专利名称：一种生物膜的系统分析方法
技术领域：
本发明属于环境科学与工程领域，尤其涉及天然水体生物膜、人工水体生物膜、生物生态修复生物膜和废水生物处理生物膜的系统分析方法。
背景技术：
生物膜普遍存在河流、湖泊、湿地、河口、海洋和生物膜反应器中，其由细胞生物量和胞外聚合物组成一种混合微生物群体，在淡水和海洋水环境自净污染物和废水处理工程 中起着重要的作用。其中地表水环境生物膜可以去除饮用水消毒副产物前驱体，生物膜反应器的生物膜可以有效去除有机污染物等。生物膜净化水体优化设计和运行管理是建立在生物膜增长动力学的基础之上，系统的性能在很大程度上取决于生物膜的形成及其动力学过程。因此，生物膜系统分析对水治理和修复效果至关重要。生物膜模型是将生物膜内微观现象和大规模工程应用运行的宏观指标联系起来的关键系统分析工具，主要有反应扩散动力学模型、数值模拟模型、生物膜增长动力学模型和多物种复合生物膜模型等动力学模型。应用生物膜模型研究生物膜与污染的相互作用及净化过程成为生物膜研究领域的热点。20世纪90年代初，法国的Capdeville教授所领导的实验室提出生物膜反应器活性物质和非活性物质的概念，建立了新的生物膜增长动力学模型。但是该模型处于发展阶段，模型采取了一些新的参数，但在参数值和参数范围的确定上，还没有很成熟的工作成果可以采用。目前学者认为，在现有的方法中，还没有一种科学可靠而又简便的方法获得生物膜动力学参数。胞外聚合物是生物膜的重要组成部分，在污染物去除方面发挥着重要作用。将胞外聚合物在生物膜动力学中体现出来，是近年来研究和实践的热点和难点，并且生物膜胞外聚合物系统动力学模型的相关研究未见文献报道。生物膜参数测定时间长、预测效果不理想、工作量大，并且构建生物膜动力学建模复杂，亟待寻找便捷、快速的生物膜建模、参数确定和分析的系统方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种生物膜的系统分析方法，以解决生物膜参数监测需要大量的人力、物力、财力的缺陷和生物膜建模复杂的问题，减少实验工作量，提高生物膜参数确定的精确度，准确预测生物膜净化水体过程和效果。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案一种生物膜的系统分析方法，其特征在于，利用系统动力学方法建立生物膜动力学模型，根据动态模拟和实验分析的结果系统分析生物膜结构和参数变化，考察生物膜净化系统的行为再现性，预测生物膜活性微生物、胞外聚合物、内部残渣及天然水体、人工水体、生态修复水体或废水中有机污染物的变化趋势，优化生物膜及生物膜反应器的参数，提高生物膜的净化水体效果的系统分析方法，具体包括以下步骤
Si:确定所述生物膜系统分析的目标；
S2:绘制所述生物膜的系统因果关系反馈图；53:应用系统动力学构建生物膜动力学模型；
54:所述生物膜的系统分析。
作为一种改进，所述生物膜为天然水体生物膜、人工水体生物膜、生态修复生物膜或废水处理生物膜，所述步骤S2中的生物膜的系统因果关系反馈图采用系统思考的方式进行，以系统论为基础，以计算机技术为主要手段，以实验分析为辅助手段，研究复杂水、固界面环境系统的动态行为，依靠软件Stella、iThink或Vensim为平台，绘制所述生物膜系统的因果反馈图。运用图形作为生物膜系统分析构建模型的方式，可以有效解决生物膜非线性、复杂的问题。作为一种改进，所述步骤S3应用系统动力学构建生物膜动力学模型中，生物动力学模型参数包括活性微生物(Xa)、胞外聚合物(EPS)、内部残渣(X1),外部底物浓度(Ss)和电子受体溶解氧(Stl),其动力学模型方程式分别如下
权利要求
1.一种生物膜的系统分析方法，其特征在于，利用系统动力学方法建立生物膜动力学模型，根据动态模拟和实验分析的结果系统分析生物膜结构和参数变化，考察生物膜净化系统的行为再现性，预测生物膜活性微生物、胞外聚合物、内部残渣及天然水体、人工水体、生态修复水体或废水中有机污染物的变化趋势，优化生物膜及生物膜反应器的参数，提高生物膜的净化水体效果的系统分析方法，具体包括以下步骤 Si:确定所述生物膜系统分析的目标； 52:绘制所述生物膜的系统因果关系反馈图； 53:应用系统动力学构建生物膜动力学模型； 54:所述生物膜的系统分析。
2.根据专利权要求I所述的生物膜的系统分析方法，其特征在于，所述生物膜为天然水体生物膜、人工水体生物膜、生态修复生物膜或废水处理生物膜，所述步骤S2中的生物膜的系统因果关系反馈图采用系统思考的方式进行，以系统论为基础，以计算机技术为主要手段，以实验分析为辅助手段，研究复杂水、固界面环境系统的动态行为，依靠软件Stella、iThink或Vensim为平台，绘制所述生物膜系统的因果反馈图。
