隨著(zhù)我國城鎮化水平不斷提高，工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，國民經(jīng)濟飛速發(fā)展，城鎮人口數量不斷增加，污水排放量也日益增大，對污水處理能力的要求將進(jìn)一步擴大，如何處理好生活污水和工業(yè)廢水成為當下亟待解決的問(wèn)題之一。近年來(lái)，城鎮污水處理廠(chǎng)的排放標準逐漸由一級B向一級A過(guò)渡，對于現有污水處理廠(chǎng)的提標改造勢在必行。

　　在污水處理廠(chǎng)提標改造過(guò)程中，向二級生物處理單元中投加生物填料，是強化污水二級生物處理效果的一個(gè)重要手段。投加填料后，填料作為一種生物載體，可以使更多的微生物聚集形成活性污泥聚集體或生物膜，并附著(zhù)其上，使系統中同時(shí)存在懸浮生長(cháng)和附著(zhù)生長(cháng)的活性污泥，可以顯著(zhù)提高生物池內的生物量，增強污水生物處理系統的抗負荷沖擊能力，使出水水質(zhì)進(jìn)一步提高。

　　污水處理出水水質(zhì)的穩定取決于生物膜內部相對穩定的微觀(guān)環(huán)境。對于生物膜來(lái)說(shuō)，一方面，當其所處的水質(zhì)水力條件隨著(zhù)進(jìn)水及外界環(huán)境的波動(dòng)發(fā)生較大變化時(shí)，其內部微觀(guān)環(huán)境可以保持相對穩定。另一方面，在生物膜所處環(huán)境相對穩定時(shí)，當生物膜內微觀(guān)環(huán)境發(fā)生惡化時(shí)，因短時(shí)間內不會(huì )影響出水水質(zhì)而不會(huì )被發(fā)現，但在長(cháng)期運行過(guò)程中，生物膜會(huì )逐漸解體破壞，導致出水水質(zhì)惡化。

　　為了及時(shí)發(fā)現生物膜微觀(guān)環(huán)境的變化，使生物膜污水處理系統處于穩定運行狀態(tài)，對于生物膜微觀(guān)特征的研究逐漸深入起來(lái)，在此趨勢下，可以更好地認識生物膜的生長(cháng)特性、形態(tài)結構、傳質(zhì)特性及菌群分布，對于開(kāi)發(fā)更適用于工程實(shí)際的生物填料、控制生物膜生長(cháng)及優(yōu)化運行條件發(fā)揮了關(guān)鍵作用。近年來(lái)，隨著(zhù)微電極及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，微電極逐漸應用于污水處理領(lǐng)域生物膜特性的研究中，通過(guò)對生物膜進(jìn)行微電極穿刺，可以測定生物膜中NH4+、NO2-、NO3-、N2O、pH、DO和ORP等物質(zhì)和指標的變化，為深入探究生物膜微觀(guān)特征提供有利條件。本文闡述生物膜的形成過(guò)程，微電極的分類(lèi)與特點(diǎn)，微反應器的建立，分類(lèi)介紹微電極技術(shù)在生物膜研究中所發(fā)揮的作用，旨在為生物膜系統的深入研究提供參考。

　　一、生物膜的形成過(guò)程

　　基于生物膜的污水處理工藝被廣泛應用于工業(yè)廢水和生活污水的處理流程中，Cheng等對已有研究中生物膜形成過(guò)程分析認為，生物膜的形成過(guò)程可以分為3個(gè)階段，當填料投加到生物處理單元后，水中的各種污染物和微生物就會(huì )吸附到填料表面，即生物膜形成的第1階段。這部分微生物會(huì )逐漸利用填料表面和水中的污染物進(jìn)行代謝、生長(cháng)和繁殖等過(guò)程，同時(shí)微生物為了適應周?chē)h(huán)境，也會(huì )分泌很多胞外聚合物，在胞外聚合物的聯(lián)結下微生物開(kāi)始在局部形成多層的細胞聚集體，即是最初較薄的生物膜，這是生物膜形成的第2階段。接著(zhù)生物膜不斷利用水中的營(yíng)養物質(zhì)生長(cháng)，逐漸形成形態(tài)結構明顯的成熟生物膜，即為生物膜形成的第3階段。Walter等于30℃條件下，在長(cháng)為20cm、橫斷面為9mm2的玻璃流動(dòng)池中培養生物膜，研究認為生物膜的形成還包括一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的階段，即成熟的生物膜在外界環(huán)境變化的影響下，如進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)、水力剪切力變化等，會(huì )因基質(zhì)不足、吸附力減弱和腐蝕等原因而脫落，同時(shí)水中的微生物也會(huì )再次吸附到已有的生物膜上，并逐漸生長(cháng)繁殖形成新的生物膜。

