Effect of hydrodynamics on the transformation of nitrogen in river water by regulating the mass transfer performance of dissolved oxygen in biofilm

水動力通過調控溶解氧在生物膜中的傳質性能影響河流水體氮轉化

來源：Chemosphere, Volume 312, 2023, Article 137013  

《環境科學與技術》，第312卷，2023年，文章編號137013

 

摘要內容

摘要研究了水動力條件（湍流、過渡流、層流）對河流生物膜形成過程、結構特性及氮遷移轉化的影響。通過宏觀水質監測（COD、DO、氮形態濃度）和微觀溶解氧（DO）微電極剖面分析，發現水動力通過調控生物膜的分層結構（好氧層/微氧層/厭氧層）和DO通量，影響氮的去除效率。湍流條件下形成的成熟生物膜厚度最小但密度最高，厭氧層占比最大，總氮（TN）去除率最高（68.85%）；層流條件下生物膜結構松散，脫氮效率最低。DO在生物膜中的傳質性能是決定硝化/反硝化耦合的關鍵因素。

 

研究目的

探究水動力如何通過調節生物膜內溶解氧（DO）的傳質性能，進而影響河流水體中氮的遷移轉化過程，為定量評估生物膜對氮循環的貢獻提供依據。

 

研究思路

宏觀尺度：在三種水動力條件（湍流、過渡流、層流）下培養生物膜，監測水體中COD、DO、NH??-N、NO??-N、NO??-N、TN的濃度變化，計算氮去除效率。  

 

微觀尺度：使用丹麥Unisense微電極系統（型號OX25，尖端直徑25μm）測量生物膜內DO的垂直分布剖面，計算DO通量（擴散通量JO2,m和消耗通量JO2,st），結合生物膜厚度和分層結構分析DO傳質特性。  

 

機制關聯：通過宏觀水質數據與微觀生物膜結構、DO通量的關聯，揭示水動力→生物膜結構→DO傳質→氮轉化的作用鏈條。

 

測量數據及其研究意義

水質參數（圖3a/b）  

 

 

監測指標：NH??-N、TN、NO??-N、NO??-N、COD、DO、濁度。  

 

意義：量化不同水動力條件下生物膜的脫氮效率（如TN去除率最高達68.85%），并反映氮形態轉化過程（如NO??-N積累后因反硝化而下降）。  

生物膜物理特性（表2）  

 

 

測量指標：生物膜厚度、DO穿透深度（即好氧層/微氧層厚度）。  

 

意義：揭示水動力對生物膜結構的調控作用（湍流使生物膜更薄但更密），直接影響DO和營養物質的傳質阻力。  

DO濃度剖面（圖4a-e）  

 

 

測量方法：Unisense微電極在生物膜培養第15、24、40、48、60天測定DO垂直分布。  

 

意義：識別生物膜分層結構（好氧層/微氧層/厭氧層），為硝化（好氧層）和反硝化（厭氧層）提供空間分異證據。  

DO通量計算值（表2）  

 

計算指標：  

 

DO擴散通量（JO2,m，基于Fick第一定律）  

 

DO消耗通量（JO2,st，基于NH??-N氧化的化學計量關系）  

 

意義：量化DO傳質效率與生物反應活性的動態變化（如JO2,st在生物膜成熟后因傳質阻力增加而下降）。

 

詳細解讀Unisense微電極數據的意義

丹麥Unisense微電極（型號OX25）的高空間分辨率（25μm尖端）和快速響應（5秒）特性，使研究能精準捕捉生物膜內部DO的梯度分布（圖4）。其數據意義體現在：  

揭示分層結構形成動態：DO剖面顯示，湍流條件下第40天即出現厭氧層（圖4c），而層流條件下直至第48天才形成（圖4d），證明水動力加速了生物膜的功能分區。  

 

量化DO傳質限制：通過DO穿透深度與生物膜厚度的比值（表2），計算DO擴散通量（JO2,m），發現湍流下JO2,m最高（1.85 g O?·m?2·d?1），支持其更高效的傳質能力。  

 

關聯氮轉化生化過程：結合DO消耗通量（JO2,st）與水質數據（圖3），證實厭氧層出現后（階段Ⅳ），反硝化作用提升使TN去除率顯著提高（湍流下68.85%）。  

 

驗證生物膜成熟階段：DO剖面變化（如第60天穿透深度增加）反映了生物膜老化脫落（階段Ⅴ），與宏觀水質惡化（濁度上升、TN去除率下降）相互印證。

 

結論

水動力通過調控生物膜結構（厚度、密度、分層）影響DO傳質性能：湍流下生物膜最薄（560μm）但厭氧層占比最高（42.8%），DO擴散通量（JO2,m）最大。  

 

生物膜分層結構是氮高效去除的關鍵：厭氧層的形成使反硝化作用增強，湍流條件下成熟生物膜的TN去除率最高（68.85%），層流條件下因結構松散效率最低。  

 

DO傳質限制決定脫氮路徑：生物膜增厚后DO傳質阻力增加，導致NH??-N氧化效率下降，但同步形成的厭氧層促進了TN的協同去除。  

 

通過調節水動力條件可優化生物膜的脫氮功能，為河流修復提供理論依據。