微電極在污水生物膜處理中的應(yīng)用

隨著我國城市化水平的不斷提高，工業(yè)化的不斷推進(jìn)，國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口數(shù)量的不斷增加，污水排放量的不斷增加，對(duì)污水處理容量的需求將進(jìn)一步擴(kuò)大。如何處理好生活污水和工業(yè)廢水已成為亟待解決的問題之一。近年來，城市污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)逐漸由B級(jí)變?yōu)锳級(jí)，因此對(duì)現(xiàn)有污水處理廠進(jìn)行升級(jí)改造勢(shì)在必行。

在污水處理廠達(dá)標(biāo)升級(jí)過程中，在二級(jí)生物處理單元中加入生物填料是強(qiáng)化污水二級(jí)生物處理效果的重要手段。投加填料后，填料作為生物載體，可使更多的微生物聚集形成活性污泥聚集體或生物膜，并附著其上，使系統(tǒng)中既有懸浮活性污泥，又有附著活性污泥，可顯著增加生物池中的生物量，增強(qiáng)污水生物處理系統(tǒng)的負(fù)荷抗沖擊能力，進(jìn)一步改善出水水質(zhì)。

污水處理出水水質(zhì)的穩(wěn)定取決于生物膜內(nèi)部相對(duì)穩(wěn)定的微環(huán)境。對(duì)于生物膜來說，一方面，當(dāng)其水質(zhì)和水力條件隨著進(jìn)水和外界環(huán)境的波動(dòng)而發(fā)生較大變化時(shí)，其內(nèi)部微環(huán)境能夠保持相對(duì)穩(wěn)定。另一方面，當(dāng)生物膜環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，當(dāng)生物膜內(nèi)部微環(huán)境惡化時(shí)，由于短時(shí)間內(nèi)不會(huì)影響出水水質(zhì)，所以不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，但在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，生物膜會(huì)逐漸解體破壞，導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化。

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)生物膜微環(huán)境的變化，保持生物膜污水處理系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)生物膜微觀特性的研究逐漸深入。在這種趨勢(shì)下，我們可以更好地了解生物膜的生長(zhǎng)特性、形態(tài)結(jié)構(gòu)、傳質(zhì)特性和菌群分布，這對(duì)開發(fā)更適合工程實(shí)踐的生物填料、控制生物膜生長(zhǎng)和優(yōu)化運(yùn)行條件具有關(guān)鍵作用。近年來，隨著微電極及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，微電極逐漸應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域的生物膜特性研究。通過微電極穿刺生物膜，可以測(cè)定生物膜中NH4+、NO2-、NO3-、N2O、pH、DO、ORP等物質(zhì)和指標(biāo)的變化，為進(jìn)一步探索生物膜的微觀特征提供了有利條件。本文闡述了生物膜的形成過程、微電極的分類和特點(diǎn)、微反應(yīng)器的建立以及微電極技術(shù)在生物膜研究中的作用，旨在為生物膜系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供參考。

一、生物膜的形成過程

生物膜法污水處理廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水和生活污水的處理過程中。程等對(duì)現(xiàn)有研究中的生物膜形成過程進(jìn)行了分析，認(rèn)為生物膜形成過程可分為三個(gè)階段。當(dāng)生物處理單元中加入填料時(shí)，水中的各種污染物和微生物會(huì)吸附在填料表面，這是生物膜形成的第一階段。這部分微生物會(huì)逐漸利用填料表面的污染物和水進(jìn)行代謝、生長(zhǎng)和繁殖。同時(shí)，為了適應(yīng)周圍的環(huán)境，微生物也會(huì)分泌大量的胞外聚合物。在胞外聚合物的連接下，微生物開始局部形成多層細(xì)胞聚集體，即開始時(shí)相對(duì)較薄的生物膜，這是生物膜形成的第二階段。然后生物膜利用水中的營養(yǎng)物質(zhì)不斷生長(zhǎng)，逐漸形成形態(tài)結(jié)構(gòu)明顯的成熟生物膜，這是生物膜形成的第三階段。在沃爾特等于30℃的條件下，生物膜在一個(gè)長(zhǎng)20cm、橫截面為9mm2的玻璃流動(dòng)池中培養(yǎng)。研究表明，生物膜的形成還包括一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡階段，即在外界環(huán)境變化的影響下，如進(jìn)水水質(zhì)的波動(dòng)、水力剪切力的變化等。，成熟的生物膜會(huì)因基質(zhì)缺乏、吸附力減弱、腐蝕而脫落。同時(shí)，水中的微生物會(huì)重新吸附到已有的生物膜上，并逐漸生長(zhǎng)繁殖，形成新的生物膜。