　　因為生物膜形成過(guò)程復雜，受到多方面的因素影響，包括溫度、壓力、水力條件和營(yíng)養條件等，所以其形態(tài)結構與內部微觀(guān)環(huán)境也會(huì )變得多種多樣，以微電極為研究手段研究生物膜形成過(guò)程中形態(tài)結構及內部微觀(guān)環(huán)境的變化與外界環(huán)境條件變化之間的規律，便于人為直接調控環(huán)境因素，控制生物膜的生長(cháng)，優(yōu)化系統運行，可以避免由于生物膜過(guò)量生長(cháng)造成堵塞、水質(zhì)水力條件變化造成生物膜流失等許多問(wèn)題。

　　二、微電極的分類(lèi)與特點(diǎn)

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)不斷發(fā)展并應用于污水處理領(lǐng)域，在污水處理廠(chǎng)的進(jìn)水口、出水口乃至處理流程中，在線(xiàn)監測系統都發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用，為實(shí)時(shí)監測進(jìn)出水水質(zhì)及污水處理效果提供技術(shù)保證。作為微型傳感器的一種，微電極也逐漸應用于污水生物處理領(lǐng)域的研究中。

　　在實(shí)際應用中，一般根據待測定的指標選擇相應的微電極，所以微電極根據測定指標可以分為溫度微電極、氧化還原電位微電極、pH微電極、一氧化氮微電極、氧化亞氮微電極、氫氣微電極、硫化氫微電極、氧氣微電極、離子微電極。離子微電極又可以根據待測離子細分為NH4+微電極、NO2-微電極和NO3-微電極等。微電極常用的制作方法為手工拉制玻璃而成，孟千秋等通過(guò)拉制玻璃毛細管、硅烷化、固定、填充液膜、加涂層等步驟制備N(xiāo)H4+微電極、NO2-微電極和NO3-微電極來(lái)測定生物膜中的硝化反應。

　　由制作工藝決定，微電極的尖端直徑一般在幾十甚至幾μm，可在μm級的范圍內對待測對象進(jìn)行測定，所以在測定生物膜內微觀(guān)環(huán)境時(shí)不會(huì )破壞檢測環(huán)境，且測量精度和分辨率都很高，檢測限可達10-6mol/L，但其機械強度很低，極易損壞。微電極因技術(shù)條件限制其使用壽命有限，離子微電極技術(shù)尚不成熟，壽命一般在7d左右，其他8種微電極制作完成后可在30~180d保持相對穩定狀態(tài)。微電極體積較小，質(zhì)量輕，操作安全簡(jiǎn)單，在測定生物膜內部微觀(guān)環(huán)境時(shí)利于不同種類(lèi)的微電極之間快速進(jìn)行切換，可在短時(shí)間內進(jìn)行多指標的測定，且便于攜帶，為實(shí)際污水處理廠(chǎng)的原位測量提供可能。同時(shí)微電極響應時(shí)間快，可以監測到生物膜內部指標的瞬間變化。

　　三、測量微反應器的建立

　　由于微電極反應靈敏且檢測限低，生物膜較薄且易受外界環(huán)境影響，故在通過(guò)微電極穿刺測定生物膜內各指標變化時(shí)需要將待測生物膜置于微反應器中，提供與原位反應器相似的基質(zhì)，以創(chuàng )造一個(gè)相對穩定的環(huán)境，使待測生物膜可以正常進(jìn)行生物反應，表現出與原位反應器中相同的特性。

