Исследование процесса сопряженного массообмена в орошаемом биофильтре

• Автор: Пыльник, Сергей Валерьевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 165 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Биопленки как способ существования микроорганизмов
1.2. Обусловленность формирования биопленок
микроорганизмами
1.3. Особенности протекающих в биопленке процессов

1.4. Биологическая кинетика
1.5. Перенос загрязнений к поверхности биопленки
1.6. Эрозия биопленки, обусловленная течением жидкости
1.7. Примеры исследований в области моделирования
функционирования биопленки
1.8. Некоторые конструкции биологических очистных устройств
1.9. Экспериментальные и теоретические исследования
биофильтров с загрузкой
Выводы
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕДАЧИ И ЭРОЗИИ БИОПЛЕНКИ В ОРОШАЕМОМ БИОФИЛЬТРЕ
2.1. Методика проведения экспериментов и инструменты
2.2. Обработка экспериментальных данных
2.2.1. Маесопередача
2.2.2. Эрозия
2.3. Истинная поверхность омывания колец
2.4. Коэффициенты массопередачи
2.5. Теоретическое исследование массопередачи
2.6. Сравнение эксперимента по определению массопередачи и теории
2.7. Определения плотности сухой биомассы
2.8. Результаты проведения эксперимента по определению
кинетики эрозии и обсуждение
2.9. Выводы
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ БИОПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ ДИФФУЗИОННО-КИНЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА
3.1. Физико-математическая формулировка нестационарной
задачи
3.1.1. Кинетика
3.1.2. Диффузионно-кинетическое уравнение для изменения концентрации субстрата в биопленке
3.1.3. Уравнение баланса концентрации активной биомассы
3.1.4. У равнение изменен ия толщины биопленки
3.1.5. Краткий анализ уравнений системы
3.2. Алгоритм решения системы уравнений
3.2.1. Преобразование области решения системы
определяющих уравнений
3.2.2. Приведение системы определяющих уравнений к безразмерному виду
3.2.3. Аппроксимация дифференциальных уравнений
вычислительными аналогами
3.3. Обсуждение результатов моделирования развития биопленки
3.3.1 Оценки характерных времен установления стационарных решений
3.3.2. Развитие биопленки в условиях низкой эрозии при различных начальных толщинах биопленки
3.3.3. Развитие биопленки в условиях низкой эрозии при различных начальных концентрациях активной биомассы в биопленке
3.3.4. Развитие биопленки при неблагоприятных начальных
условиях
3.4. Выводы
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ПЕРЕРАБОТКИ СУБСТРАТА БИОПЛЕНКОЙ С УЧЕТОМ КВАДРАТИЧНОГО ЗАКОНА ОТМИРАНИЯ АКТИВНОЙ
БИОМАССЫ
4.1. Исследование режимов переработки субстрата биопленкой известной толщины
4.1.1. Математическая постановка задачи
4.1.2. Решения при больших значениях
4.1.3. Решения при относительно малых значениях
4.1.4. Обсуждение результатов
4.1.5. Выводы
4.2. Исследование режимов переработки субстрата биопленкой при известном уровне эрозии
4.2.1. Математическая модель стационарной
биопленки
4.2.2. Приближенные аналитические решения
4.2.3. Обсуждение результатов
4.2.4. Выводы
ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ВОДООЧИСТКИ С ПОМОЩЬЮ ОРОШАЕМОГО БИОФИЛЬТРА
5.1. Экспериментальная установка
5.2. Модель водоочистки в биофильтре
5.3. Приближенные решения уравнений водоочистки в биофильтре

Избежать такого рода неприятностей позволяет, в частности, моделирование на основе фундаментальных зависимостей. В данной области это может быть, например, уравнение Моно, зависимости для коэффициентов массоотдачи от характеристик потока жидкости и т.д.
Существуют технологические модели, описывающие процесс биологической очистки [7]. Явным плюсом технологических моделей является сравнительная простота записи важных с точки зрения оценки производительности тех или иных устройств соотношений. Однако, такие записи довольно часто содержат в себе калибровочные константы, которые в большинстве случаев не несут в себе четкий физический смысл.
На сегодняшний день в научной литературе можно встретить перечень рабог, посвященных нестационарному исследованию биопленки с учетом различных факторов. В наиболее значимых работах можно встретить модели [54-58], основывающиеся на физических законах, и модели частично имитационные (например, с использованием метода клеточных автоматов) [59, 60, 61, 98].
По результатам моделирования в большинстве работ не приводятся попытки получения относительно простых математических записей, отображающих функционирование биопленок на фундаментальном уровне.
Так, например, в работе Рауха, Ванхореха и Ванролленгема [54] моделируется развитие биопленки с учетом того, что в биомассу входят несколько видов бактерий, а также рассматривается утилизация нескольких веществ.
В работе Дарьюша, Хекмата и др. [55] также рассматривается модель, основанная на диффузионно-кинетическом подходе, в которой рассматривается 3 вида микроорганизмов не только конкурирующих между собой, но и кооперирующихся при потреблении субстрата. Отличительными особенностями является то, что рассматривается нульмерная постановка задачи и в качестве субстрата служит газ.