由于生物膜形成過程復(fù)雜，受多種因素影響，包括溫度、壓力、水力條件和營養(yǎng)條件，其形態(tài)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部微環(huán)境也會(huì)變得多樣。以微電極為研究手段，研究生物膜形成過程中形態(tài)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部微環(huán)境的變化與外部環(huán)境條件變化之間的規(guī)律，便于人們直接控制環(huán)境因素，控制生物膜的生長(zhǎng)，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行，避免生物膜過度生長(zhǎng)造成的堵塞、水質(zhì)和水力條件變化造成的生物膜流失等諸多問題。

二。微電極的分類和特性

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)在污水處理領(lǐng)域得到了不斷的發(fā)展和應(yīng)用。在污水處理廠的進(jìn)水、出水乃至處理過程中，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮著不可替代的作用，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)和污水處理效果提供了技術(shù)保障。微電極作為一種微型傳感器，逐漸應(yīng)用于污水生物處理的研究。

在實(shí)際應(yīng)用中，一般根據(jù)待測(cè)指標(biāo)來選擇微電極，因此根據(jù)測(cè)量指標(biāo)可將微電極分為溫度微電極、氧化還原微電極、pH微電極、一氧化氮微電極、一氧化二氮微電極、氫氣微電極、硫化氫微電極、氧氣微電極和離子微電極。根據(jù)待測(cè)離子的不同，微電極可細(xì)分為NH4+微電極、NO2-微電極和NO3-微電極。制作微電極常用的方法是手工畫玻璃。孟等人通過拉制玻璃毛細(xì)管、硅烷化、固定、填充液膜、涂敷等方法制備了NH4+微電極、微電極和NO3-微電極。測(cè)量生物膜中的硝化作用。

根據(jù)制造工藝的不同，微電極的尖端直徑一般為幾十甚至幾個(gè)微米，待測(cè)物體可以在微米范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，因此在測(cè)量生物膜內(nèi)微環(huán)境時(shí)不會(huì)破壞檢測(cè)環(huán)境，測(cè)量精度和分辨率都很高，檢測(cè)限為10-6mol/L，但其機(jī)械強(qiáng)度很低，容易被損壞。由于技術(shù)條件限制，微電極的使用壽命有限，離子微電極技術(shù)尚未成熟。微電極的使用壽命一般在7天左右，其他8個(gè)微電極在30~180d后仍能保持相對(duì)穩(wěn)定。該微電極體積小、重量輕、操作安全簡(jiǎn)單，有利于測(cè)量生物膜內(nèi)部微環(huán)境時(shí)不同微電極之間的快速切換，可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多指標(biāo)測(cè)量，且便于攜帶，為實(shí)際污水處理工廠的原位測(cè)量提供了可能。同時(shí)，微電極響應(yīng)時(shí)間快，可以監(jiān)測(cè)生物膜內(nèi)部指標(biāo)的瞬時(shí)變化。

3.測(cè)量微反應(yīng)器的建立

由于微電極反應(yīng)靈敏，檢測(cè)限低，生物膜薄，易受外界環(huán)境影響，需要將待測(cè)生物膜置于微反應(yīng)器中，提供類似于原位反應(yīng)器的基底，以創(chuàng)造相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，使待測(cè)生物膜能夠正常進(jìn)行生物反應(yīng)，表現(xiàn)出與原位反應(yīng)器相同的特性。

微反應(yīng)器不是指小反應(yīng)器，而是為了方便微電極測(cè)量而設(shè)置的小容器。當(dāng)實(shí)驗(yàn)所用的原位反應(yīng)器較大時(shí)，不方便直接架設(shè)微電極進(jìn)行測(cè)量，需要將生物膜從原位反應(yīng)器中取出，置于單獨(dú)的容器中進(jìn)行培養(yǎng)和測(cè)量。如表1所示，當(dāng)原位反應(yīng)器的體積較大時(shí)，通常需要設(shè)置單獨(dú)的微反應(yīng)器。當(dāng)原位反應(yīng)器體積較小時(shí)，可直接作為微電極測(cè)量的微反應(yīng)器，也可單獨(dú)設(shè)置微反應(yīng)器。