3.根据专利权要求I或2所述的生物膜的系统分析方法，其特征在于，所述步骤S3应用系统动力学构建生物膜动力学模型中，生物动力学模型参数包括活性微生物(Xa)、胞外聚合物(EPS)、内部残渣(XI )，外部底物浓度(Ss)和电子受体溶解氧(SO)，其动力学模型方程式分别如下
4.根据专利权要求I或2所述的生物膜的系统分析方法，其特征在于，所述步骤S4中的生物膜的系统分析，包括生物膜实验分析、生物膜系统行为再现性分析、生物膜数值模拟、生物膜参数确定和生物膜重要结构参数与净化指标之间关系分析。
5.根据专利权要求3所述的生物膜的系统分析方法，其特征在于，所述步骤S4中的生物 膜的系统分析，包括生物膜实验分析、生物膜系统行为再现性分析、生物膜数值模拟、生物膜参数确定和生物膜重要结构参数与净化指标之间关系分析。
6.根据专利权要求4所述的生物膜的系统分析方法，其特征在于，所述生物膜实验分析为分析生物膜目标核心参数和水质指标，采用数学模型与监测实验有机结合的方式；所述生物膜系统行为再现性分析为考察和确认模型是否可以再现生物膜净化水体的行为；所述生物膜数值模拟为生物膜胞外聚合物动力学数学建模过程，提出合理假设，开展敏感度分析，为生物膜参数确定提供依据，参数的敏感性为评估某参数主要参数改变后，是否会导致生物膜系统行为的严重改变，确定敏感性参数和了解参数的改变是否会导致先前所测试的模型效果消失，提高生物膜反应器的处理效率和生物膜自净的功能；所述生物膜参数确定，使用模型进行策略的选择，并使用模型系统分析应用；所述应用生物膜动力学模型，首先进行动态仿真实验，然后通过对模型的调控，根据设计者的各种需要和可能的多方案模型和比较，获得在不同参数下净化水体有机污染导致胞外聚合物、底物浓度、活性生物量等时间变化的行为和趋势；所述生物膜重要结构参数与净化指标之间关系分析首先建立生物膜结构的参数与水质指标相互影响的相关规律，分析生物量、生物活性、单位质量生物膜EPS含量或蛋白质/多糖与水体污染物浓度、脱氮或脱碳之间的关系，得出采用哪些方式可以优化生物膜净化污染物的稳定性和处理效率。
7.根据专利权要求5所述的生物膜的系统分析方法，其特征在于，所述生物膜实验分析为分析生物膜目标核心参数和水质指标，采用数学模型与监测实验有机结合的方式；所述生物膜系统行为再现性分析为考察和确认模型是否可以再现生物膜净化水体的行为；所述生物膜数值模拟为生物膜胞外聚合物动力学数学建模过程，提出合理假设，开展敏感度分析，为生物膜参数确定提供依据，参数的敏感性为评估某参数主要参数改变后，是否会导致生物膜系统行为的严重改变，确定敏感性参数和了解参数的改变是否会导致先前所测试的模型效果消失，提高生物膜反应器的处理效率和生物膜自净的功能；所述生物膜参数确定，使用模型进行策略的选择，并使用模型系统分析应用；所述应用生物膜动力学模型，首先进行动态仿真实验，然后通过对模型的调控，根据设计者的各种需要和可能的多方案模型和比较，获得在不同参数下净化水体有机污染导致胞外聚合物、底物浓度、活性生物量等时间变化的行为和趋势；所述生物膜重要结构参数与净化指标之间关系分析首先建立生物膜结构的参数与水质指标相互影响的相关规律，分析生物量、生物活性、单位质量生物膜EPS含量或蛋白质/多糖与水体污染物浓度、脱氮或脱碳之间的关系，得出采用哪些方式可以优化生物膜净化污染物的稳定性和处理效率。
8.根据专利权要求7所述的生物膜的系统分析方法，其特征在于，所述生物膜为曝气生物滤池生物膜，建立的曝气生物滤池生物膜系统分析确定Aeps=O. 18 g CODEPS/g CODs^decay=0. 0071 g C0DEPS/g CODs, Y =0. 34 g C0Dx/g CODs, fx =0. 2 g C0Dx/g CODx, =0. 35 1/h, Ks=9.8 g C0Ds/m3,K0=0. 2 g COD0/m3，b =0.021 1/h为最佳参数；生物量和生物活性与BAF内部基质浓度正相关，单位质量生物膜EPS含量与硝化过程关系紧密，蛋白质/多糖比与脱碳过程密切相关；通过调控优化生物膜反应器的EPS组分，以提高反应器的稳定性和处理效率；提高微生物的最大比增长率，提高曝气生物滤池生物膜净化城市景观水体的效果。
全文摘要
本发明公开了一种生物膜的系统分析方法，包括确定生物膜的系统分析目标；绘制生物膜的系统因果关系反馈图；应用系统动力学构建生物膜动力学模型；生物膜的系统分析，包括生物膜实验分析、生物膜系统行为再现性分析、生物膜数值模拟、生物膜参数确定、生物膜重要结构参数与净化指标之间关系分析。本发明引入系统动力学思想构建生物膜动力学模型，解决了生物膜参数测定费时、工作量大、建模复杂的问题，提出了科学、可靠、便捷生物膜的系统分析方法。
文档编号G01N33/18GK102621280SQ201210070170
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年1月10日
发明者徐竟成, 李光明, 李军, 王奇, 赵敏 申请人:温州大学