Effects of carbon to nitrogen ratio on oxygen mass transfer characteristics in wastewater and biofilms  

碳氮比對廢水和生物膜中氧傳質(zhì)特性的影響  

來源：Journal of Environmental Chemical Engineering, Volume 11, 2023, Article 110719  

《環(huán)境化學(xué)工程雜志》第11卷，2023年，文章編號110719

 

摘要內(nèi)容  

摘要通過好氧流化床生物膜反應(yīng)器（AFBBR）研究不同碳氮比（C:N=4.79, 9.49, 13.94）對宏觀（反應(yīng)器尺度）廢水中氧傳質(zhì)效率（OTR、α因子）及微觀（生物膜尺度）氧擴散動力學(xué)（擴散系數(shù)Db、傳質(zhì)效率ki）的影響。結(jié)果表明：高C:N比（13.94）下廢水平均DO濃度最低（5.85 mg/L），但OTR（9.74±0.33 mg/(L·h)）和生物量（TSS=8178±87 mg/L）最高；α因子與CODcr呈負(fù)指數(shù)關(guān)系（α=71.07×CODcr??·?1）；基于菲克第二定律建立生物膜好氧層厚度與氧濃度的高斯分布模型（R2≥0.9963），揭示C:N=9.49時邊界層傳質(zhì)效率ki（(2.0±0.1)×10?3 cm/s）和擴散系數(shù)Di（(8.1±3.2)×10?? cm2/s）最大，而低C:N比（4.79）下生物膜厚度（LF=2422±411 μm）和內(nèi)部擴散系數(shù)Db（4.3×10?? cm2/s）最高。  

 

研究目的  

系統(tǒng)闡明不同碳氮比（C:N）條件下氧傳質(zhì)（OMT）在宏觀（反應(yīng)器）與微觀（生物膜）尺度的機制，建立生物膜好氧層厚度與氧濃度的定量模型，為優(yōu)化曝氣能效提供理論依據(jù)。  

 

研究思路  

反應(yīng)器構(gòu)建：采用AFBBR系統(tǒng)（有效容積26 L），填充改性聚氨酯載體（30%填充率），控制曝氣速率恒定（9.49 m3/(h·m3)）。  

 

工況設(shè)置：設(shè)置3組C:N比（4.79, 9.49, 13.94），對應(yīng)進水CODcr為195.1±11.6 mg/L、386.3±23.9 mg/L、567.2±52.4 mg/L。  

 

宏觀監(jiān)測：四通道光纖氧計連續(xù)監(jiān)測廢水中DO濃度（圖1），計算OTR、qO?、α因子（圖2-3）。  

 

 

微觀分析：Unisense微電極系統(tǒng)（OX-25探頭）測定生物膜內(nèi)部氧分布（圖4），基于菲克第二定律建立氧濃度-生物膜厚度高斯模型（圖5）。  

 

 

參數(shù)計算：結(jié)合質(zhì)量平衡方程求解邊界層傳質(zhì)系數(shù)ki、擴散系數(shù)Di及生物膜內(nèi)部擴散系數(shù)Db（表1）。  

 

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義  

廢水DO與溫度分布（圖1）  

 

數(shù)據(jù)：C:N=4.79/9.49/13.94時平均DO分別為7.68/6.91/5.85 mg/L。  

 

意義：證實高C:N比降低DO濃度（R=-0.958, p<0.001），因微生物代謝耗氧增加。  

OTR、qO?與生物量（圖2）  

 

數(shù)據(jù)：C:N=13.94時OTR最高（9.74±0.33 mg/(L·h)），TSS=8178±87 mg/L；C:N=4.79時qO?最高（1.24×10?3 m3/(h·m3)）。  

 

意義：高C:N促進生物量積累提升OTR，低C:N誘發(fā)絲狀菌增殖增加單位耗氧率。  

α因子與CODcr關(guān)系（圖3）  

 

數(shù)據(jù)：α因子=0.59（C:N=4.79）→0.24（C:N=13.94），擬合得α=71.07×CODcr??·?1（R2=0.9679）。  

 

意義：量化污染物濃度對氧傳質(zhì)效率的抑制作用，為曝氣系統(tǒng)優(yōu)化提供參數(shù)。  

生物膜氧分布（圖4）  

 

數(shù)據(jù)：氧濃度分四區(qū)（廢水相→邊界層→好氧生物膜→厭氧生物膜），C:N=4.79時生物膜最厚（2422±411 μm）。  

 

意義：揭示生物膜內(nèi)氧傳遞梯度，明確好氧/厭氧分區(qū)邊界。  

擴散動力學(xué)參數(shù)（表1）  

 

數(shù)據(jù)：C:N=9.49時ki（(2.0±0.1)×10?3 cm/s）和Di（(8.1±3.2)×10?? cm2/s）最大；C:N=4.79時Db（4.3×10?? cm2/s）最高。  

 

意義：中C:N比優(yōu)化邊界層傳質(zhì)，低C:N比因絲狀菌致密結(jié)構(gòu)提升生物膜內(nèi)部擴散。  

 

丹麥Unisense微電極數(shù)據(jù)的意義  

Unisense微電極系統(tǒng)（型號OX-25，分辨率25 μm）通過高精度空間分辨率實現(xiàn)：  

生物膜氧分層量化：直接測定生物膜內(nèi)部氧濃度梯度（圖4），識別好氧層（DO>0.1 mg/L）與厭氧層（DO<0.1 mg/L）邊界，為高斯模型（圖5）提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。  

 

擴散動力學(xué)解析：結(jié)合菲克定律計算邊界層厚度（Lc=400–617 μm）和擴散系數(shù)Di/Db（表1），揭示C:N=9.49時邊界層傳質(zhì)效率最優(yōu)。  

 

機制驗證：實測氧分布驗證絲狀菌增殖（低C:N比）導(dǎo)致生物膜增厚（LF=2422 μm）和內(nèi)部擴散增強（Db=4.3×10?? cm2/s），闡明宏觀OTR與微觀傳質(zhì)的關(guān)聯(lián)機制。  

 

結(jié)論  

宏觀尺度：高C:N比（13.94）提升生物量（TSS=8178 mg/L）和OTR（9.74 mg/(L·h)），但DO濃度最低（5.85 mg/L）；α因子與CODcr呈負(fù)指數(shù)關(guān)系（α∝CODcr??·?1）。  

 

微觀尺度：建立生物膜好氧層厚度（LF）與氧濃度的高斯模型（C(L)=C?+A·e?2??????2/?2），擬合度R2≥0.9963。  

 

傳質(zhì)效率：C:N=9.49時邊界層傳質(zhì)效率ki（2.0×10?3 cm/s）和擴散系數(shù)Di（8.1×10?? cm2/s）最高；C:N=4.79時生物膜厚度（LF=2422 μm）和內(nèi)部擴散系數(shù)Db（4.3×10?? cm2/s）最大。  

 

工程意義：優(yōu)化C:N比（≈9.5）可提升邊界層傳質(zhì)效率，為降低曝氣能耗提供理論依據(jù)。