Chae等人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)，使用了NH4+和NO3-微電極進(jìn)行穿刺。所用的測(cè)量微反應(yīng)器是一個(gè)長(zhǎng)方體(12cm×7cm×7cm)容器，分為兩個(gè)區(qū)域。一個(gè)區(qū)域填充待測(cè)試的生物膜填料，另一個(gè)區(qū)域曝氣以防止氣泡擾動(dòng)對(duì)穿刺過程的影響。Nielsen等人在研究完全自養(yǎng)反硝化過程生物膜中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和微生物分布時(shí)，使用了NO2-微電極和溶解氧微電極刺穿生物膜。微反應(yīng)器由兩個(gè)獨(dú)立的部分組成，中間容器用于添加反應(yīng)基質(zhì)，溶解氧通過曝氣提供。混合均勻后，中間容器中的基質(zhì)通過蠕動(dòng)泵進(jìn)入測(cè)量室，加熱線圈纏繞在泵管上。來自測(cè)量室的流出物被分成上部和下部路徑，并通過蠕動(dòng)泵返回到中間容器。用蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)下路流速大于上路流速，在測(cè)量室內(nèi)形成向下流動(dòng)，使待測(cè)生物膜固定在支撐尼龍網(wǎng)上。該裝置將測(cè)量微反應(yīng)器分為測(cè)量室和中間容器兩部分，可以有效避免中間容器內(nèi)曝氣和底物添加引起的擾動(dòng)對(duì)測(cè)量室微環(huán)境的影響。測(cè)量室中的水流也可以調(diào)整為向上流動(dòng)，以懸浮生物膜。李等用pH、DO、ORP、NH4+和NO3-微電極擊穿活性污泥聚集體的微環(huán)境，采用了上流式測(cè)量室。中間容器中的水從測(cè)量室的下部進(jìn)入，通過調(diào)節(jié)針閥來控制流入速率。計(jì)量室內(nèi)的水通過尼龍網(wǎng)后能形成均勻穩(wěn)定的向上流動(dòng)，使活性污泥聚集體能穩(wěn)定地懸浮在上面。這種固定方法可以使微電極穿透整個(gè)活性污泥聚集體，從而研究整個(gè)污泥聚集體及其周圍環(huán)境的整體狀態(tài)。

為了使生物膜在微反應(yīng)器中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，需要將去除的生物膜放置在微反應(yīng)器中，并為其培養(yǎng)一段時(shí)間提供合適的條件。呂等。用NH4+、NO2-、NO3-和pH微電極穿刺研究生物轉(zhuǎn)盤中厭氧氨氧化生物膜中氮轉(zhuǎn)化時(shí)，取出生物膜，放入流池反應(yīng)器中2小時(shí)，使生物膜適應(yīng)測(cè)量環(huán)境。當(dāng)研究非穩(wěn)態(tài)下生物膜的特性時(shí)，可以使用單個(gè)微反應(yīng)器刺穿生物膜。王等在研究氧在非穩(wěn)態(tài)生物膜中的擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，采用單個(gè)可升降的微反應(yīng)器作為待測(cè)生物膜的載體，使生物膜在空氣和水中交替。

由于微電極的尖端是微米級(jí)的，在測(cè)量一些指標(biāo)時(shí)，無法用肉眼確定微電極是否與生物膜表面接觸。范等在利用微電極穿刺法測(cè)量生物膜中溶解氧的遷移時(shí)，為微反應(yīng)器配備了立體顯微鏡，以觀察生物膜與液相的界面。

四。微電極的應(yīng)用

4.1用微電極測(cè)定生物膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

生物膜的形成環(huán)境復(fù)雜多變，受外界水力條件和水質(zhì)波動(dòng)的影響，其三維形態(tài)結(jié)構(gòu)具有各向異性。根據(jù)微電極測(cè)量的指標(biāo)變化可以推斷生物膜的三維結(jié)構(gòu)。