　　微反應器并不是指體積微小的反應器，而是指為了微電極測定方便而設立的一個(gè)小型容器。當進(jìn)行試驗所用原位反應器較大時(shí)，不方便直接架設微電極測定，就需要將生物膜從原位反應器中取出，放置于單獨容器中培養并進(jìn)行測定。如表1所示，當原位反應器體積較大時(shí)，一般需要單獨設立一個(gè)微反應器，當原位反應器體積較小時(shí)，可以直接將原位反應器作為微反應器進(jìn)行微電極測定，也可以單獨設立微反應器。

　　Chae等在研究生物填料上硝化生物膜中離子質(zhì)量濃度梯度與生物膜深度的關(guān)系時(shí)，使用NH4+和NO3-微電極進(jìn)行穿刺，采用的測量微反應器為1個(gè)長(cháng)方體狀(12cm×7cm×7cm)的容器，其在內部分為2個(gè)區域，一個(gè)區域放置待測生物膜填料，另一個(gè)區域進(jìn)行曝氣，以防止曝氣時(shí)氣泡擾動(dòng)對于穿刺過(guò)程的影響。Nielsen等在研究完全自養脫氮工藝生物膜中物質(zhì)轉化和微生物的分布時(shí)，利用NO2-微電極和溶解氧微電極對生物膜進(jìn)行穿刺，建立的微反應器由分離的兩部分構成，中間容器用于投加反應基質(zhì)，同時(shí)曝氣提供溶解氧，混合均勻后，中間容器中的基質(zhì)通過(guò)蠕動(dòng)泵進(jìn)入測量室，泵管處纏繞加熱線(xiàn)圈，測量室出水分為上下兩路經(jīng)由蠕動(dòng)泵返回中間容器，通過(guò)蠕動(dòng)泵調節下路水流流量大于上路水流流量以在測量室中形成下向流，使待測生物膜可以固定在支撐尼龍網(wǎng)上。這種裝置將測量微反應器分成測量室和中間容器兩部分，可有效避免中間容器中曝氣及基質(zhì)投加產(chǎn)生的擾動(dòng)對于測量室微觀(guān)環(huán)境的影響。測量室中的水流也可以調節為上向流以使生物膜懸浮，Li等在研究活性污泥聚集體中的微觀(guān)環(huán)境時(shí)，利用pH、DO、ORP、NH4+和NO3-微電極進(jìn)行穿刺，采用上向流測量室，中間容器的水從測量室下方進(jìn)入，通過(guò)調節針形閥控制進(jìn)水流量，測量室中水流通過(guò)尼龍網(wǎng)后可以形成均一穩定的上向流，以使活性污泥聚集體穩定懸浮于上向流中，便于對其進(jìn)行穿刺。這種固定方式可以使微電極穿透整個(gè)活性污泥聚集體，以研究整個(gè)污泥聚集體與其周?chē)h(huán)境整體的狀態(tài)。

　　為了讓生物膜能夠在微反應器中達到穩定狀態(tài)，需要將取出的生物膜置于微反應器中，并為其提供適宜的條件培養一段時(shí)間。lv等在利用NH4+、NO2-、NO3-和pH微電極穿刺研究生物轉盤(pán)中厭氧氨氧化生物膜內的氮素轉化時(shí)，將生物膜取出后置于流動(dòng)池反應器中培養2h，以使生物膜適應測量環(huán)境。在研究非穩態(tài)下生物膜的性質(zhì)時(shí)，可采用單一微反應器來(lái)進(jìn)行生物膜的穿刺，Wang等在研究非穩態(tài)生物膜中氧氣的擴散系數時(shí)，采用可升降的單一微反應器作為待測生物膜的載體，使生物膜可以交替處于空氣中和水中。

　　由于微電極尖端尺寸為微米級，在測定某些指標時(shí)，單靠肉眼無(wú)法確定微電極是否與生物膜表面接觸，Fan等在利用微電極穿刺測定生物膜中溶解氧的遷移時(shí)，為微反應器配備了立體式顯微鏡輔助觀(guān)察，以確定生物膜與液相的交界面。

　　四、微電極的應用

　　4.1 用微電極確定生物膜的形態(tài)結構

　　生物膜的形成環(huán)境復雜多變，其三維形態(tài)結構也因受到外界水力條件和水質(zhì)波動(dòng)的影響而呈現各向異性?？梢砸罁㈦姌O測定生物膜中的指標變化，對其三維結構進(jìn)行推測。

