High-resolution simulation of denitrification
Die Denitrifikation, also der mikrobielle Prozess (und seine Unterprozesse) der Reduktion von Stickstoffoxiden zu gasförmigem Stickstoff, wird in dieser Arbeit untersucht. Dazu wird ein System von partiellen Differentialgleichungen (PDEs) abgeleitet, das die Denitrifikation auf der Porenskala modelliert. Es wird gezeigt, dass dieses Modell wohlgestellt ist, d.h. dass das System von PDEs mit Anfangs- und Randbedingungen eine eindeutige schwache Lösung hat, die kontinuierlich von den Anfangsdaten abhängt. Das System der PDEs wird in Zeit und Raum diskretisiert. Die räumliche Diskretisierung hat eine sehr hohe Auflösung, die es ermöglicht, den Porenraum vollständig aufzulösen. Dies führt zu einem sehr großen System von gewöhnlichen Differentialgleichungen (ODEs).
Es werden wirksame Lösungsverfahren zu jenem System untersucht.
Es werden Batch-Experimente mit einem denitrifizierenden Bakterienstamm durchgeführt und ein System von ODEs abgeleitet, um die Experimente zu modellieren. Die Parameter im ODE-System werden entweder durch weitere Experimente oder durch Parameterschätzungsansätze bestimmt. Das Ergebnis wird mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Man beachte, dass ein Satz von Parametern bestimmt wird, um alle Batch-Experimente auf einmal zu modellieren.
Mit demselben Bakterienstamm werden Experimente mit Glaskügelchen durchgeführt, die Hot Spots im Boden immitieren sollen. Zur Modellierung der Experimente wird ein System von eindimensionalen PDEs abgeleitet. Das System wird in Zeit und Raum diskretisiert und die Konvergenz verschiedener Diskretisierungsansätze wird untersucht. Die Parameter werden optimiert, und die Ergebnisse werden mit den Experimenten verglichen. Schließlich wird eine dreidimensionale Version des Modells auf drei verschiedene Szenarien
angewandt: Bestimmung eines effektiven Diffusionskoeffizienten für ein Glaspellet,
Simulation der Sauerstoffkonzentration im Boden unter der Annahme eines gleichmäßig verteilten Sauerstoffverbrauchs, und Methanisierung.
Denitrification, the microbial process (and its subprocesses) of reducing nitrogenous oxides to gaseous nitrogen, is studied in this work. For this, a system of partial differential equations (PDEs) modelling denitrification at the pore scale is derived. It is shown that this model is well-posed, i.e. that the system of PDEs with initial and boundary conditions has a unique weak solution which continuously depends on the initial data. The system of PDEs is discretized in time and space. The spatial discretization has a very high resolution, making it possible to fully resolve the pore space. This leads to a very large system of ordinary differential equations (ODEs) to be solved. Effective solving techniques are investigated.
Batch experiments with a denitrifying strain of bacteria are conducted and a system
of ODEs is derived to model the experiments. The parameters in the system of ODEs are either determined by further experiments or by parameter estimation approaches. The result is compared to the experimental results. Note that one set of parameters is determined to model all batch experiments at once.
Experiments with glass beads mimicking hot spots in soil are conducted with the
same strain of bacteria. A system of one-dimensional PDEs is derived to model the
experiments. The system is discretized in time and space and the convergence of different discretization approaches is investigated. Parameters are optimized and the result is compared to the experiments. Lastly, a three-dimensional version of the model is applied to three different scenarios: determining an effective diffusion coefficient for a glass bead, simulating the oxygen concentration in soil by assuming a uniformly distributed oxygen consumption, and methanation.
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