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恒化器不是完全混合反应器

已有 3401 次阅读 2019-3-12 10:57 |系统分类:科研笔记

恒化器是微生物学、生态学、生物数学、发酵工程学和环境工程学的一项基本工具。传统理论认为它本质上是完全混合反应器并假定所有粒子在反应器内混合均一,浓度处处相等。恒化器内有两种粒子:普通粒子和生物粒子。与普通粒子不同的是,生物粒子是服从达尔文进化法则。若假设生物粒子是混合均一的空间分布形态,必然带来一个隐含假定:恒化器内没有针对空间分布形态的选择机制(即生物粒子与空间分布形态有关生物性状不会影响自身的生存与繁殖)或者混合均一空间分布形态是生物粒子应对恒化器环境选择机制的最适应的空间分布形态。

那么恒化器内有没有针对空间分布形态的选择机制呢?有,恒化器的固定出水口就是一种这样的选择机制。恒化器出水可以看成是一种“捕食”机制,恒化器内生物粒子随水流流出,俗称洗出(wash-out)。固定出水口,就意味着“捕捞”有空间偏好性,只有出现在出水口位置的微生物粒子才有可能被洗出。减少出现在该位置的概率,就意味着获得了某种程度生存优势。这就是说某种非均一的空间分布才是最适应的分布形态。与促成生物粒子这种非均一空间分布形态的的生物性状获得某种生存优势。根据达尔文进化法则,这种生物性状会得到强化,直至被另外限制因素均衡(trade-off)为止。

以上端出水为例。出水孔在顶部,意味着,“上稀下浓”的分布形态最为有利。重力场中,悬浮粒子分布形态服从波尔茨曼-麦克斯韦分布,沿重力方向指数式衰减,粒子越重,衰减越快。相比于重颗粒,轻的颗粒容易出现在顶部。“去轻留重”的环境选择机制迫使生物粒子往重颗粒演化。要形成重颗粒,常见的途径是:增大粒子尺寸或密度。增大密度,需要灰分元素供给,这要视环境供给而定。但是增大粒子尺寸确很容易,最简单的是几个粒子聚集在一起形成聚集体。

上述分析表明:恒化器(包括其它形式生物反应器)存在针对空间分布形态的选择机制。生物粒子的空间分布形态是适应该机制的结果。生物粒子是通过改变粒子某种性质进而影响空间分布形态曲线,它不能改变空间分布基本形态。

结论:恒化器不是完全混合反应器。



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