低溶氧下硝化生物膜中菌群的竞争增殖模型王志盈

王志盈,　彭党聪,　袁林江,　李久义,　周　游(西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西西安710055)　　　:　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。　　:　生物膜;　微生物相互作用;　竞争模型;　表面增殖:X703　　:A　　:1000-4602(1999)12-0018-05ASurfaceGrowthCompetitionModelofMicrobialSpeciesinNitrifyingBiofilmatLowDissolvedOxygenWANGZhi-ying,　PENGDang-cong,　YUANLin-jiang,　LIJiu-yi,　ZHOUYou(SchoolofEnviron.andMunic.Eng.,Xi'anUniv.ofArchi.andTechnology,Xi'an710055,China)　　Abstract:　Basedontheprincipleofactivebiofilmexpansion,anon-steadystateanalyticmath-ematicalmodelofmicrobialinteractionsinnitrifyingbiofilmwasdeveloped.Themodelcanpredictbio-filmthicknessvariationandspacedistributionofmicrobialspecies.Itcanalsoexplaincompetitionsforspaceandoxygenbetweenammonia-oxidizersandnitrite-oxidizersandtheirevolutioninnitrifyingbiofilm.Keywords:　biofilm;　microbialinteractions;　competitionmodel;　surfacegrowth　　:(59878042)　　,,,。,,。,,,—,[1、2]:①25%;②40%;③1.5～2.0[3]。。、、,。,,。,。,,。·18·　　　1999Vol.15　　　　　　　　　　CHINAWATER&WASTEWATER　　　　　　　　　　No.12[4],(、)、。,,、。,Wanner[5～7],,,Wanner:①Wanner,,,,;②Wanner,,O2100μm。,;③Wan-ner,,,,。1　表面活性膜扩张模型的建立1.1　,、O2。,。,,。,,,;,,(1)。1　,—100μm。—,。,,。。,2mgL,。,,—,,,。1.2　:①　,。②　,。③　,。④　、[8]。⑤　,Monod。⑥　。⑦　[8、9],50～100μm,15～20μm[10]。—δ。⑧　⑦δ,、,。⑨　,。1.3　—,。,,3.4,[11]。,2.5mgL,·19·1999Vol.15　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　No.12[1]。,—:　Deff(d2Cidr2+2rdCidr)-ri=0(1)　Deff———,m2s　Ci———i,mgL　r———,mm　ri———i,mg(mgVSS·d),:　rO2=1(1-ε)ρ1f1qmax,NH+4,O2KO2,1CO2+(1-ε)·ρ2f2qmax,NO-2,O2KO2,2CO2(2)　qmax,NH+4,O2———,mgO2(mgVSS·d)　qmax,NO-2,O2———,mgO2(mgVSS·d)　KO2,1———　KO2,2———　ρj———j　fj———j,1,2　ε———ρ、fj,。⑨qmax,NO+4,O2、qmax,NO-2,O2、KO2,1KO2,2。,(2):　rO2=KCO2(3)(3):　K=(1-ε)ρ1f1qmax,NH+4,O2KO2,1+(1-ε)ρ2f2·qmax,NO-2,O2KO2,2(1):　Deff(d2CO2dr2+2rdCO2dr)-KCO2=0(4)(4):r=L,CO2=CO2,p;r=L-δ,CO2=0;(4):　CO2=CO2,pLr·sinn(rKDeff-1)sinn2(5)　1=(L-δ)KDeff　2=δKDeff　L————,mm　h———　δ———,mm　CO2,p———,mgL1.4　tjfj,L;t+dt,jfj+dfj,L+dL。dtj:　ρj∫LL-δ4πr2fjYjqmax,jKO2,jCO2dr:dtj=dtj:　ρj{[43π(L+dL)]3-43π(L-δ)3[fj+dfj]-fj[43πL3-43π(L-δ)3]}=ρj∫LL-δ4πr2fjYjqmax,jKO2,jCO2dr(6)　Yj,O2———j,mgVSSmgO2　(6),:　43π[L3-(L-δ)3]dfjdt+4πL2uL=4πYjfj∫LL-δr2CO2dr(7)　uL———,ms,:·20·1999Vol.15　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　No.12　uL(t)=∑nj=14πqmax,jKO2,jYjfj∫LL-δCO2r2dr(8),L:　L(t)=∫t0uL(t)dt+r0(9)　r0———,mm,,f1=f,f2=(1-f),(7)、(8)、(9):　dfdt=3f(1-f)(K1-K2)∫LL-δr2C(r,L)drL3-(L-δ)3(10)　dLdt=[K1f-K2(1-f)]∫LL-δr2C(r,L)drL2(11)　K1=Y1,O2qmax,NH+4,O2KO2,1　K2=Y2,O2qmax,NO-2,O2KO2,2(5)、(10)、(11),fL(1),。