生化反應中流動及傳輸機理研究

《生化反應中流動及傳輸機理研究》是依託太原理工大學，由楊艷霞擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：生化反應中流動及傳輸機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊艷霞
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

近年來，生物能源產業的迅猛發展使得人類社會可持續發展所面臨的健康、污染、能源緊缺等重大問題得到緩解。生物制氫技術受到了廣泛的關注，其反應條件溫和、能耗低、能妥善解決能源與環境的矛盾。生化反應中流動與傳輸特性對其產氫性能有重要影響。本項目以套用於微生物產氫系統中的生化反應為研究對象，開展系統的理論研究。由於傳統的數值算法在處理這類問題時存在複雜邊界條件不易處理、數值穩定性差，以及微尺度效應難以刻畫等瓶頸。因此本項目採用介觀算法，格子Boltzmann方法，其算法簡單、天然的並行性、容易處理複雜邊界條件，從而用於解決這類瓶頸問題具有獨特優勢。本項目採用逐步深入的研究方法，對生物膜結構進行重構，研究其結構對生化反應的影響規律。在此基礎上，分析研究生物膜在溶液中形態變化及運動特性；並更接近真實地研究生物膜不同周期，如死亡、脫落等的生化反應，及其內部流動與傳輸特性，為生化反應系統研究奠定理論基礎。

結題摘要

膜生物污水處理技術 是一種新型且高效的污水處理技術，廣泛套用於處理各種有機污水。生物膜對污水中有害物質具有抗毒性，能夠增強生化反應的穩定性和反應器性能。其中，生物膜是反應器內生化轉化過程的關鍵組成部分，其結構對反應器內流動及傳輸過程有很大的影響。因此，本項目以探究膜生物結構特性及膜生物反應器內流動與傳輸特性為研究目標，利用格子Boltzmann 方法對膜生物反應器內流動及傳輸特性與生化轉化過程系統地開展了以下方面的研究工作：（1）根據生物膜生長特點，構建了生物膜二維重構模型，對生物膜結構進行數值重構；並將其與格子Boltzmann傳質模型有機耦合，孔隙尺度上研究了板式膜生物反應器內生物膜結構特性及反應器內的生化轉化過程，揭示了生物膜的微觀結構對膜生物反應器的巨觀性能的影響規律；（2）考慮了生物膜與流體相互作用，基於格子Boltzmann算法構建了微通道膜生物反應器的物理模型，利用局部格線細化技術，更大尺度地對反應器進行模擬計算，REV尺度上研究了微通道膜生物反應器內生物膜特性及生物膜與底物溶液的相互作用機制；（3）基於已構建的生物膜REV尺度模型，研究了光照強度更為均勻的光纖膜生物反應器內橫略光纖柱的流動特性，以及繞流作用對附著的生物膜內外的傳輸過程的影響；（4）由二維拓展至三維膜生物反應器的研究，構建三維生物膜結構的數值重構模型，更為真實的研究生物膜內詳細的微觀形貌及幾何特性，揭示生物膜結構特性對反應器內溶液流動與物質輸運，及反應器性能的影響規律。本項目研究結果將有助於認識膜生物法污水降解過程中的生物膜形態、結構特性及其內部的微觀傳輸機理、以及生物膜與溶液流體的相互作用、及其對生物反應器內的生化轉化過程、流動與傳輸特性的影響機制，為獲得生化轉化性能較高的生物膜結構及生物膜反應器的實驗研究提供科學依據。