基于氧微电极的生物膜内反应动力学参数的原位测定研究

论文摘要

在生物膜模型的应用与研究过程中,如何准确地获得生物膜的反应动力学参数和传质动力学参数是至关重要的,其准确性在很大程度上决定了生物膜模型的预测能力。由于生物膜内部结构和反应过程很复杂,要准确获得生物膜动力学参数比较困难。本文提出了两种获得生物膜动力学参数的原位测定方法:“扩散-反应模型法”和“呼吸速率测量法”。在完成分离式氧微电极结构优化并构建起生物膜动力学参数原位测定系统的基础上,用“扩散-反应模型法”和“呼吸速率测量法”对生物膜动力学参数进行原位测定研究。“扩散-反应模型法”是在生物膜处于内源呼吸阶段及生长阶段用氧微电极检测生物膜内的溶解氧分布曲线,并结合稳态条件下的扩散-反应方程对生物膜动力学参数进行估值。用该方法检测得到的生物膜内源呼吸速率、衰减系数及氧半饱和常数分别为8.52mgO2/（gVSS·h）、0.0035h-1、1.00mg/L。与活性污泥系统相比,用该方法获得的内源呼吸速率和衰减系数较小,对氧的半饱和常数较大。“呼吸速率测量法”是在没有破坏生物膜结构的基础上,用微型加样管在生物膜内某一深度注射微量基质溶液,同时氧微电极在该加样点检测微生物的呼吸速率曲线,并结合Monod方程计算该点的动力学参数。在得到生物膜内不同深度微观点的动力学参数后用算术平均值法对生物膜表观动力学参数进行估值。用该方法获得的生物膜产率系数、最大比增长速率和基质半饱和常数的平均值分别为0.44、4.00d-1、41.06mg/L。与破坏生物膜结构后用呼吸速率测量法检测的结果相比,原位测定方法获得的生物膜产率系数与之相近,最大比增长速率较小,对基质的半饱和常数较大。同时研究结果表明生物膜内各深度微生物的产率系数变化不大,在0.40-0.45范围内波动;最大比增长速率沿着生物膜深度方向逐渐降低,从表层的5.74 d-1降到深层的2.45 d-1;对基质的半饱和常数沿生物膜深度方向逐渐增大,从表层的36.63mg/L升高到深层的48.04mg/L。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 生物膜的生长过程
• 1.1.2 生物膜内外的传质过程
• 1.1.3 动力学参数的测定意义
• 1.2 生物膜动力学参数的研究方法
• 1.2.1 直接用悬浮生长的微生物进行研究的方法
• 1.2.2 将生物膜破碎后进行研究的方法
• 1.2.3 基于完整生物膜基础上进行研究的方法
• 1.2.4 现有生物膜动力学参数研究方法的局限性
• 1.3 环境领域中的溶解氧微电极
• 1.3.1 氧微电极的工作原理
• 1.3.2 氧微电极的分类及结构特点
• 1.3.3 氧微电极用于生物膜内动力学参数测定的应用研究进展
• 1.4 研究目的与内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 技术路线
• 第2章 生物膜内动力学参数原位测定方法的建立
• 2.1 前言
• 2.2 扩散-反应模型法
• 2.2.1 扩散-反应模型法估值原理
• 2.2.2 扩散-反应模型的建立
• 2.2.3 动力学参数的求解方法
• 2.3 呼吸速率法
• 2.3.1 呼吸速率法估值原理
• 2.3.2 生物膜系统中呼吸速率测量法的建立
• 2.3.3 动力学参数的求解方法
• 2.4 小结
• 第3章 生物膜内动力学参数原位测定系统的构建
• 3.1 生物膜及测量槽
• 3.1.1 生物膜
• 3.1.2 生物膜测量槽
• 3.2 氧微电极的结构优化研究
• 3.2.1 氧微电极的制作
• 3.2.2 氧微电极的标定
• 3.2.3 氧微电极的结构优化
• 3.3 检测系统的组成及构建
• 3.3.1 微电极检测系统的构建
• 3.3.2 基质溶液添加系统的构建
• 3.4 小结
• 第4章 扩散-反应模型法对生物膜动力学参数的估值研究
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 生物膜内源呼吸速率和衰减系数的测定和结果讨论
• 4.3.1 生物膜处于内源呼吸阶段的确定
• 4.3.2 内源呼吸阶段溶解氧分布曲线的测定
• 4.3.3 内源呼吸速率和衰减系数的测定
• 4.3.4 结果讨论
• 4.4 生物膜生长阶段动力学参数的测定和结果讨论
• 4.4.1 底物投加浓度的确定
• 4.4.2 生长动力学参数的测定
• 4.4.3 结果讨论
• 4.5 小结
• 第5章 呼吸速率法对生物膜动力学参数的估值研究
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验方法
• 5.3 生物膜内呼吸速率曲线原位测定方法的研究
• 5.3.1 添加基质溶液的方法
• 5.3.2 基质添加量的确定
• 5.3.3 向生物膜瞬时添加基质溶液的溶解氧浓度变化曲线
• 5.3.4 扩散作用在动力学参数估值中的影响研究
• 5.3.5 基质溶液携入较高浓度溶解氧对动力学参数估值的影响
• 5.3.6 呼吸速率曲线的测定
• 5.4 生物膜动力学参数的测定和结果讨论
• 5.4.1 生物膜产率系数的测定和结果讨论
• 5.4.2 生物膜耗氧速率的测定和结果讨论
• 5.4.3 生物膜最大比增长速率的测定和结果讨论
• 5.4.4 生物膜基质半饱和常数的测定和结果讨论
• 5.5 生物膜内动力学参数的三维分布图谱和平均值
• 5.5.1 生物膜内不同深度微生物的Monod 方程曲线差异分析
• 5.5.2 生物膜内动力学参数的三维分布图
• 5.5.3 生物膜内动力学参数的平均值
• 5.6 小结
• 第6章 结论和建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果