　　4.1.1 生物膜一維形態(tài)結構的確定

　　生物膜的一維形態(tài)結構主要指生物膜的密度和各分層的厚度，由于生物膜生長(cháng)的不均勻性及載體表面性質(zhì)的多樣性，因此，生物膜載體表面不同位置生物膜的厚度不盡相同，同一位置不同深度生物膜的密度也會(huì )有所差異。不同厚度和密度的生物膜，在處理污水的實(shí)際運行中所表現出來(lái)的性質(zhì)也會(huì )不一樣，生物膜厚度和密度會(huì )影響基質(zhì)從液相向生物膜內部滲透的過(guò)程，在生物膜密度一定的情況下，較厚的生物膜傳質(zhì)速率要低于較薄的生物膜?？梢酝ㄟ^(guò)微電極穿刺測定某一特征物質(zhì)質(zhì)量濃度在生物膜深度方向上的變化，根據質(zhì)量濃度曲線(xiàn)出現的拐點(diǎn)之間的穿刺深度及曲線(xiàn)的斜率大小確定生物膜的厚度并比較生物膜的密度。

　　在使用微電極進(jìn)行穿刺時(shí)，需要對生物膜的厚度進(jìn)行預估，選擇適當尖端直徑的微電極及微電極移動(dòng)的步長(cháng)值，如表2所示，隨著(zhù)穿刺深度的增大，微電極尖端直徑也隨之增大，較大的穿刺深度也可以選擇小尖端直徑的微電極。微電極移動(dòng)步長(cháng)值的選擇也應與微電極尖端直徑相近或大于微電極尖端直徑為宜。

　　在污水處理系統中，可根據生物膜中溶解氧的質(zhì)量濃度將生物膜分為好氧生物膜、缺氧生物膜和厭氧生物膜。不同種類(lèi)生物膜中的菌群結構也不一樣，對于底物的利用及代謝產(chǎn)物也會(huì )有差異。溶解氧在生物膜中的滲透與消耗在脫氮過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要作用，過(guò)高的溶解氧滲透阻力會(huì )使溶解氧無(wú)法深入到生物膜內部，硝化反應不能更好地進(jìn)行，而過(guò)低的溶解氧滲透阻力會(huì )使溶解氧在生物膜中的滲透深度過(guò)大，影響缺氧環(huán)境，使反硝無(wú)法進(jìn)行。在微電極穿刺過(guò)程中，由于好氧層中生長(cháng)了大量的硝化細菌，所以當微電極接觸到好氧層邊界時(shí)，溶解氧會(huì )有一個(gè)明顯的降低，隨著(zhù)好氧層深度的加深，溶解氧逐漸被微生物消耗，并最終降低為零，此時(shí)微電極的穿刺深度可以認為是好氧層的厚度。這里的好氧層厚度指的是在相對穩定的運行條件下測定的結果，此時(shí)環(huán)境中溶解氧相對穩定，所以在長(cháng)期運行過(guò)程中，溶解氧在生物膜中能夠滲透的深度也基本保持不變。但實(shí)際上，好氧層的厚度并不是一個(gè)定值，Cao等在探索生物膜系統中同步硝化反硝化最優(yōu)的運行條件時(shí)，著(zhù)重研究不同溶解氧質(zhì)量濃度對于生物膜中好氧層厚度的影響，結果表明，隨著(zhù)溶解氧的提高，生物膜中的溶解氧質(zhì)量濃度也逐漸提高，溶解氧滲透的深度也會(huì )逐漸加大，生物膜中好氧層的厚度也會(huì )逐漸增大，好氧層在生物膜中所占的比例會(huì )逐漸增加，硝化速率也隨之發(fā)生變化，進(jìn)而影響底物氨氮的消耗和產(chǎn)物硝態(tài)氮的生成。

