生物膜分形結構形成的模擬及理論分析.pdf

1、在復雜的環(huán)境體系中，生物膜是一種較為常見的生物形態(tài)，其應用十分廣泛，涉及環(huán)境科學、生命科學、地球科學等領域。生物膜體系是一個遠離平衡態(tài)的、開放的熱力學系統(tǒng)，涉及多種組分、多個物種的復雜的動力學過程，最終形成了復雜的、有序的網絡結構，它的形成是物理、化學、生物綜合作用的結果。到目前為止，有關生物膜廢水處理系統(tǒng)的基礎理論研究仍然相當缺乏。 本文首先分析了推流式反應器(PFR)內生物膜形成與穩(wěn)定的各種因素，提出了一個綜合考慮懸浮微生

2、物與附著微生物相互轉化形成生物膜的非線性反應-擴散模型。通過理論解析詳細地討論了洗出平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性與非平凡穩(wěn)定狀態(tài)的存在性，揭示了推流式反應器系統(tǒng)啟動過程即掛膜過程的物理機理，對廢水處理工程中推流式生物反應器的成功啟動與運行具有指導性意義。 生物膜的形成過程本質上是物理學中典型的分形生長過程，本文通過對分形物理學中的生長模型--有限擴散凝聚(DLA)模型的限制與修正(將限制性DLA模型的生長區(qū)域控制在平面坐標的第一象限內)，

3、模擬出了生物膜單一定殖點的分形結構。針對這一結構，量化討論了其形成過程中標度分形結構特性的參數(shù)：分形維數(shù)、生長率、最終生長半徑以及最大縱橫比，并理論分析了這些參數(shù)對生物膜廢水處理工程實際處理效果的影響。 生物膜系統(tǒng)本質上是一個由大量微生物細胞自組織而成的復雜的非平衡熱力學系統(tǒng)，本文利用新統(tǒng)計力學--最大流原理(MFP)從理論上分析并推導出了生物膜分形結構的形成過程，進一步探討和揭示了生物膜形成過程中的合作、競爭、相變、復制、遺