重要的是理解为什么一种类型的细菌在生物膜可以被另一个取代。也就是说,一个人必须理解空间竞争。考虑一个控制体积内生物膜,如图15.7。当净增长积极控制体积,生物量增加。如果生物质密度是常数,生物质必须交叉控制体积的边界,生物质通量。“0”4“的质量平衡控制体积必须结合通量的生物量从更深层次的生物膜内和生物量的变化向liquid-biofilm接口。生物量的变化控制体积综合净生物量的增长成正比,即,增长-衰变,更深层次的生物膜。”Biomass debris will also be generated within the biofilm due to decay (Eq. 3.57) and it will occupy space, also contributing to the flux. This flux causes the biofilm to increase in depth over time until the flux of biomass due to net growth is just balanced by the loss per unit area due to surface detachment. One effect of this flux, which starts at the biofilm-support interface and increases with distance from that interface, is a net migration of particles from the interior of the biofilm to the liquid-biofilm interface. If a particular species of bacteria cannot grow rapidly enough in the biofilm to equal this displacement, it will eventually be lost. Thus, the question of coexistence is one of whether the net growth rate of one species is great enough to allow it to compete with other species for space.
和Manerrr Rittmann已经开发出一种模型,包含我的稳态生物膜细菌物种只有竞争空间,即,他们每个人都有他们独特的电子供体,党卫军„和电子受体的浓度不是病原。它是一个稳态的生物膜模型的扩展提出了部分15.2.3,需要结合新的生物质与运输和反应质量平衡方程的基板。multispecies生物膜,任何一个物种的密度(包括生物残骸,XD)中放一小部分,总生物量密度,Xm:
X„„=中国股市基金)1 xl (, (15.51)
X |,„是我点的密度的物种在生物膜和Xm假定常数。(这种发展,X,„将被认为是一个X的值,,,,)。密度之和必须等于总密度,因此:
其中n是生物质类型的总数。一个稳态质量平衡在一个固定的物种,我控制的生物膜量导致:2
2 (M -, - b, f„) fM1, dx = (p。- b, f„) fxlll——fXB 2 (p。,- b, f„) fxl),
的值fXn, p。内部,而不是仅供位置x的积分,和f„是活跃的部分生物量导致生物量碎片,情商的定义。3.53。率系数b,是传统的衰减系数和p。是特定类型的生物量的比生长速率由我。例如,如果物种1是异养生物,p。,将成为jjl,,如果物种2是一个自养生物,p。:将一个| jl v情商的边界条件。15.53是没有任何物种的通量为附件表面:
稳态生物膜,所有物种的发展由于底物的利用率就等于失去超然和腐烂。对于multispecies,这可以写成:
Y ") = X»< (b”“L < + 2 J CfxB.f。»b。) dxj (15.55)
这个方程可以用在情商的地方。15.26编写一个模型时生物膜增长大型化和底物的利用率。使用像情商结合方程。与相关的边界条件为每个15.23我基质。
然后Manenr Rittmann使用Ssl的概念,mm决定是否共存的两个物种是可能的。首先,Sshmi„应计算每个物种使用Eq。15.22。大部分的物种底物浓度接近其Ssbm„,价值是存在于生物膜的能力是有问题的。这种发展,物种会被定义为物种2。必须满足两个条件的物种2 1与物种共存的生物膜。首先,它必须有一个积极的比生长速率在生物膜。结果:
在生物膜中的位置。第二,它必须有一个足够快的比生长速率,使它与物种1竞争空间。因为Ssh / Ss„minl大于Ssh
ySsi,„„„:,最有利的位置2物种与物种竞争1是附件表面附近,在Ssl是最低的。因为Jx = 0在附件表面(Eq。15.54), Eq。15.53给物种2:
(M -, - b:) - X fxl)我(M - b, f„)
因为外汇»;必须大于零的物种2出现,Eq。15.57中括号内的条款必须等于零。结果:
在这
W = - b, f„) +外汇,,,。^ - b: f„) (15.59)
和下标“像”是指附件表面的位置。这个术语b(称为竞争系数。在共存的极限,fXn;。公元前,接近零,在这种情况下,就被= fxnias (| xlas离岸价,)(15.60)
最低散装液体浓度的底物2只允许共存的两个物种可以通过指出,它必须提供一个特定的增长率为物种2附件表面满足Eq。15.58。结果:
Ssl, =。+)(15.61)
。q2Y (b + b () V '
15.60 b(被定义为情商。。换句话说,人们可以使用一个衬底,单一物种模型来估计p。,,,,允许b,量化。这将允许Sshnim2(量化。如果Sh;大于这个值,那么这两个物种在生物膜能够共存。
检查Eq。15.61表明,它类似于情商。15.22为单个物种生物膜,除了b(取代b,,。此前限制的共存的事实,物种2超然的物种保护1,但必须足够快速增长与空间。的特殊情况物种的生物膜深1,即。党卫军,= 0 x > 0,有限体积法。,,趋于0,这使得b <方法零。27日在这种情况下,党卫军„minJ(-是:
Ssbn„„; t - =。v -。(15.62)
一样一个单一物种生物膜发生不分离。当生物膜完全覆盖了对底物1,fxm ^方法1,b(方法b„, Sshm„我(由党卫军|的标准方程,给出零„,Eq。15.22。:对所有情况下完全渗透和深度生物膜,Ssi, m,„: <从情商的价值会逐渐减少。15.22 - 15.62由情商的价值。。因此,有一个更深层次的生物膜对物种1保护物种2、超然和降低其有效海温问,„价值。
上述分析表明,增长缓慢的物种可以免受损失提供公元前小于b | >。这个分析的警告是,它假设两个物种不争夺极限浓度的电子受体。如果发生,两个物种在生物膜内的特定的增长率也将受到电子受体浓度剖面和它们的相对half-saturation系数。这大大复杂化分析和很难想出上面做了一个标准。然而,华纳和Gujer1”调查的问题hetero-trophs和自养生物争夺溶解氧之间的竞争提供散装液体和检验共存的条件。互动双莫诺方程,Eq。3.46,是用来表达电子供体和电子受体的影响比生长速率的每种类型的有机体。硝化作用被认为发生在一个步骤中完成国际水质协会(IAWQ)活性污泥模型(ASM) 1号。分析问题的动力学和化学计量系数在表15.2的结果如图15.20所示。散装液体可生物降解的COD和氨氮浓度的任意组合,在于区H将导致一个完全异养生物膜,没有会发生硝化作用。这表明,硝化后只能发生在生物膜过程的大部分有机物被移除。 Any combination that lies in zone A will result in a fully autotrophic biofilm. This suggests that fully autotrophic biofilms will be rare. Finally, combinations of bulk liquid COD and
象征 |
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