Page 153 - 精细化工2019年第10期

第 10 期 韩越梅，等: 好氧氨氧化生物膜内氧传质特性及影响因素 ·2119·

由图可知，溶氧浓度随生物膜厚度的变化都是 溶氧浓度沿生物膜厚度方向均呈现出下降趋势，但
呈对数下降的趋势，且渗流速度越大溶氧浓度下降 随着扩散系数的增大，溶氧浓度下降过程逐渐减慢，
越慢，达到稳定所需要的时间越长。而当渗流速度 溶氧所能达到的深度随扩散系数增大而增大。如
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足够小（小于 2.2×10 m/s）时，对流传质作用可以 D=1.5×10 m /s 时溶 氧 所到达深度 的最大值为
忽略，溶氧所能到达的生物膜深度基本一致。由图 0.25 mm，溶解氧浓度在生物膜内靠近载体表面处依
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2b 还可以得出，渗流速度大于 1.2×10 m/s 时，渗 然保持 0.0045 mol/m 。这一结果对好氧生物反应具
流速度与溶氧所能到达的生物膜的深度成正比。 有实际意义：为了强化生物膜内溶解氧传质效果，
1.1.4.3 扩散系数的影响 可以通过增大载体材料的孔隙率和蓬松程度的方式
生物膜内的扩散作用是膜内传质的另一个重要 增大生物膜内的扩散系数，达到强化传质的目的。
方面，扩散系数是决定扩散传质效率的重要参数。 1.1.4.4 进水底物浓度的影响
Walter 等对传统硝化/反硝化工艺生物膜传质过程的 生物反应过程中进水底物浓度 c 对生物膜内溶
研究表明，生物膜内部传质主要是扩散作用，生物 氧传质以及微生物生长都有影响。在一定范围内基
膜越厚扩散传质作用越明显 [11] 。为了揭示扩散作用 质进水浓度越高，所形成的生物膜越松散，表面粗
对溶解氧在生物膜内传质规律，选用了 4 个不同扩 糙度越大，生物膜内孔隙率越高，越有利于传质。
散系数，采用一维模型对溶氧浓度沿生物膜厚度方 为了获得生物膜增长期内底物浓度对溶解氧传质的
向的变化规律和具体数值进行了求解，结果如图 3 影响规律，设置了 4 个不同的底物浓度值，溶解氧
所示。 传质过程的变化曲线如图 4 所示。

图 4 溶解氧浓度随进水浓度的变化规律
图 3 溶解氧浓度随扩散系数的变化规律 Fig. 4 Oxygen concentration variation with feeding matrix
Fig. 3 Oxygen concentration variation with diffusivity concentration
coefficient
生物膜厚度为 0.05 mm 处，在不同进水浓度条
图 3a 给出了在生物膜厚 L z 为 0.05 mm 处，不 件下溶氧浓度随时间的变化如图 4a 所示。由图可
同扩散系数下溶氧浓度随时间的变化情况。从图中 见，在不同进水浓度条件下，膜内溶氧浓度都呈现
可以看出，扩散系数的增大缩短了溶氧浓度达到最 出先上升后保持不变的规律，但进水浓度越高，溶
大值所用的时间，所获得的最大值越大。原因是当 氧浓度所能到达的最大值越大，所用的时间越长：
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扩散系数增大到一定程度时改变了生物膜内氧传质 如当进水浓度为 0.25 mol/m 时，在厚度为 0.05 mm
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方式为以涡流扩散为主，生物膜内固定位置的溶氧 处的溶氧浓度用时近 30 s 达到最大值 0.20 mol/m ，
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浓度也达到最大。由图 3b 可见，在不同扩散系数下 且此后保持不变；而进水浓度为 0.08 mol/m 时，膜