بخشی از مقاله
مقدمه
پدید آمدن مشکلات زیست محیطی فراوان در اثر دفع فاضلابها به محیط زیست، تصفیه فاضلابها را به امری اجتناب ناپذیر تبدیل کرده است. از میان روشهای مختلف تصفیه، روشهای بیولوﮊیکی اقتصادی تر و مفیدتر از سایر روشها می باشند و بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. به این جهت معمولاﹰ با استفاده از یک یا چند میکروارگانیسم در بیوراکتورهای کوچکی در محل تولید فاضلاب انجام می گیرد. میکروارگانیسمها از مواد سمی فاضلاب به عنوان سوبسترا استفاده کرده و آن را به مواد غیر سمی مانند دی اکسید کربن، آب، متان و دیگر ترکیبات آلی بی خطر تبدیل می کنند.
عملکرد چنین بیوراکتورهایی به سینتیک رشد میکروارگانیسمها بستگی دارد و در نتیجه برای کنترل بهتر و بهینه سازی شرایط عملیاتی، دانستن اطلاعاتی در مورد سینتیک میکروارگانیسمها لازم است. اخیراﹰ هم استفاده از راکتورهایی با میکروارگانیسمهایی ویژه مورد توجه قرار گرفته است که یا به طور طبیعی و یا در اثر دستکاری ﮊنتیکی توانایی تجزیه مواد سخت تجزیه پذیر را دارند ]۱[ و در چنین راکتورهایی هم تعیین شرایط عملیاتی به گونه ای که میکرورگانیسم مطلوب گونه غالب بوده و از راکتور تخلیه نشود، ضروری است.
آریس وهامفری ]۲[ رقابت بین دو میکروارگانیسم را که از یک سوبسترای بازدارنده استفاده می کنند را در یک راکتور کاملاﹰ مخلوط بررسی کرده و سه حالت پایا را مشاهد نمودندح تخلیه شدن هر دو میکروارگانیسم از راکتور، تخلیه شدن فقط یک میکروارگانیسم از راکتور و همزیستی دو میکروارگانیسم در راکتور. هر چند همزیستی دو میکروارگانیسم فقط در یک نقطه پدید می آید که نرخ رقت راکتور دقیقاﹰ با نرخ رشد در نقطه تلاقی منحنی های رشد دو میکروارگانیسم برابر باشد.
در سیستمهای تصفیه فاضلاب معمولاﹰ راکتورهایی مانند فیلترهای چکنده یا بیودیسکها که دارای بیوفیلم هستند به راکتورهای کاملاﹰ مخلوط ترجیح داده می شوند ]۳[ زیرا در اینگونه راکتورها میکروارگانیسمها در بیوفیلم تثبیت شده اند و می توانند غلظتهای بالاتر فاضلاب با شدت جریانهای بیشتر را تحمل کنند و زمان ماند سلولی بیشتر از زمان ماند هیدرولیکی است و همچنین میکروارگانیسمها در لایه های درونی تر بیوفیلم از شرایط سخت بیرونی محافظت می شوند.
اما مطالعات کیفی انجام گرفته برای توصیف دینامیک جمعیت میکروبی بیوفیلمها با استفاده از مدلهای ریاضی بسیار محدود می باشند ]۴، ۵، ۶، ۷ و ۸.[ البته مدلهای ارائه شده هم بیشتر برای تعیین توزیع مکانی میکروارگانیسمها با نیازهای غذایی متفاوت مانند میکروارگانیسمهای اتوتروف و هتروتروف - به خصوص در مورد بیوفیلمهای نیترات زا که واکنش مطلوب را میکروارگانیسمهای اتوتروف انجام می دهند - بکار می رود. در این تحقیق با استفاده از یک مدل ریاضی ساده رقابت بین دو میکروارگانیسم که از یک سوبسترای بازدارنده استفاده می کنند شبیه سازی شده است و تأثیر شرایط عملیاتی بر ترکیب جمعیتی میکروارگانیسمها بررسی شده است.
شرح مدل
در این بخش مدلی بر مبنای مدل پیشنهاد شده توسط سودا و همکاران ]۵[ ارائه می شود. در این مدل از چند فرض ساده کننده استفاده شده است که عبارتند از : ۱ ضخامت بیوفیلم ثابت بوده و در تمام نقاط بیوفیلم یکسان می باشد. ۲ رشد میکروارگانیسمها از مدل اندروز با محدودیت فضایی تبعیت می کند و سقفی برای مجموع غلظت دو میکروارگانیسم A و B در نظر گرفته شده است. ۳ نفوذ سوبسترا، حرکت میکروارگانیسمها و کاهش بیوماس بیوفیلم در اثر تنش برشی از معادلاتی شبیه قانون فیک تبعیت می کند.
