Surface Skew Effects on Biofilms in Wastewater Treatment

이 연구는 뉴 멕시코 대학교와 플로우 사이언스의 협력입니다. Flow Science는 연구 지원 프로그램의 일환으로 무료 CFD 소프트웨어 및 CFD 전문 지식을 제공했습니다 .

물리적, 화학적 및 환경 적 장애에 대한 박테리아의 민감성은 폐수 처리장에서 미생물 질화를 유지하는 데 어려움을줍니다. 뉴 멕시코 대학교의 연구원들은 고리 형 질화 생물막 반응기에 대한 표면 거칠기의 영향을 이해하기 위해 일련의 실험을 수행했습니다 (Roveto et al., 2019). 그들의 팀은 FLOW-3D 를 사용 하여 실험 관찰에 대한 가능한 설명을 찾았습니다.

  1. Nitrifying Biofilms

생물막은 세포가 서로 그리고 표면에 달라 붙는 박테리아 세포의 공동체입니다. 생물막은 만성 감염 및 질병을 유발할 수 있으며 근절이 어렵고 농업과 의학에서 문제가됩니다. 그러나 폐수 처리 산업에서는 생물막을 활용하여 하수에서 유기 화합물을 추출하고 소화 할 수 있습니다.

최근, 암모니아 산화 박테리아를 포함하는 특정 유형의 생물막이 폐수 시스템에서 확인되었습니다. 이러한 질화 생물막은 폐수 처리 시스템에서 질화 공정의 효율성을 개선하는 데 사용됩니다. 그들은 또한 살수 필터 (van den Akker et al., 2011) 및 이동 층 생물막 반응기 (MBBRs, Song et al., 2019)에도 사용됩니다.

  • Annular Biofilm Reactors with Skewness

환형 생물막 반응기는 표준 Taylor-Couette 흐름 설정 (그림 1, 왼쪽 하단) 인 수중 회전 내부 실린더가있는 원통형 반응기로 구성됩니다. 이 반응기는 식수 시스템에서 미생물 군집 역학을 연구하고 회전 속도 증가에 대한 성장률을 결정하는 데 사용되었습니다 (Gomez-Alvarez et al., 2014). 이 연구로 인해 고리 형 생물막 반응기는 반응기의 내부 실린더에 추가 된 스큐와 함께 사용됩니다.

‘Skewness’는 표면 특징 분포의 비대칭 성을 설명하는 거칠기 매개 변수이며 생물막 형성에 영향을 미치는 것으로 생각됩니다. 왜도의 영향을 정량화하기 위해 잘 정의 된 양수 및 음수 왜곡 표면 (그림 1, 오른쪽 하단)을 평평한 (비뚤어지지 않은) 표면에서의 생물막 성장과 비교했습니다.

Figure 1. Annular reactors (top), plan view of annular bioreactor scheme (bottom left) and detail of rotating attachment surface, and outer stationary cylinder illustrating cylindrical Couette flow (bottom right).

  • CFD 모델링

FLOW-3D 는 포지티브 및 네거티브 스큐 표면의 전단력 분포를 계산하는 데 사용되었습니다. 기울어 진 표면의 누적 전단 응력을 평평한 제어 표면과 서로 비교하기 위해 각 기울어 진 표면의 대표적인 300 마이크로 미터 단면을 길이에 따른 벽 전단 응력에 대해 평가했습니다 (그림 2). 실험적으로 관찰 된 0.35 Pa의 일정한 평면 값 이상의 값은 “고 전단”으로 분류되고 아래 값은 “저 전단”으로 지정되었습니다.

그림 2. 정상 상태 흐름에서 (a) 포지티브 및 (b) 네거티브 스큐 표면을 따라 CFD 생성 2D 전단 응력 프로파일 및 (c) 포지티브 및 (d) 네거티브 스큐 표면에 대한 표면에서 예측 된 로그 전단 응력 값 대표 피처 길이 (300 m). 
수평 빨간색 선은 평평한 표면의 전단 응력 (0.35 Pa)을 나타냅니다. 
노란색 및 빨간색 음영 섹션은 각각 평평한 표면 전단보다 작거나 큰 전단 값을 나타냅니다.

낮은 전단 응력 값은 대부분의 포지티브 스큐 표면을 따라 예측되었으며 대표 섹션의 86 %는 0.35 Pa 미만의 값과 높은 전단 범위에서 14 %를 나타냅니다 (그림 2c). 네거티브 스큐 표면의 경우 62 %가 평평한 표면보다 낮은 전단 값을 가졌고 38 %는 고전 단으로 분류되었습니다 (그림 2d). 음의 스큐 표면은 양의 스큐 표면에 걸쳐 높은 전단 범위에서 예측 된 전단 벽 응력 값으로 2.5 배 더 많은 면적을 가졌습니다.

  • 결론

실험적으로 음의 비대칭 표면은 생물막 성장 중에 가장 높은 완전 질화 속도를 나타냅니다. FLOW-3D의 CFD 시뮬레이션은 이 현상에 대한 가능한 설명을 제공합니다. 그들은 음의 기울기 표면이 양의 기울기 표면보다 전단력이 큰 영역이 더 크다는 것을 보여줍니다. 이러한 고전 단 영역은 부착 속도와 질량 전달 속도를 증가시켜 생물막의 질화 속도를 증가시킵니다.

이 연구는 폐수 처리장에서 생물막의 질화 효율을 높이는 방법을 제안합니다.

이 연구의 계산 모델링 측면에 대해 자세히 알아 보거나 현재 프로젝트에 FLOW-3D 를 통합하는 방법에 대해 논의하려면 adwaith@flow3d.com 으로 저에게 연락하십시오 .

참조

Roveto, P.M., Gupta, A., Schuler, A.J., 2019. Effects of Attachment Surface Skew on Growth and Community Dynamics of Nitrifying Biofilms. Water Research (in review)

Van den Akker, B., Holmes, M., Pearce, P., Cromar, N.J., Fallowfield, H.J., 2011. Structure of nitrifying biofilms in a high-rate trickling filter designed for potable water pre-treatment. Water Res. 45, 3489–3498. https://doi.org/10.1016/j.watres.2011.04.017

Song, Z., Zhang, X., Ngo, H.H., Guo, W., Song, P., Zhang, Y., Wen, H., Guo, J., 2019. Zeolite powder based polyurethane sponges as biocarriers in moving bed biofilm reactor for improving nitrogen removal of municipal wastewater. Sci. Total Environ. 651, 1078–1086. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.09.173

Gomez-Alvarez, V., Schrantz, K.A., Pressman, J.G., Wahman, D.G., 2014. Biofilm Community Dynamics in Bench-Scale Annular Reactors Simulating Arrestment of Chloraminated Drinking Water Nitrification. Environ. Sci. Technol. 48, 5448–5457. https://doi.org/10.1021/es5005208