이 연구는 뉴 멕시코 대학과 플로우 사이언스의 공동 연구입니다. FlowScience는 연구 지원 프로그램의 일환으로 CFD소프트웨어와 CFD전문 지식을 무료로 제공했습니다.

물리적, 화학적, 환경적 장애에 대한 박테리아의 민감도는 폐수 처리 공장에서 미생물의 산성화를 유지하는 데 어려움을 줍니다. 뉴 멕시코 대학의 연구원들은 annular nitrifying biofilm reactors에 대한 표면 거칠기의 영향을 이해하기 위해 일련의 실험을 수행했습니다(Rovetoetal., 2019). 그들의 팀은 실험 관찰에 대한 가능한 설명을 찾기 위해 FLOW-3D를 사용했습니다.

  1. Nitrifying Biofilms

바이오 필름은 세포들이 서로 달라붙어 표면에 달라붙는 박테리아 세포들의 공동체입니다. 생물학은 만성적인 감염과 질병을 유발할 수 있고, 근절하기 어렵고, 농업과 의학의 문제입니다. 그러나 폐수 처리 산업에서는 바이오 연료를 이용해 하수로부터 유기 화합물을 추출하고 소화시킬 수 있습니다.

최근에, 암모니아 산화물을 포함하는 특정한 유형의 바이오 필름이 폐수 시스템에서 확인되었습니다. 이러한 Nitrification biofiles는 폐수 처리 시스템의 질소화 프로세스의 효율성을 개선하는 데 사용됩니다. 또한 유입 필터( van den Akker et al., 2011 )와 이동식 침대 바이오 연료 반응로(MBBRs, Songetal., 2019)에도 사용된다.

  • Annular Biofilm Reactors with Skewness

annular nitrifying biofilm reactors는 원통형 반응로로 구성되며 회전하는 내부 실린더가 물에 잠겨 있습니다. 이는 표준 테일러-계수 흐름 설정입니다(그림 1, 왼쪽 하단). 이러한 반응로는 음용수 시스템의 미생물 군집 역학을 연구하고 회전 속도 증가에 대응하여 증가율을 결정하는 데 사용되었습니다(Gomez-Alvarezetal., 2014). 이러한 연구로 인해 고리 모양의 바이오 필름 반응로는 반응로 내부 실린더에 대한 Skew가 추가되어 사용됩니다.

‘ Skewness’은 표면 특성 분포의 비대칭성을 설명하는 거칠기 매개 변수로, 생물학적 프로파일 형성에 영향을 미치는 것으로 생각됩니다. 광택 효과를 정량화하기 위해 잘 정의된 양 및 음 skew  표면(그림 1, 오른쪽 하단)을 평평한( non-skewed)표면의 생물학적 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-3D는 양 및 음의 skew  표면에 대한 전단력의 분포를 계산하는 데 사용되었습니다. 왜곡된 표면에 대한 누적 전단 응력을 평평한 제어 표면과 서로 비교하기 위해 각 skewed surface의 대표적인 300마이크로 미터의 길이에 따른 벽 전단 응력을 평가했습니다(그림 2). 0.35Pa의 실험적으로 관찰된 평탄한 표면 값을 “고 전단”으로 분류하고 아래 값을 “저 전단”으로 지정했습니다.

그림 2.(a)정상 상태 흐름에서(a)양 및 (b)음의 Skew 표면을 따라 LED로 생성된 2D전단 응력 프로파일 및 대표적인 특징 길이(300m)를 따라(c)양 및(d)음(negative)의 표면에서 로그 전단 응력 값을 예측합니다.  빨간색 가로줄은 평면(0.35Pa)의 전단 응력을 나타낸다. 노란 색 음영 부분과 빨간 색 음영 부분은 각각 평면 전단보다 작거나 큰 전단 값을 나타냅니다.

그림 2. 정상 상태 흐름에서 (a) 포지티브 및 (b) 네거티브 스큐 표면 및 (c) 포지티브 및 (d) 네거티브 스큐 표면에 대한 예측 로그 대수 전단 응력 값에 따른 CFD 생성 2D 전단 응력 프로파일 및 대표적인 피처 길이 (300 m). 빨간색 가로줄은 평평한 표면의 전단 응력을 나타냅니다 (0.35 Pa). 노랑 및 빨강 음영 부분은 각각 평면 전단보다 작거나 큰 전단 값을 나타냅니다.

대부분의 양의 스큐 표면에서 낮은 전단 응력 값이 예측되었으며, 대표 단면의 86%가 0.35Pa미만, 높은 전단 범위의 14%임을 보여 줍니다(그림. 2c). 마이너스 스큐 표면의 경우, 62%가 평평한 표면의 값보다 낮은 전단 값을 가졌으며, 38%는 높은 전단으로 분류되었습니다(그림 2d). 음의 스큐 표면은 양의 스큐 표면 위의 높은 전단 범위에서 전단 벽 스트레스 값이 예측되어 2.5배 더 많은 영역을 차지했습니다.

  • 결론

실험적으로, 음성의 얼룩이 있는 표면은 바이오 필름 성장 중에 완전한 질산염이 가장 높은 비율을 보인다는 것이 발견되었습니다. FLOW-3D의 CFD시뮬레이션은 이러한 현상에 대한 가능한 설명을 제공합니다. 이들은 네거티브 스큐 표면이 포지티브 스큐 표면보다 전단력이 높은 영역이 더 크다는 것을 보여 줍니다. 이러한 높은 전단 면적은 부착율과 질량 전달률을 증가시킬 수 있으며, 이는 다시 바이오 필름의 질화율을 증가시킵니다.

이 연구는 폐수 처리 공장에서 질소를 함유하는 바이오 연료의 효율을 높일 수 있는 방법을 제시합니다.

본 연구의 컴퓨터 모델링 측면에 대해 자세히 알아보거나 FLOW-3D를 현재 프로젝트에 통합하는 방법에 대해 논의하려면 adwaith@flow3d.com으로 문의하십시오.

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