　　除了溶解氧之外，也可以通過(guò)微電極穿刺測定其他指標將生物膜進(jìn)行分層。Wen等在研究一體化厭氧氨氧化工藝處理垃圾滲濾液時(shí)，通微電極穿刺測定填料不同深度生物膜的氧化還原電位，在溶解氧為2.7mg/L時(shí)，生物膜表面的氧化還原電位為-2.8mV，在深度為4mm的生物膜處，氧化還原電位下降至-166.8mV，并在深度為5mm時(shí)降低至-195.7mV，據此可將生物膜深度為4mm附近認定為缺氧層生物膜，將5mm深度附近認定為厭氧層生物膜，分別適合于氨氧化細菌和厭氧氨氧化細菌發(fā)揮功能。

　　根據微電極穿刺測定指標曲線(xiàn)的斜率可以比較生物膜大致的密度，相同厚度的生物膜，指標變化大的生物膜密度一般較大。也可通過(guò)生物膜內物質(zhì)的滲透深度比較生物膜密度，Feng等在研究硝化生物膜時(shí)，通過(guò)比較溶解氧在硝化生物膜內遷移的距離來(lái)比較不同填充比下硝化生物膜的密度。

　　4.1.2 生物膜二維與三維形態(tài)結構的確定

　　生物膜的二維形態(tài)結構指的是生物膜某一剖面的狀態(tài)，由于生物膜的各向異性，因此生物膜剖面并不是一個(gè)完整的連續平面結構，而存在缺失或者密度上有差異。生物膜二維形態(tài)結構的確定需要進(jìn)行多次微電極一維穿刺才可以確定。

　　生物膜的三維形態(tài)結構指的是生物膜在空間上的結構，雖然生物膜表面光滑，但生物膜并不是形態(tài)規整密度均一的實(shí)體，這對于生物膜中物質(zhì)的擴散傳質(zhì)速率會(huì )產(chǎn)生不同的影響。所以確定生物膜的三維結構可以在一定程度上解釋生物膜污水處理系統運行中某些宏觀(guān)效果。生物膜的三維形態(tài)結構可以通過(guò)穿刺定生物膜表面均勻分布位點(diǎn)，由穿刺測定指標質(zhì)量濃度和深度數據得到相應曲面。Ning等提出由于生物膜不同位置溶解氧的擴散速率和消耗速率不同，故在微電極穿刺過(guò)程中，生物膜中不同位置的溶解氧水平和變化趨勢亦不相同，可以通過(guò)利用溶解氧微電極穿刺生物膜，根據溶解氧微電極一維穿刺得到的不同位置溶解氧質(zhì)量濃度繪制成的曲線(xiàn)確定生物膜的三維結構，將生物膜的結構分為3類(lèi)：當溶解氧曲線(xiàn)為平滑曲線(xiàn)時(shí)，生物膜內部為密實(shí)均一的實(shí)體，當溶解氧曲線(xiàn)出現一個(gè)平臺時(shí)，生物膜內部存在一個(gè)孤立的中空孔洞，當溶解氧曲線(xiàn)在下降過(guò)程中突然凸起成峰時(shí)，生物膜內部存在于外界液相相連的通道。Chae等在利用微電極穿刺硝化生物膜時(shí)，發(fā)現當氨氮微電極穿刺至生物膜表面以下1.2mm時(shí)，氨氮質(zhì)量濃度降低至0.9mg/L，當穿刺到1.8mm深度時(shí)，氨氮質(zhì)量濃度上升至1.13mg/L，這與生物膜所處液相中的氨氮質(zhì)量濃度一致，質(zhì)量濃度變化曲線(xiàn)形成一個(gè)峰，同時(shí)根據反應器中水力條件推測是由于生物膜在形成過(guò)程中由于水流沖擊導致生物膜未生長(cháng)均勻形成孔洞，外界液相直接滲入導致該現象的出現。

　　4.2 利用微電極確定活性污泥聚集體中物質(zhì)的分布、遷移與轉化規律

　　微生物由自身分泌的有機聚合物包裹后形成活性污泥聚集體，當聚集體附著(zhù)于固體表面時(shí)就稱(chēng)之為生物膜。生物膜成熟后會(huì )發(fā)生生物膜脫落現象，有研究表明，生物膜形成后隨著(zhù)微生物在表面的生長(cháng)也會(huì )有污泥顆粒脫落。由于生物膜形態(tài)結構不同，因此，各種污染物在生物膜中的分布也不盡相同，隨著(zhù)生物反應的進(jìn)行，污染物可在生物膜中擴散遷移，各種底物及中間產(chǎn)物之間由于會(huì )發(fā)生轉化，故而質(zhì)量濃度也會(huì )發(fā)生變化，可以通過(guò)微電極穿刺直接確定生物膜中的物質(zhì)分布、監測污染物遷移與轉化規律以更好地解析生物膜。

