[发明专利]一种生物膜的系统分析方法

说明书

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：

S1：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； 

S3：应用系统动力学构建生物膜动力学模型； 

S4：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（X_l），外部底物浓度（Ss）和电子受体溶解氧（S₀），其动力学模型方程式分别如下：

                                                 

式中kEPS 为胞外聚合物EPS 生成率，为微生物最大比增长率，Y 为外部底物浓度Ss的产率系数，Ks 为外部底物浓度Ss的半饱和系数， K0 为电子受体溶解氧S0的半饱和系数，kdecay 为胞外聚合物EPS的水解系数，fl和b分别为内部残渣Xl和活性微生物Xa的腐解率。将胞外聚合物考虑到生物膜动力学模型中，更符合实际生物膜净化污染物的情况。

作为一种改进，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。采用上述技术方案后，能够系统、方便、快捷、有效的进行生物膜的系统分析。