低溶氧下硝化生物膜中菌群的竞争增殖模型.doc

《低溶氧下硝化生物膜中菌群的竞争增殖模型.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、低溶氧下硝化生物膜中菌群的竞争增殖模型论文作者：王志盈彭党聪袁林江李久义周游摘要：根据活性生物膜扩张原理，建立了硝化生物膜中微生物相互作用的非稳态解析数学模型，并可预测生物膜厚度的变化与微生物菌群的空间分布。模型很好地解释了硝化生物膜中氨氧化菌与亚硝酸氧化菌对空间和氧的竞争，以及它们在生物膜中的演变关系。关键词：生物膜微生物相互作用竞争模型表面增殖ASurfaceGrowthCompetitionModelofMicrobialSpeciesinNitrifyingBiofilmatLowDissolvedOxygen　　Abstract

2、：Basedontheprincipleofactivebiofilmexpansion,anon-steadystateanalyticmathematicalmodelofmicrobialinteractionsinnitrifyingbiofilmwasdeveloped.Themodelcanpredictbiofilmthicknessvariationandspacedistributionofmicrobialspecies.Itcanalsoexplaincompetitionsforspaceandoxygenbetw

3、eenammonia-oxidizersandnitrite-oxidizersandtheirevolutioninnitrifyingbiofilm.　　Keywords:biofilm;microbialinteractions;competitionmodel;surfacegrowth　　在生物硝化过程中，氨首先由氨氧化菌氧化为亚硝酸盐，然后由亚硝酸氧化菌氧化为硝酸盐，整个硝化反应是两种菌群协同作用的结果。因此，菌群之间的生长和基质转化平衡至关重要，否则将造成中间产物亚硝酸盐的积累。另一方面，通过对硝化反应的两大菌群进行合理的调

4、控，使硝化过程产生持久稳定的亚硝酸盐积累并直接进行反硝化，形成短程硝化—反硝化，则可以达到［１、2］：①在好氧阶段可减少25%的需氧量；②在缺氧阶段可减少40%的有机碳源；③亚硝酸盐的反硝化速率通常比硝酸盐高1.5～2.0倍［３］。这对大量的高氨氮低碳源废水处理具有十分重要的意义。实现亚硝酸盐积累的方法有游离氨抑制、纯种培养、温度选择等，但它们都只适用于一定的范围。通过控制反应体系中溶解氧浓度可在生物膜反应器中实现持久稳定的亚硝酸化，其原因是在硝化生物膜中存在着氨氧化菌和亚硝酸氧化菌之间对溶解氧的竞争利用，由此造成生物膜中菌群之间的竞争生

5、长。两种菌群在硝化生物膜中的空间竞争特点，对反应器的设计以及工程操作都有很重要的意义。　　本文目的是在低溶解氧条件下，建立生物流化床内硝化生物膜中两种菌群的竞争增殖模型，用以解释硝化反应生物膜中氨氧化菌和亚硝酸氧化菌之间的空间分布和对基质的竞争利用。8　　现有的生物膜模型大多为稳态模型[４]，认为生物膜的性质(如生物膜的厚度、活性)、基质和微生物种群在生物膜中的分布都是恒定的。这些模型及所得结论极大地丰富了生物膜理论，但实际上即使反应器处在稳态条件下，生物膜的组成、厚度及种群分布也在不断变化。据此，Wanner等人建立了非稳态生物膜模型［

6、5～7］，它可以预测生物膜厚度的变化和描述微生物种群及基质在生物膜中的分布，目前被广泛采用，但是Wanner模型有以下几方面的缺陷：①Wanner模型是平板模型，即认为支持介质可以看作一个平板，而在生物流化床内采用微粒作为支持介质，其尺度与生物膜为同一数量级，这容易造成很大的误差；②Wanner模型认为整个生物膜都具有活性，但是随着微型传感技术的发展，证明在生物膜中O2的扩散深度通常为100μm左右。因此，好氧生物膜中具有活性的部分也为相同的数量级；③Wanner模型结构复杂，因素过多，计算过程繁琐，需要专门的软件计算求解，很难实际应用。

7、1表面活性膜扩张模型的建立1.1基本思路　　在生物膜体系中，基质、电子受体O2通过生物膜表面的液膜边界层向生物膜内部扩散传递。由于扩散阻力和生物反应造成基质浓度随生物膜深度变化而变化，与此相应生物膜中微生物菌群随深度呈非均相分布。　　当生物膜增加到一定厚度时，在某一深度处，电子受体的浓度为零。以此为界，外层的微生物可同时得到基质和电子受体，进行正常的生物化学反应，为活性层；内层的微生物则由于得不到电子受体，其好氧生物化学反应将终止，为非活性层(见图1)。　　一般来说，活性生物层就是距生物膜—水界面100μm左右的一层微生物。生物膜的增长实

8、际上是活性层随时间在垂直于生物膜—水界面方向上向外扩张，非活性层逐渐变厚的过程。在活性层中，由于不同菌群对基质的亲和力不同以及增殖速率的差异，使生物膜中的组分在该层的扩张过程中不断变化。本模型