Diffusivity of Oxygen in Aerobic Granules

好氧顆粒中氧的擴散性

來源：Biotechnology and Bioengineering, Volume 94, Number 3, June 20, 2006, Pages 505-513

《生物技術與生物工程》第94卷第3期，2006年6月20日，第505-513頁

 

摘要

摘要部分闡述了本研究首次通過探測顆粒中心溶解氧（DO）水平隨液相DO突然變化的情況，估算了兩種好氧顆粒（乙酸酯喂養和苯酚喂養）的表觀氧擴散系數（Dapp）。在足夠高的流速下以最小化外部傳質阻力影響后，參照一維擴散模型估算了兩種顆粒的擴散系數。碳源對顆粒直徑（d）和氧擴散性有顯著影響。乙酸酯喂養顆粒（1.28-2.50 mm）的擴散系數為1.24-2.28x10?? m2/s，苯酚喂養顆粒（0.42-0.78 mm）為2.50-7.65x10?1? m2/s。氧擴散性隨顆粒直徑減小而下降，特別是乙酸酯喂養顆粒的擴散性與尺寸成正比，而苯酚喂養顆粒的擴散性與顆粒直徑的平方成正比。通過FISH-CLSM成像證實顆粒中存在大孔隙，這被認為是造成觀察到的尺寸依賴性氧擴散性的原因。苯酚喂養顆粒比乙酸酯喂養顆粒表現出更高的胞外聚合物（ECP）含量，因此導致更低的氧擴散性。

 

研究目的

研究目的是首次估算好氧顆粒中的氧擴散系數，探究碳源類型和顆粒尺寸對擴散性的影響，并通過微觀結構分析揭示其內在機制，以深化對好氧顆粒系統傳質過程的理解。

 

研究思路

研究思路包括培養兩種好氧顆粒（乙酸酯和苯酚作為碳源），使用丹麥Unisense微電極動態測量顆粒中心DO對液相DO階躍變化的響應。通過設計流動腔室控制高流速以忽略外部傳質阻力，應用一維瞬態擴散模型計算表觀氧擴散系數。結合顆粒特性分析（尺寸、ECP含量等）和共聚焦顯微鏡成像，關聯擴散性與顆粒結構和組成。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了不同流速下顆粒中心DO的瞬態響應曲線，用于確定最小化外部傳質阻力的臨界流速。數據來自圖2，顯示流速高于0.002 m/s時外部阻力可忽略。

研究意義在于為后續擴散系數測量提供可靠的流體動力學條件，確保模型應用的準確性。

 

2 測量了乙酸酯喂養顆粒、苯酚喂養顆粒和活性污泥絮體中心DO對液相DO階躍變化的響應時間序列。數據來自圖3、圖4和圖5，顯示顆粒內部存在明顯的傳質阻力，且響應速度因顆粒類型和尺寸而異。

研究意義在于直接捕獲氧在顆粒內部的擴散動力學，為計算表觀擴散系數提供原始數據。

 

 

 

3 測量了顆粒的物理化學特性，包括平均尺寸、縱橫比、污泥體積指數（SVI）、比耗氧速率（SOUR）、ECP含量和平均比重。數據來自表1。

研究意義在于將擴散系數與顆粒特性（如ECP含量）關聯，揭示碳源通過影響ECP產量間接調控氧擴散性的機制。

 

4 通過半對數坐標下標準化DO濃度與時間的線性關系斜率計算表觀氧擴散系數。數據來自圖6，顯示不同顆粒的擴散系數差異。

研究意義在于定量比較不同顆粒的氧滲透性，證實擴散系數與顆粒尺寸的相關性。

 

5 測量了表觀氧擴散系數與顆粒尺寸的關系。數據來自圖7，顯示乙酸酯喂養顆粒Dapp與d成正比，苯酚喂養顆粒Dapp與d2成正比。

研究意義在于揭示顆粒尺寸對擴散性的非線性影響，推測與內部孔隙結構有關，挑戰了傳統多孔介質擴散系數為常數的假設。

 

6 通過共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）觀察顆粒內部核酸、蛋白質和多糖的分布。數據來自圖8，顯示顆粒內部存在大孔隙和通道。

研究意義在于為尺寸依賴性擴散性提供直觀的結構證據，表明大顆粒中更可能存在的孔隙促進了傳質。

 

 

結論

1 好氧顆粒中的氧擴散性顯著受碳源影響，苯酚喂養顆粒的擴散系數僅為乙酸酯喂養顆粒的18%，主要歸因于其更高的ECP含量。

2 氧擴散系數隨顆粒尺寸增大而增加，乙酸酯喂養顆粒（1.28-2.50 mm）為1.24-2.28x10?? m2/s，苯酚喂養顆粒（0.42-0.78 mm）為2.50-7.65x10?1? m2/s。

3 擴散性與顆粒尺寸存在相關性：乙酸酯喂養顆粒呈線性關系（Dapp ∝ d），苯酚喂養顆粒呈平方關系（Dapp ∝ d2），表明顆粒內部結構（如孔隙大小）是影響擴散性的關鍵因素。

4 CLSM成像證實大顆粒中存在大孔隙，這有助于解釋其較高的氧擴散性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量DO數據的研究意義在于實現了對顆粒內部氧濃度的高時空分辨率動態監測。電極的高靈敏度（直徑10μm）和快速響應時間（<3秒）使其能夠精確捕捉顆粒中心DO對液相階躍變化的瞬態響應（如圖3-5所示），這是穩態測量無法實現的。這種動態數據是應用一維擴散模型計算表觀擴散系數的關鍵輸入，避免了生化反應對測量的干擾。通過直接測量內部傳質阻力，研究首次揭示了好氧顆粒中氧擴散性的尺寸依賴性，顛覆了傳統多孔介質擴散系數為常數的觀點。電極數據的可靠性（通過校準和重復實驗驗證）為建立擴散性與顆粒結構（如ECP含量、孔隙）的定量關系提供了堅實基礎，深化了對好氧顆粒系統傳質限速過程的理解，對優化反應器設計和操作參數具有重要指導價值。