從圖3中可以看出，隨著生物膜深度的增加，DO濃度逐漸減小。C/N比為2時，DO從生物膜表面處的1.70mg/L降低到底部的0.12mg/L,生物膜縱深0——1.1μm范圍內(nèi)為好氧環(huán)境，1.1——1.7μm范圍內(nèi)為缺氧環(huán)境，這為同步硝化反硝化的反生提供了有利的條件。C/N比為5時，DO濃度從表面處的1.56mg/L降低到底部的0.03mg/L,生物膜縱深0——1.0μm范圍內(nèi)仍然處于好氧環(huán)境，中間1.0——1.5μm范圍內(nèi)為缺氧環(huán)境，1.5——1.9μm范圍內(nèi)為厭氧環(huán)境，此條件下DO濃度比C/N=2時DO濃度略低。C/N=10條件下，DO濃度由1.44mg/L降低到0.02mg/L,含量是3種C/N比條件下最低的。從圖3中可以明顯的看出，C/N比越大，生物膜內(nèi)部的DO濃度越低，這是因為COD濃度越高，營養(yǎng)物越充分，越有利于微生物的生長，消耗的DO就會越多，此外，較厚的生物膜是不利于DO從水相到生物膜內(nèi)的傳質(zhì)過程的，其內(nèi)部的DO自然就較低。

圖3不同C/N比下生物膜內(nèi)DO濃度分布


從圖4中可以看出，隨著生物膜深度的增加，DO濃度逐漸減小。1.0Pa條件下，DO從生物膜表面處的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，到底部逐漸趨近于厭氧環(huán)境，這為同步硝化反硝化的反生提供了有利的條件。1.5Pa條件下，DO濃度從表面處的2.96mg/L降低到底部的0.15mg/L,上部仍然處于好氧環(huán)境，中間為缺氧環(huán)境，到底部逐步趨近于厭氧環(huán)境，此條件下DO濃度比1.0Pa條件下DO濃度略高。2.0Pa條件下，DO濃度由3.04mg/L降低到0.49mg/L,含量是3種剪切力條件下最高的，整個生物膜內(nèi)均為好氧環(huán)境。從圖4可以明顯的看出，剪切力越大，生物膜內(nèi)部的DO濃度是越高的，這是因為剪切力越大，水流的紊動性越強，越有利于DO從水相傳質(zhì)到生物膜表面。


雷諾曾提出著名的雷諾比擬假說，其數(shù)學(xué)表達式如下所示：

式中：Dr為徑向紊動擴散系數(shù)；τ為距管軸為r處的紊動切應(yīng)力；u為距管軸為r處的流體流速。


從式（1）中可以看出，切應(yīng)力越大，物質(zhì)的徑向紊動擴散系數(shù)越大，即意味著越有利于物質(zhì)的擴散。實驗中剪切力越大，越有利于DO從水相向膜表面的擴散，從而導(dǎo)致生物膜內(nèi)DO越大，進而決定了生物膜內(nèi)微環(huán)境的差別及物質(zhì)濃度分布的差異。

圖4不同剪切力下生物膜內(nèi)DO濃度分布

圖5不同C/N比下生物膜內(nèi)NH4+濃度分布


與DO濃度在生物膜內(nèi)的變化趨勢相類似，NH4+-N濃度沿生物膜縱深方向也是逐漸降低，這主要是傳質(zhì)阻力的作用。C/N比為2時，NH4+濃度從14.90mg/L降低到11.06mg/L.C/N比為5時，NH4+濃度從16.17mg/L降低到13.07mg/L.C/N比為10時，NH4+濃度從19.28mg/L降低到15.16mg/L.生物膜內(nèi)的NH4+-N濃度隨著C/N比的增大是逐漸增大的，這是由于較大的C/N比條件下，有機負荷高，異養(yǎng)菌大量增殖，成為優(yōu)勢菌種，對氨氧化菌（AOB）產(chǎn)生抑制作用，不利于硝化反應(yīng)的進行，因而NH4+濃度較高。

圖6不同C/N比下生物膜內(nèi)NO3-濃度分布


如圖6所示，3種C/N比條件下，NO3-濃度沿著生物膜縱深方向都是呈逐漸減小的趨勢，分別由6.70mg/L降低到4.75mg/L,4.67mg/L降低到2.86mg/L,3.49mg/L降低到1.01mg/L,這一方面是因為上部較多的NH4+發(fā)生硝化反應(yīng)生成了NO3-,另一方面是因為底部的缺氧環(huán)境導(dǎo)致了反硝化反應(yīng)的發(fā)生，不利于NO3-在底部的積累。NO3-濃度隨著C/N比的增大而逐漸減小。這一方面是因為C/N比越大，有機負荷越高，抑制了硝化過程的進行，產(chǎn)生的NO3-較少，另一方面是因為C/N比越大，碳源越充足，對于NO3-的反硝化反應(yīng)越有利，NO3-較為容易的轉(zhuǎn)化為NO2-,NO3-的積累量也就較少。

圖7不同C/N比下生物膜內(nèi)NO2-濃度分布


如圖7所示，3種C/N比條件下，NO2-總體含量均較少。C/N為2時，其濃度從1.01mg/L增大到1.53mg/L,C/N為5時，其濃度從1.23mg/L增大到1.85mg/L,比C/N為2條件下略大。NO2-濃度沿生物膜縱深方向均呈現(xiàn)出增大的趨勢，這是因為整個生物膜內(nèi)上部均存在DO,抑制了NO2-積累，而膜底部則處于缺氧環(huán)境，且反硝化反應(yīng)會生成NO2-,故底部NO2-濃度與表面處相比有所增大。C/N比為10時，NO2-濃度比另外兩種情況要大，從生物膜表面處的1.77mg/L增大到底部的2.29mg/L,這是因為C/N比為10時，碳源非常充足，有利于反硝化反應(yīng)的進行，NO3-較為容易的轉(zhuǎn)化為NO2-,所以NO2-的濃度也就較大。