Введение к работе
Аісгуальность проблемы. К настоящему времени важным элементом исследи ания экологических систем стало нх формальное описание и создание соответствующих математических моделей Это направление активно развивалось и развивается российскими учеными А.А. Ляпуновым, ЮМ. Свирежевым, В В Меншуткииым, А.Б. Гортско. А.М Молчановым, ВВ. Алексеевым и др. и их научными школами.
Процессы анаэробного разложения органического вещества, осуществляемые сообществом анаэробных микрооршшзмов, являются важным звеном в обшем круговороте органического вещества в биосфере. Они объясняют, в частности, выход в атмосферу такого парникового газа как метан. Анаэробные процессы лежат в основе получения возобновляемой энергии из коммунальных отходов, отходов промышленного н сельскохозяйственного производства Эти процессы весьма продолжительны: их характерные времена составляют десятки и сотни дней. Протекают они через несколько ключевых стадий (гидролиз, кислотогенез, ацетотіез и метаногенез) и при их описании следует учитывать множество параметров газовой, жидкой и твердой фаз. Кроме того, такие системы явно нелинейны, что отражается в сушествовании пороговых эффектов, когда функционирование сообщества микроорганизмов нарушается.
Несмотря на то, что общая картина динамики этих процессов широко исследовалась экспериментально и теоретически, в том числе и с помощью математического моделирования (например, Andrews, 1969, Mosey, 1983; Moletta et al., 1986; Заварзин и др., 1990; Калюжный и др, 1991; Siegrist et al., 1993; Вавилин и др., 1993; Angelidaki et al.. 199*; Паникой, 1994), в каждом конкретном случае интерпретация повеления анаэробной системы до сих пор представляет значительные трудности. Между тем, понимание регуляторних механизмов работы ана>ро6ішіо микробного сообщества необходимо как для интенсификации и оптимііі;.иті
работы реакторов, разлагающих отходы, гак и для прогнозирования поведения микробного сообщества в естественных условиях.
Цель работы состояла в создании современной модели анаэробного разложения органического вещества в проточных и непроточных реакторах полного перемешивания, разработке соответствующей компьютерной программы и применении ее для анализа функционирования анаэробною сообщества.
В связи с этим в работе решались следующие задачи:
анализ экспериментальных данных и выбор адекватного математического описания ключевых стадий анаэробного процесса;
определение кинетических констант характерных групп микрооріаниз-мов из разных сред обитания;
определение условий сбалансированного протекания стадий гидролиза н метаногенеза, лимитирующих скорость общего процесса метанообразова-
1І.ІЯ,
- исследование анаэробных процессов при низких темпераграх, осуще
ствляемых естественными микробными сообществами.
Научная новизна работы состоит в создании современной обобщенной нмитациоиной модеми анаэробного процесса раможенмя органического вещества в реакторах полного перемешивания, получении количественных' кинетических характеристик ключевых стадий анаэробного процесса в некоторых естественных и технических системах, объяснении ряда эффектов, в том числе соотношения концентраций продуктов кислогогелеза глюкозы в проточном реакторе, явлення двухсіупенчаїоіо образования метана, влияния разбавления образцов тундровой почвы на конечные продукты переработки Нг/COj, аномальной динамики процесса разложения органического вещества акклимазизировзнным сообществом микроорганизмов.
Практическая значимость работы заключается в разработке модели, позволяющей интерпретировать и оптимизировать анаэробный процесс.
АпроС.шия работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международных конференциях: 18* Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals (GatJinburg, USA, май, 1996); "Methanogenesis for suistainable environmental protection" (С.-Петербург, июнь, 1996); 3d Finnish Conference of Environmental Sciences (Jyvaskyla, Finland, май, 1997); іл International Conference on Anaerobic Digestion (Sendai, Japan, май, 1997).
Публикации. Основные результаты выполненных исследований отражены в 10 печатных работах, опубликованных в международных и российских журналах и в трудах конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3-х глав н заключения. Она изложена на "» страницах и включает в себя 38 таблиц, 38 рисунков и список литературы из 204 наименований.