1　[2、12]qmax,NH+4,O245.56mgO2(mgVSS·d)qmax,NO-2,O249.21mgO2(mgVSS·d)KO2,10.3mgO2LKO2,21.1mgO2LY1,O20.046mgVSSmgO2Y2,O20.039mgVSSmgO2Deff,O21.6×10-9m2sε0.7ρ256gLr00.5mmCO2,P0.5mgL2　结果与讨论2.1　Lf,。2Cp=0.5mgL,δ=50μm,fL。2,,,;,,,NO2--N,,。2　f　　L2.2　Cp(5)、(10)(11),δCp。3Cpf。3　Cp3,,Cp,,,。·21·1999Vol.15　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　No.12,,,,。2.3　δ4,,δ,,,。,,,,。4　δ3　结语—,。。,,,。:[1]　GarridoJMetal.Influenceofdissolvedoxygenconcen-trationonnitriteaccumulationinabiofilmairliftsuspen-sionreactor[J].Biotech&Bioeng,1997,53:168-178.[2]　PicioreanuCetal.Modelingtheeffectofoxygenconcen-trationonnitriteaccumulationinabiofilmairliftsuspen-sionreactor[J].WatSciTech,1997,36:147-156.[3]　AblingU,SeyfriedCF.Anaerobic-aerobictreatmentofhighstrengthammoniumwastewaternitrogenremovalusingnitrite[J].WatSciTech,1992,26:1007-1015.[4]　.[J].,1993,23(1):62-68.[5]　FruhenMetal.Significanceofspatialdistributionofmi-crobialspeciesinmixedculturebiofilms[J].WatSciTech,1990,23:1365-1374.[6]　ReichertP,WannerO.Movementofsolidsinbiofilms:Significanceofliquidphasetransport[J].WatSciTech,1997,36:321-328.[7]　Wanner,ReichertP.Mathematicalmodelingofmixed-culturebiofilms[J].Biotech&Bioeng,1996,49:172-184.[8]　PaulLBishop.Biofilmstructureandkinetics[J].WatSciTech,1997,36:287-294.[9]　ScharmmAetal.Structureandfunctionofanitrifyingbiofilmasdeterminedbymicroelectrodesandfluorescentoligonucleotideprobes[J].WatSciTech,1997,36:263-270.[10]LiuYuetal.Specificactivityofnitrifyingbiofilminwa-ternitrificationprocess[J].WatRes,1996,30:1645-1650.[11]ShengKunetal.Nitrificationanddenitrificationofhighstrengthammoniumandnitritewastewaterwithbiofilmreactors[J].WatSciTech,1991,23:1417-1425.[12]Wiesmann.Biologicalnitrogenremovalfromwastewater[A].In:FiechterAdvancesinBiochemicalEngineeringBiotechnologh[C],Berlin:Springer-Verlag,1994,51.:(1947-　),,,,,:。:[phone](H)　2202727(O):1999-07-23本期责任编辑:张炳焘　江　荣·22·1999Vol.15　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　No.12