　　4.2.1 確定污泥聚集體中物質(zhì)的分布

　　可以通過(guò)微電極穿刺測定生物膜某一點(diǎn)在深度方向上的物質(zhì)分布和顆粒污泥從表面到核心徑向上的物質(zhì)分布。Han等對某實(shí)際污水處理廠(chǎng)奧貝爾氧化溝中粒徑小于250μm的顆粒污泥進(jìn)行微電極穿刺，測定顆粒徑向從表面到核心的溶解氧、氨氮和硝氮分布，發(fā)現當粒徑大于100μm時(shí)，各指標質(zhì)量濃度在徑向呈現不均一性，當粒徑小于100μm時(shí)，各指標質(zhì)量濃度基本不變，認為不同的物質(zhì)分布也代表著(zhù)不同粒徑范圍的顆粒污泥，影響著(zhù)功能菌的分布，各粒徑范圍顆粒污泥數量的相對穩定對于污水中多種污染物的聯(lián)合去除發(fā)揮著(zhù)重要的作用。Zhou等在研究短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化處理模擬高氨氮廢水時(shí)，利用溶解氧微電極穿刺聚氨酯海綿填料小塊，根據溶解氧在深度方向上質(zhì)量濃度變化曲線(xiàn)，將800μm的生物膜分成好氧層、缺氧層和厭氧層，并以此為基礎建立生物膜中氮素及碳素的去除機制。

　　污泥聚集體中物質(zhì)的一維變化不足以反映聚集體整體的情況，所以有時(shí)需要進(jìn)一步測定某物質(zhì)在生物膜中的三維分布。Rosa等研究生物轉盤(pán)去除有機物過(guò)程時(shí)生長(cháng)于高密度聚乙烯載體上生物膜中不同深度的溶解氧分布，在1000μm×1000μm的生物膜區域上，均勻測定100個(gè)點(diǎn)在生物膜表面680μm、生物膜表面和生物膜表面以下680μm深度處的溶解氧，將數據繪制成曲面發(fā)現生物膜同一深度下的溶解氧并不相同，而是呈現“口袋式冶的分布，進(jìn)一步說(shuō)明生物膜中微生物分布的不均一性。Tang等在研究一種新型生物填料時(shí)，用溶解氧微電極對填料表面生物膜進(jìn)行穿刺，得到填料表面不同位置生物膜深度方向上溶解氧的分布，結果說(shuō)明此種半懸浮生物填料不同位置形成的生物膜中溶解氧含量不同，即在同一填料的不同位置可以分別形成好氧生物膜和厭氧生物膜，此種填料有利于豐富微生物群體的生物多樣性。

　　4.2.2 確定污泥聚集體中物質(zhì)的遷移

　　在污水生物膜處理系統運行時(shí)，污染物在生物膜內通過(guò)各種生物反應被去除或者轉化，可以通過(guò)微電極穿刺，在一段時(shí)間內監測生物膜某位置深度方向上物質(zhì)的遷移轉化規律，來(lái)推測生物膜的結構與菌群分布。Schramm等在研究附著(zhù)生長(cháng)于硅樹(shù)脂膜表面生物膜中硝化菌的分布時(shí)，聯(lián)合使用NH4+、NO2-、NO3-、DO和pH微電極對生物膜進(jìn)行穿刺，得到不同指標在生物膜深度方向上變化的曲線(xiàn)，發(fā)現第14周時(shí)，溶解氧可以滲透到距離硅樹(shù)脂膜表面150~250μm處，在該范圍內，pH也從7.8降低至6.4，氨氮則始終控制在15~20mmol/L，硝態(tài)氮從靠近硅樹(shù)脂膜的(389±157)μmol/L降低至生物膜表面的(77±38)μmol/L，亞硝態(tài)氮從靠近硅樹(shù)脂膜的(842±465)μmol/L降低至生物膜表面的(356±96)μmol/L，認為在靠近硅樹(shù)脂膜表面位置，主要發(fā)生硝化反應，氨氮在硝化細菌的作用下轉化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，并逐漸向生物膜表面方向擴散遷移，由于溶解氧被靠近硅樹(shù)脂膜的硝化細菌利用，因此在亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮向外遷移時(shí)，會(huì )逐漸被反硝化菌利用，故而可由亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮在向外遷移時(shí)的變化確定好氧層生物膜和缺氧層生物膜。Feng等通過(guò)溶解氧和硝態(tài)氮微電極穿刺移動(dòng)床生物膜反應器中不同密度的生物膜時(shí)，發(fā)現溶解氧和硝態(tài)氮在生物膜中的遷移距離與生物膜密度有關(guān)，密實(shí)的生物膜會(huì )限制溶解氧和硝態(tài)氮在生物膜中的遷移。

