泥沙顆粒生長生物膜後的性質變化及機理研究

《泥沙顆粒生長生物膜後的性質變化及機理研究》是依託清華大學，由趙慧明擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：泥沙顆粒生長生物膜後的性質變化及機理研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：趙慧明
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

在河流、湖泊等濕地環境的所有固體表面都有以生物膜形式存在的微生物。水體環境的污染使得微生物在泥沙顆粒上的吸附成膜現象更為明顯，從而導致泥沙的性質發生變化，並進一步影響其運動和輸移規律。將長有生物膜的泥沙稱為生物泥沙。本申請項目擬以室內模擬實驗為主，結合一定的野外採樣，通過儀器觀測和數據分析等，對生物泥沙的顆粒作用力、生物絮凝狀況、水下休止角、流變特性等進行研究，分析生物泥沙相應性質的改變，耦合作用力和性質改變之間的關係，進行機理上的探討。通過本項目的研究，擬取得以下成果：探討生物泥沙的作用規律，描述其絮凝結構特徵和變化過程，構建生物絮凝泥沙的生長模型，給出生物泥沙水下休止角的變化情況，分析生物泥沙的流變機理。本研究可為生物泥沙的輸移計算奠定基礎，並可進一步促進泥沙運動力學理論的完善和發展。

結題摘要

目前國內外對以環境、資源為背景的生物膜在泥沙等無機界面上的形成及對載體性質的影響研究較少，且大部分都為巨觀方面的定性說明，尚未建立較為完整的理論體系。本基金項目針對生物膜對泥沙相關性質的影響，將其微觀形貌與巨觀性質相結合，構建一個新的環境泥沙研究平台，著重於生態環境作用下長膜泥沙的運動力學特性的認識與描述。 首先，在已有的描述泥沙顆粒形狀、表面形貌及其結構的數學方法的基礎上，利用傅立葉形狀分析法還原泥沙顆粒二維投影輪廓的原理和方法，並給出各項數傅立葉描述子所代表的形狀含義；在此基礎上通過一定的組合方式構建可用於表征泥沙顆粒表面形貌及其結構特徵的“數學泥沙”，實現了對泥沙顆粒三維形貌的描述與分析，為在泥沙輸移的過程中研究泥沙顆粒與化學物質和生物物質的相互關係打下基礎。 其次，引用Federico Maggi改進BFLOC模型的方法，將生物絮凝懸移泥沙分成泥沙顆粒和生物膜兩部分，結合分形維數的概念，模擬粘性泥沙絮凝模型，分別計算兩部分的絮凝變化，從而構建生物絮凝泥沙的生長模型，並採用文獻中的實測數據對其進行了率定和驗證。 最後，採用MCR300高級擴展流變儀研究原狀沙和長膜沙流變性質的差異，探討細顆粒泥沙流變性質受生物膜影響的規律, 發現細顆粒泥沙受生物膜生長的影響，流變性質發生變化，呈現出具有觸變性塑性體的特點，這與高含沙水流的流變特性有差異，並建立了長膜泥沙的流變方程及各流變參量隨時間的變化式。