bigpo.ru
добавить свой файл
1

УДК 615.9(06)+577.3(06) Медицинская физика

С.В. ПЫЛЬНИК1

Научные руководители – Л.Л. МИНЬКОВ1, к.ф.-м.н., доцент;

J. DUECK2, dr. rer. nat., Head of Laboratory for Multi-Flow Mechanics

1Томский государственный университет, Россия,

2Университет Эрланген-Нюрнберг, Эрланген, Германия


ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ОЧИСТКИ ВОДЫ
В ПЛЕНОЧНОМ БИОФИЛЬТРЕ



Рассматривается модель, описывающая потребление субстрата растворенного в жидкости, текущей по рабочему тракту реактора. Математическая постановка включает в себя уравнения, описывающие баланс биомассы на основе квадратичного закона отмирания биомассы, подвод и потребление субстрата, а также баланс толщины биопленки, который возможен при наличии механизма разрушения биопленки (эрозия). Рассчитываются концентрация субстрата, биомассы, поток субстрата в пленку и изменение толщины биопленки вдоль рабочего тракта реактора.


В процессах фильтрации, протекающих в пленочном биофильтре, превращение субстрата происходит не во всем объеме жидкостного реактора, а в относительно тонких, желеобразных, практически неподвижных пленках, фиксированных на зернах различной формы. Роль зерен, в частности, могут играть кольца Рашига, обладающие достаточно большой удельной площадью. Чем выше пористость засыпки, тем выше производительность биореактора в целом. Вероятно, существует некий оптимум пористости засыпки, так как при увеличении числа пор и одновременном их уменьшении пропускная способность реактора падает. Сами пленки есть насыщенные водой скопления микроорганизмов, связанных между собой выделенными ими же биополимерами. Доля биологически-активных микроорганизмов поддерживается непрерывным производством, которое возможно, если обеспечен подвод питательных веществ.

Одним из таких процессов, протекающих в пленках, является биологическая водоочистка. Здесь субстратом для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов являются различные компоненты растворенных загрязнений [1]. Доставка субстрата к микроорганизмам в биопленке производится диффузионным путем, что сказывается на макрокинетике процесса. Ситуация во многом аналогичная случаю гетерогенных реакций [2] и, особенно, случаю реакций в пористом слое [2, 3] имеет для кинетики биопленки ряд особенностей: биохимическая реакция носит, как правило, нестепенной характер зависимости скорости потребления субстрата от его концентрации; процесс потребления субстрата связан с процессом поддержания уровня концентрации биологически-активных микроорганизмов. Также особенностью потребления субстрата является то, что толщина пленки изменяется в зависимости от условия обтекания зерен жидкостью и разрушается, омывающим ее потоком жидкости. По мере прохождения потока жидкости вдоль реактора концентрация субстрата в воде уменьшается, влияя тем самым на скорость воспроизводства микроорганизмов. Как было сказано выше изменение условий обтекания зерен (концентрация субстрата не одинакова вдоль рабочего тракта реактора) ведет к изменению толщины биопленки [4]. Т.е. вероятно установление некоего распределения толщины биопленки по полости реактора. Таким, образом, чтобы оценить производительность биореактора необходимо учитывать описанное изменение концентрации субстрата, ведущее за собой изменение самой биопленки.

Целью представляемой на доклад работы является формулировка математической постановки задачи с учетом выше отмеченных эффектов, а также дальнейшее ее разрешение. Проведенные приближенные аналитические решения позволяют оценить производительность реактора. Показано, что при заданной концентрации субстрата генерация биомассы ограничена по высоте биофильтра, т.е. после того как доля субстрата усваивается по мере прохождения воды по полости реактора, величина параметра эрозии для нижележащих слоев засыпки становится предельной.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ и CRDF в рамках программы BRHE (проект № 016-02) и при поддержке гранта РФФИ 05-08-01396а


Список литературы


1. Bruce E. Rittmann and Perry L. McCarty. Environmental Biotechnology: Principles and Applications . McGrawHill, Boston, 2000. 567 с.

2. Франк-Каменецкий Д.А. “Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. 491 с.

3. Резниченко Г.Ю. Лекции по математическим моделям в биологии. Часть I. Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика. 2002. 232 с.

4. Дик И.Г., Пыльник С.В., Миньков Л.Л., Моделирование развития биопленки с учетом эрозии // Механика летательных аппаратов и современные материалы. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003. Вып. 4. С.11-13.


________________________________________________________________________

ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006.Том 16