　　4.2.3 確定污泥聚集體中物質(zhì)的轉化

　　在污水生物膜工藝處理過(guò)程中，涉及到含碳、氮、硫等元素物質(zhì)之間的復雜轉化。在脫氮過(guò)程中，硝化反應可以將氨氮轉化為硝態(tài)氮，反硝化反應可以將硝態(tài)氮轉化為氮氣，在這些過(guò)程中不可避免地會(huì )有很多中間產(chǎn)物產(chǎn)生，間接地也會(huì )引起生物膜微觀(guān)環(huán)境中氧化還原電位及pH的變化。好氧生物膜內溶解氧分布不均和缺氧生物膜內溶解氧較高會(huì )引起氧化亞氮或一氧化氮的釋放，這些物質(zhì)可能只是瞬間產(chǎn)生并逸出反應器，并不會(huì )積累，但是對于污水生物膜處理系統的氮平衡來(lái)說(shuō)卻不容忽視?？梢酝ㄟ^(guò)微電極測定氧化還原電位和pH的變化來(lái)間接推測物質(zhì)的轉化，也可以直接通過(guò)微電極測定這些物質(zhì)的變化。Schreiber等在研究生物膜中一氧化氮和氧化亞氮瞬間產(chǎn)生機制時(shí)，利用微電極穿刺測定一氧化氮和氧化亞氮，并結合溶解氧微電極穿刺結果進(jìn)行分析，認為溶解氧是決定一氧化氮和氧化亞氮由氨氧化細菌產(chǎn)生還是異養反硝化細菌產(chǎn)生的關(guān)鍵。lv等在研究完全自養脫氮工藝中活性污泥聚集體微斷面時(shí)，利用微電極穿刺測定斷面不同深度下氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度變化，在0~1700μm深度范圍內，溶解氧質(zhì)量濃度從4.4mg/L降低至1.1mg/L，同時(shí)氨氮從195.8mg/L降低至132.8mg/L，亞硝態(tài)氮從0.05mg/L升高至0.09mg/L，硝態(tài)氮從31.1mg/L升高至32.6mg/L，結合pH從7.4降低至7.1，認為此層生物膜主要發(fā)生全程硝化和短程硝化，在1700~3700μm深度范圍內，發(fā)現氨氮和亞硝態(tài)氮同時(shí)被消耗，pH和硝態(tài)氮都有升高，溶解氧維持在較低水平，以此作為厭氧氨氧化現象的依據。

　　五、微電極與其他技術(shù)的聯(lián)合使用

　　隨著(zhù)科技的進(jìn)步，微電極作為一種檢測手段，越來(lái)越多地與其他技術(shù)相結合，共同為污水生物處理過(guò)程中出現的現象提供依據。

