Mathematical Models of Substrate Utilization within Bacterial Films

미생물막(微生物膜)을 이용(利用)한 폐수처리(廢水處理)의 수학적(數學的) 모델에 관한 연구(研究)

A model of substrate utilization witbin bacterial films has been developed and simulated for a better understanding of fixed film treatment processes. The model consists of two parts, a deep biofilm and a thin biofilm, which are classified based on substrate penetration into the biofilm. Substrate concentration and flux within a biofilm can be computed from the model. Three dimensionless parameters, ${\phi}_1$, ${\phi}_2$ and $\bar{S}_b$ were obtained during model construction, and the substrate concentration and flux can be expressed in terms of these parameters. It has been found that an. increase of ${\phi}_1$ or a decrease of ${\phi}_2$ results in an increase of treatment efficiencies. It has also been found that systems maintaining high efficiencies belong to a deep biofilm. Among the constants involved, the mass transfer coefficient is the only controllable term and it depends Largely on fluid velocity near the biofilm surface. Substrate removal efficiency may be increased with an increase of fluid velocity for a biofilm of fixed depth. However, film depth is decreased due to sloughing with increasing velocity, and the system reaches a new steady state. Because changes in film depth are not well defined quantitatively yet, the efficiency can not be clearly described at a new steady state.

미생물(微生物)의 부착식(附着式) 성장(成長)을 이용(利用)한 폐수처리(廢水處理)의 이해(理解)를 돕기 위해 미생물막모형(微生物膜模型)을 정립(定立)하고 이의 simulation을 통하여 처리효율(處理効率)과 각종(各種) parameter 사이의 관계(關係)를 살펴보았다. 미생물막모형(微生物膜模型)은 기질(基質)의 침투정도(浸透程度)에 따라 두꺼운 막(膜)과 얇은 막(膜)으로 구분(區分)하고 각(各) 경우(境遇)에 대하여 미생물막내부(微生物膜內部)에서의 기질농도(基質濃度)와 flux를 산정(算定)할 수 있게 구성(構成)되어 있다. 모형(模型)의 정립과정(定立過程)에서 얻어진 무차원상수(無次元常數)인 ${\phi}_1$, ${\phi}_2$, 그리고 $\bar{S}_b$에 의해 기질농도(基質濃度)와 flux가 결정(決定)될 수 있음을 알았으며, ${\phi}_1$의 증가(增加)나 ${\phi}_2$의 감소(減少)에 의해 처리효율(處理効率)이 증가(增加)함을 알 수 있다. 또한 높은 처리효율(處理効率)을 유지(維持)하는 system은 모두 두꺼운 막(膜)에 속하는 것을 알 수 있다. 미생물막표면(微生物膜表面) 근처에서의 유속(流速)을 증가(增加)시킴으로써 두께가 일정(一定)한 막(膜)에 있어서 처리효율(處理効率)을 증가(增加)시킬 수 있다. 하지만 유속(流速)의 증가(增加)로 인해 sloughing이 많아져서 막(膜)의 두께가 감소(減少)하여 새로운 정상상태(定常狀態)로 바뀌게 된다. 현재(現在)까지 유속(流速)과 미생물막(微生物膜)두께사이의 관계(關係)가 정량적(定量的)으로 규명(糾明)되지 못하고 있으므로 새로운 정상상태(定常狀態)에서의 효율(効率)은 명백히 규정지을 수 없다.