2.2不同剪切力条件下生物膜内N元素分布特性


2.2．1 1.0Pa剪切力生物膜内物质浓度分布当磁力搅拌器转速为402r/min，即模拟1.0Pa冲刷剪切力时，生物膜培养45d达到成熟，其厚度不再变化，总厚度为（2.3±0.1）mm.分别用DO、、微电极测定生物膜内各种物质浓度的分布情况。测定结果如图4所示。

图4 1.0Pa剪切力生物膜内物质浓度分布


从图4中可见，随着生物膜深度的增加，DO浓度逐渐减小，从表面处的2.85mg/L降低到底部的0.08mg/L，上部为好氧环境，中间为缺氧环境，到底部逐步趋近于厌氧环境，这为同步硝化反硝化的反生提供了有利的条件.由于传质阻力的存在浓度沿生物膜厚度方向逐渐降低，从4.79mg/L降低到2.70mg/L.浓度从3.01mg/L降低到1.14mg/L，一方面是因为上部较多的发生硝化反应生成了，另一方面是因为底部的缺氧环境导致了反硝化反应的发生，不利于的积累.总体含量较少，其浓度从0.42mg/L增大到0.65mg/L，这是因为整个生物膜内均存在溶解氧，抑制了积累，而膜底部溶解氧略低且反硝化反应会生成，故底部浓度与表面处相比有所增大。


2.2．2 1.5Pa剪切力生物膜内物质浓度分布当磁力搅拌器转速为507r/min，即模拟1.5Pa冲刷剪切力时，生物膜培养45d达到成熟，其厚度为（1.9±0.1）mm.这时从反应器中取出生物膜，分别用DO、、、微电极测定生物膜内各种物质浓度的分布情况。测定结果如图5所示。

图5 1.5Pa剪切力生物膜内物质浓度分布


图5中物质浓度的总体变化趋势与图4相同，DO浓度由2.96mg/L降低到0.15mg/L，上部仍然为处于好氧环境，中间为缺氧环境，到底部逐渐趋近于厌氧环境，比图4中的DO略高，这是因为1.5Pa剪切力条件下，水流紊动性更强，更有利于DO从水相到生物膜的传质.浓度则比图4中的略小，由4.66mg/L降低到2.47mg/L，这是因为较多溶解氧的存在使得更容易发生硝化反应生成，因而浓度也比图4中略高.与图4中相比，图5中浓度同样也较低，由0.41mg/L增大到0.58mg/L，比图4中还略低。


2.2．3 2.0Pa剪切力生物膜内物质浓度分布当磁力搅拌器转速为600r/min，即模拟2.0Pa冲刷剪切力时，生物膜培养45d达到成熟，其厚度为（1.6±0.1）mm.这时从反应器中取出生物膜，分别用DO、、、微电极测定生物膜内各种物质浓度的分布情况.测定结果如图6所示。


图6中DO浓度由3.04mg/L降低到0.49mg/L，含量较高，整个生物膜内均为好氧条件.浓度与另外两种情况相比较低，这是因为较高的溶解氧更有利于的氧化.浓度较高，且其变化趋势与另外两种情况相反，由3.66mg/L增大到4.94mg/L，这是因为整个生物膜均处于好氧状态，内部没有反硝化反应的发生，硝化反应生成的于生物膜内得到积累，而上部生成的从生物膜内进入到水体，故上部浓度较低.由于没有反硝化反应发生，所以浓度很低，少量的是由部分氧化而生成。

图6 2.0Pa剪切力生物膜内物质浓度分布


雷诺比拟假说的数学表达式如（2）所示：


式中：Dr为径向紊动扩散系数；τ为距管轴为r处的紊动切应力；u为距管轴为r处的流体流速。

从式（2）中可以看出，切应力τ越大，物质的径向紊动扩散系数越大，即意味着越有利于物质的扩散.实验中随着剪切力的逐渐增大，越有利于DO向膜内的扩散，从而导致生物膜内溶解氧逐渐增大，进而决定了生物膜内微环境的差别及物质浓度分布的差异。


3、结论


3.1生物膜培养45d达到成熟，1.0，1.5，2.0Pa 3种水力条件下对应的生物膜厚度分别为（2.3±0.1），（1.9±0.1），（1.6±0.1）mm，生物膜厚度随着剪切力的增大而逐渐减小。


3.2 1.0，1.5Pa水力条件下生物膜内存在好氧、缺氧环境，有利于硝化和反硝化反应的发生，即有利于脱氮过程的发生.而2.0Pa剪切力条件下整个生物膜内均为好氧条件，并没有反生反硝化反应，不利于脱氮过程的进行。


3.3管壁剪切力是生物膜内微环境特征最主要的影响因素，直接决定了生物膜内DO分布，进而影响N元素的分布.而管壁剪切力主要由流速决定，在实际管道设计过程中，可以考虑通过控制流速达到最优剪切力条件，创造有利于脱氮的环境。


不同剪切力条件下生物膜内部氮元素浓度分布情况与规律（一）

不同剪切力条件下生物膜内部氮元素浓度分布情况与规律（二）