　　5.1 微電極與定量PCR技術(shù)相結合

　　通過(guò)微電極穿刺得到生物膜中的物質(zhì)分布后，可以據此推測生物膜不同分層中所發(fā)生的生物反應。通過(guò)定量PCR技術(shù)技術(shù)對特定分層生物膜中細菌的功能基因進(jìn)行擴增定量，可進(jìn)一步驗證推測的準確性。Kinh等在對比膜曝氣生物膜反應器和傳統生物膜反應器同步硝化反硝化過(guò)程中氧化亞氮的釋放時(shí)，通過(guò)使用氧化亞氮微電極穿刺，得到生物膜不同深度氧化亞氮的質(zhì)量濃度，并以此為基礎根據菲克第二擴散定律估算單位生物膜體積氧化亞氮凈產(chǎn)生量與消耗量，認為對于膜曝氣生物膜反應器來(lái)說(shuō)，生物膜底部的200μm范圍內是氧化亞氮主要產(chǎn)生區域，而對于傳統生物膜反應器來(lái)說(shuō)則是最外層的200μm范圍。為驗證此推測，進(jìn)一步通過(guò)冷凍切片技術(shù)將生物膜在垂直方向切成100μm厚度并分別提取基因，并對amoA、nirK、nirS和nosZ功能基因進(jìn)行定量PCR技術(shù)擴增驗證此推測。

　　5.2 微電極與熒光原位雜交技術(shù)和激光共聚焦技術(shù)相結合

　　通過(guò)微電極測定出生物膜中物質(zhì)的分布后，可進(jìn)一步推測不同層中功能菌的分布。熒光原位雜交技術(shù)和激光共聚焦技術(shù)(confocallaserscanningmicroscopy，CLSM)經(jīng)常用于確定活性污泥聚集體中各菌種的分布。Vazquez-Padin等在研究完全自養脫氮工藝中顆粒的菌群分布時(shí)，將溶解氧和亞硝態(tài)氮微電極穿刺的結果同熒光原位雜交技術(shù)結果比較發(fā)現，溶解氧與亞硝在顆粒剖面的分布與氨氧化細菌和厭氧氨氧化細菌的分布一致。Li等在研究顆粒污泥中菌群和EPS分布與溶解氧傳遞速率時(shí)，將溶解氧微觀(guān)質(zhì)量濃度曲線(xiàn)和激光共聚焦結合，認為顆粒在徑向可以分為3層，第1層為顆粒表面，厚度在150~350μm，其中的異養菌負責有機物的去除，第2層由自養菌構成，厚度在250~450μm，主要負責氨氮的去除，第3層為顆粒核心，由無(wú)機物構成，呈多孔道的形態(tài)。

　　六、總結與展望

　　基于生物膜的污水生物處理工藝同單純絮體形式的活性污泥法相比在持留生物量和抵抗負荷沖擊方面有著(zhù)不容忽視的優(yōu)勢，工藝在長(cháng)期處理中的穩定運行與生物膜的微觀(guān)環(huán)境變化息息相關(guān)，如圖1所示，通過(guò)微電極可以快捷而又準確地監測生物膜微觀(guān)環(huán)境的變化，輔之以其他技術(shù)手段可以更好地解析生物膜中功能菌群的分布，促進(jìn)生物膜載體的改良與工藝的設計優(yōu)化，微電極在生物膜研究中的應用也將越來(lái)越廣泛，但仍有不足，以下幾個(gè)方面將會(huì )是未來(lái)的發(fā)展方向：

　　1)由于好氧生物反應是生物脫氮除磷過(guò)程的必經(jīng)之路，因此，現有研究主要集中在基于溶解氧微電極解析好氧生物膜，而對厭缺氧生物膜的研究較少。隨著(zhù)厭氧氨氧化的應用推廣和以污泥發(fā)酵為核心的污泥污水聯(lián)合處理工藝的興起，通過(guò)pH、離子、硫化氫和氫氣微電極對厭缺氧生物膜的解析不容忽視。

　　2)在污水處理生物反應中，涉及到很多離子間的轉化，如NH4+、NO2-和NO3-等，目前離子微電極的制作技術(shù)尚不成熟，導致離子微電極壽命較短，測定成本較大，因此，優(yōu)化離子電極的制作過(guò)程，提高使用壽命顯得尤為重要。

　　3)利用微電極解析生物膜現多集中于解析生物膜自身，由于生物膜內的微觀(guān)環(huán)境變化和所處宏觀(guān)環(huán)境有很大關(guān)系，因此，同時(shí)監測液相及液相和生物膜交界處的指標變化，并聯(lián)合生物膜內的指標變化建立數學(xué)模型是解析生物膜于環(huán)境之間交互作用的關(guān)鍵。( >

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