生物膜法是一种环保、效益高的污水净化方法。生物膜是由细菌、真菌和藻类等微生物附着在固体表面形成的生态系统，通过微生物对水中有机物吸收分解，污水可得到净化，同时生物膜自身得以生长繁殖。生物膜具有高度异质性的内部结构，对膜内物质运输及生化反应过程产生显著影响。传统的均匀多孔介质模型使模拟计算偏离真实过程，且难以探究生物膜内局部位置的行为特征以及内部结构对物质输送过程的影响。

华北电力大学工程热物理研究中心李羡扬同学作为第一作者，王晓东教授作为第二作者，台北科技大学颜维谋教授作为第四作者，李笃中教授做为通讯作者，在生物资源领域国际期刊Bioresource Technology上发表题目为“Highly heterogeneous interior structure of biofilm wastewater for enhancedpollutant removals”的论文。该论文利用三维重构技术，建立了基于生物膜真实内部结构的三维重构模型，并首次利用生物膜三维重构模型进行了生物膜污染物去除效率的数值研究。该研究有助于深入认识生物膜内局部位置的结构特征及物质输送行为，突破了传统简单模型的局限性。

【论文概述】

论文利用生物膜的显微图像，通过三维重构技术建立了基于生物膜真实内部结构的三维重构模型，并结合计算流体力学方法（CFD）研究了生物膜内的流动特性和传质过程，本文首次利用生物膜三维重构模型进行了生物膜污染物去除效率的数值研究。相比于传统的均匀多孔模型，重构模型反映了生物膜真实的异质性结构，不仅使模拟计算更符合实际过程，而且有助于深入认识生物膜内局部位置的结构特征及物质输送行为。

（图为生物膜三维重构模型，显示了生物膜的高度异质性结构）

（图为重构模型截面处的流体速度分布和污染物浓度分布）

（图为不同反应速率常数下污染物去除效率随Re的变化曲线）

（图为生物膜重构模型与均匀多孔模型（颗粒直径从1μm到500 μm）的计算结果比较）

论文得出以下结论：生物膜三维重构模型的数值研究表明，生物膜具有高度异质性结构，并表现出复杂的流动规律和物质浓度分布。当采用相同的计算参数时，传统均匀多孔模型通常明显高估了生物膜传质效率。生物膜高度不均匀的内部结构对生物膜的物质输送行为产生显著影响，因此在模拟研究中不能忽略内部结构的作用因素。研究发现，生物膜内大孔洞附近具有过量底物，使较大孔洞处的微生物比生活在小孔隙附近的微生物更容易获得营养物质。由此形成微生物竞争生态位，从而提高膜内局部传质速率。在上述机制作用下，生物膜通常形成高度异质性多孔结构而不是均匀性结构。

该论文得到了国家杰出青年科学基金（51525602）资助。

撰稿人：李羡扬