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2.2不同剪切力條件下生物膜內(nèi)N元素分布特性
2.2．1 1.0Pa剪切力生物膜內(nèi)物質(zhì)濃度分布當(dāng)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為402r/min，即模擬1.0Pa沖刷剪切力時(shí)，生物膜培養(yǎng)45d達(dá)到成熟，其厚度不再變化，總厚度為（2.3±0.1）mm.分別用DO、、微電極測(cè)定生物膜內(nèi)各種物質(zhì)濃度的分布情況。測(cè)定結(jié)果如圖4所示。
圖4 1.0Pa剪切力生物膜內(nèi)物質(zhì)濃度分布
從圖4中可見，隨著生物膜深度的增加，DO濃度逐漸減小，從表面處的2.85mg/L降低到底部的0.08mg/L，上部為好氧環(huán)境，中間為缺氧環(huán)境，到底部逐步趨近于厭氧環(huán)境，這為同步硝化反硝化的反生提供了有利的條件.由于傳質(zhì)阻力的存在濃度沿生物膜厚度方向逐漸降低，從4.79mg/L降低到2.70mg/L.濃度從3.01mg/L降低到1.14mg/L，一方面是因?yàn)樯喜枯^多的發(fā)生硝化反應(yīng)生成了，另一方面是因?yàn)榈撞康娜毖醐h(huán)境導(dǎo)致了反硝化反應(yīng)的發(fā)生，不利于的積累.總體含量較少，其濃度從0.42mg/L增大到0.65mg/L，這是因?yàn)檎麄€(gè)生物膜內(nèi)均存在溶解氧，抑制了積累，而膜底部溶解氧略低且反硝化反應(yīng)會(huì)生成，故底部濃度與表面處相比有所增大。
2.2．2 1.5Pa剪切力生物膜內(nèi)物質(zhì)濃度分布當(dāng)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為507r/min，即模擬1.5Pa沖刷剪切力時(shí)，生物膜培養(yǎng)45d達(dá)到成熟，其厚度為（1.9±0.1）mm.這時(shí)從反應(yīng)器中取出生物膜，分別用DO、、、微電極測(cè)定生物膜內(nèi)各種物質(zhì)濃度的分布情況。測(cè)定結(jié)果如圖5所示。
圖5 1.5Pa剪切力生物膜內(nèi)物質(zhì)濃度分布
圖5中物質(zhì)濃度的總體變化趨勢(shì)與圖4相同，DO濃度由2.96mg/L降低到0.15mg/L，上部仍然為處于好氧環(huán)境，中間為缺氧環(huán)境，到底部逐漸趨近于厭氧環(huán)境，比圖4中的DO略高，這是因?yàn)?.5Pa剪切力條件下，水流紊動(dòng)性更強(qiáng)，更有利于DO從水相到生物膜的傳質(zhì).濃度則比圖4中的略小，由4.66mg/L降低到2.47mg/L，這是因?yàn)檩^多溶解氧的存在使得更容易發(fā)生硝化反應(yīng)生成，因而濃度也比圖4中略高.與圖4中相比，圖5中濃度同樣也較低，由0.41mg/L增大到0.58mg/L，比圖4中還略低。
2.2．3 2.0Pa剪切力生物膜內(nèi)物質(zhì)濃度分布當(dāng)磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為600r/min，即模擬2.0Pa沖刷剪切力時(shí)，生物膜培養(yǎng)45d達(dá)到成熟，其厚度為（1.6±0.1）mm.這時(shí)從反應(yīng)器中取出生物膜，分別用DO、、、微電極測(cè)定生物膜內(nèi)各種物質(zhì)濃度的分布情況.測(cè)定結(jié)果如圖6所示。
圖6中DO濃度由3.04mg/L降低到0.49mg/L，含量較高，整個(gè)生物膜內(nèi)均為好氧條件.濃度與另外兩種情況相比較低，這是因?yàn)檩^高的溶解氧更有利于的氧化.濃度較高，且其變化趨勢(shì)與另外兩種情況相反，由3.66mg/L增大到4.94mg/L，這是因?yàn)檎麄€(gè)生物膜均處于好氧狀態(tài)，內(nèi)部沒有反硝化反應(yīng)的發(fā)生，硝化反應(yīng)生成的于生物膜內(nèi)得到積累，而上部生成的從生物膜內(nèi)進(jìn)入到水體，故上部濃度較低.由于沒有反硝化反應(yīng)發(fā)生，所以濃度很低，少量的是由部分氧化而生成。
圖6 2.0Pa剪切力生物膜內(nèi)物質(zhì)濃度分布
雷諾比擬假說的數(shù)學(xué)表達(dá)式如（2）所示：
式中：Dr為徑向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；τ為距管軸為r處的紊動(dòng)切應(yīng)力；u為距管軸為r處的流體流速。
從式（2）中可以看出，切應(yīng)力τ越大，物質(zhì)的徑向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)越大，即意味著越有利于物質(zhì)的擴(kuò)散.實(shí)驗(yàn)中隨著剪切力的逐漸增大，越有利于DO向膜內(nèi)的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致生物膜內(nèi)溶解氧逐漸增大，進(jìn)而決定了生物膜內(nèi)微環(huán)境的差別及物質(zhì)濃度分布的差異。
3、結(jié)論
3.1生物膜培養(yǎng)45d達(dá)到成熟，1.0，1.5，2.0Pa 3種水力條件下對(duì)應(yīng)的生物膜厚度分別為（2.3±0.1），（1.9±0.1），（1.6±0.1）mm，生物膜厚度隨著剪切力的增大而逐漸減小。
3.2 1.0，1.5Pa水力條件下生物膜內(nèi)存在好氧、缺氧環(huán)境，有利于硝化和反硝化反應(yīng)的發(fā)生，即有利于脫氮過程的發(fā)生.而2.0Pa剪切力條件下整個(gè)生物膜內(nèi)均為好氧條件，并沒有反生反硝化反應(yīng)，不利于脫氮過程的進(jìn)行。
3.3管壁剪切力是生物膜內(nèi)微環(huán)境特征最主要的影響因素，直接決定了生物膜內(nèi)DO分布，進(jìn)而影響N元素的分布.而管壁剪切力主要由流速?zèng)Q定，在實(shí)際管道設(shè)計(jì)過程中，可以考慮通過控制流速達(dá)到最優(yōu)剪切力條件，創(chuàng)造有利于脫氮的環(huán)境。
