【摘 要】
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生物膜是由微生物及其细胞分泌物形成的具有不规则多孔结构的生物群落,利用其对水体有机物的降解特性可实现污水净化处理。为了提高处理效率,必须深入研究生物膜内部的物质传递过程。本文借助图像重构技术建立了生物膜三维重构模型,首次实现了对生物膜真实结构在孔隙尺度下的对流-扩散-反应过程的流、固耦合模拟,为生物膜微观尺度传递过程研究引入了可行的研究技术。首先,对生物膜显微图像进行孔径分布测定分析,实现对生物膜
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生物膜是由微生物及其细胞分泌物形成的具有不规则多孔结构的生物群落,利用其对水体有机物的降解特性可实现污水净化处理。为了提高处理效率,必须深入研究生物膜内部的物质传递过程。本文借助图像重构技术建立了生物膜三维重构模型,首次实现了对生物膜真实结构在孔隙尺度下的对流-扩散-反应过程的流、固耦合模拟,为生物膜微观尺度传递过程研究引入了可行的研究技术。首先,对生物膜显微图像进行孔径分布测定分析,实现对生物膜孔隙的定量描述;然后,利用显微图像对生物膜内部真实骨架、孔隙结构建立了生物膜重构模型,并结合计算流体力学方法研究生物膜内流动、传质过程;最后,对生物膜重构模型与宏观多孔介质模型及具有固定结构的均匀模型进行比较,分析不同模型计算结果的差异。本文详细展示了膜内复杂的流场和底物浓度分布。通过对错流式和全流式条件下的传递过程分析,发现生物膜开阔孔道显著降低了传质阻力,微生物局部聚集所形成的异质性结构对传质过程具有积极作用。错流式中生物膜内部流动性较差,通常处于底物缺乏状态,因而传质效率较低且受内部结构影响较小。而全流式中生物膜内流量高且流动受孔隙结构影响大,因此异质性结构的优势更明显。研究结果为生物膜传质强化设计提供了指导,如采用不规则形状表面或具有不均匀孔径的设计来促进生物膜异质性结构的形成,或提高孔隙在沿主流方向的连通性,有助于提高传质性能。
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