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特性的影響  

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

《環境化學工程雜志》第11卷，2023年，文章編號110719

 

摘要內容  

摘要通過好氧流化床生物膜反應器（AFBBR）研究不同碳氮比（C:N=4.79, 9.49, 13.94）對宏觀（反應器尺度）廢水中氧傳質效率（OTR、α因子）及微觀（生物膜尺度）氧擴散動力學（擴散系數Db、傳質效率ki）的影響。結果表明：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呈負指數關系（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時邊界層傳質效率ki（(2.0±0.1)×10?3 cm/s）和擴散系數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）和內部擴散系數Db（4.3×10?? cm2/s）最高。  

 

研究目的  

系統闡明不同碳氮比（C:N）條件下氧傳質（OMT）在宏觀（反應器）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，為優化曝氣能效提供理論依據。  

 

研究思路  

反應器構建：采用AFBBR系統（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)）。  

 

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

 

宏觀監測：四通道光纖氧計連續監測廢水中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（OX-25探頭）測定生物膜內部氧分布（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）。  

 

 

參數計算：結合質量平衡方程求解邊界層傳質系數ki、擴散系數Di及生物膜內部擴散系數Db（表1）。  

 

 

測量數據及其研究意義  

廢水DO與溫度分布（圖1）  

 

數據：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）  

 

數據：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誘發絲狀菌增殖增加單位耗氧率。  

α因子與CODcr關系（圖3）  

 

數據：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效率的抑制作用，為曝氣系統優化提供參數。  

生物膜氧分布（圖4）  

 

數據：氧濃度分四區（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：揭示生物膜內氧傳遞梯度，明確好氧/厭氧分區邊界。  

擴散動力學參數（表1）  

 

數據：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比優化邊界層傳質，低C:N比因絲狀菌致密結構提升生物膜內部擴散。  

 

丹麥Unisense微電極數據的意義  

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

生物膜氧分層量化：直接測定生物膜內部氧濃度梯度（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）提供數據基礎。  

 

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

 

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

 

結論  

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呈負指數關系（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。  

 

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

 

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