4.1.1生物膜一維形態(tài)結(jié)構(gòu)的測(cè)定

生物膜的一維形態(tài)結(jié)構(gòu)主要指生物膜的密度和各層的厚度。由于生物膜生長(zhǎng)的不均勻性和載體表面性質(zhì)的多樣性，載體表面不同位置的生物膜厚度不同，同一位置不同深度的生物膜密度也會(huì)不同。不同厚度和密度的生物膜在污水處理的實(shí)際運(yùn)行中會(huì)表現(xiàn)出不同的特性。生物膜的厚度和密度會(huì)影響基質(zhì)從液相滲入生物膜的過程。當(dāng)生物膜密度一定時(shí)，較厚的生物膜的傳質(zhì)速率低于較薄的生物膜。通過微電極穿刺可以測(cè)量生物膜深度方向上特征物質(zhì)的質(zhì)量濃度變化，根據(jù)質(zhì)量濃度曲線拐點(diǎn)之間的穿刺深度和曲線的斜率可以確定生物膜的厚度和比較生物膜的密度。

使用微電極穿刺時(shí)，需要估計(jì)生物膜的厚度，選擇合適的針尖直徑和微電極移動(dòng)的步長(zhǎng)值的微電極。如表2所示，隨著穿刺深度的增加，微電極的尖端直徑也隨之增加，也可以選擇尖端直徑小的微電極來獲得更大的穿刺深度。微電極移動(dòng)步長(zhǎng)的選擇也應(yīng)該類似于或大于微電極尖端的直徑。

在污水處理系統(tǒng)中，根據(jù)生物膜中溶解氧的質(zhì)量濃度，生物膜可分為好氧生物膜、缺氧生物膜和厭氧生物膜。不同種類的生物膜具有不同的菌群結(jié)構(gòu)，對(duì)底物和代謝產(chǎn)物的利用也不同。生物膜中溶解氧的滲透和消耗在反硝化過程中起著重要的作用。過高的溶解氧滲透阻力會(huì)使溶解氧無法滲透到生物膜中，硝化作用無法更好地進(jìn)行，而過低的溶解氧滲透阻力會(huì)使生物膜中溶解氧的滲透深度過大，影響缺氧環(huán)境，阻礙反硝化作用。在微電極穿刺的過程中，好氧層中生長(zhǎng)著大量的硝化細(xì)菌，所以當(dāng)微電極接觸到好氧層的邊界時(shí)，溶解氧會(huì)明顯降低。隨著好氧層深度的加深，溶解氧會(huì)逐漸被微生物消耗，最終降至零。此時(shí)，微電極的穿刺深度可以認(rèn)為是有氧層的厚度。這里，好氧層的厚度是指在相對(duì)穩(wěn)定的操作條件下的測(cè)量結(jié)果。此時(shí)環(huán)境中的溶解氧相對(duì)穩(wěn)定，因此在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，溶解氧在生物膜中的滲透深度基本保持不變。但實(shí)際上，好氧層的厚度并不是一個(gè)恒定值。曹等在探索生物膜系統(tǒng)同步硝化反硝化的較好運(yùn)行條件時(shí)，重點(diǎn)研究了不同溶解氧濃度對(duì)生物膜好氧層厚度的影響。結(jié)果表明，隨著溶解氧的增加，生物膜中的溶解氧濃度逐漸增加，溶解氧的穿透深度逐漸增加，生物膜中好氧層的厚度逐漸增加，生物膜中好氧層的比例逐漸增加，硝化速率也發(fā)生變化，從而影響。

除溶解氧外，其他指標(biāo)可通過微電極穿刺測(cè)量，對(duì)生物膜進(jìn)行分層。文等在研究一體化厭氧氨氧化工藝處理垃圾滲濾液時(shí)，采用微電極穿刺法測(cè)定了不同填料深度下生物膜的氧化還原電位。當(dāng)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處下降到-166.8mV，在深度為5mm處下降到-195.7mV，據(jù)此，深度為4mm的生物膜可鑒定為缺氧生物膜，深度為5mm的生物膜可鑒定為厭氧生物膜，分別適合氨氧化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌發(fā)揮作用。

根據(jù)微電極穿刺測(cè)得的指數(shù)曲線的斜率，可以比較生物膜的大致密度。厚度相同、指數(shù)變化較大的生物膜密度一般較高。生物膜的密度也可以通過生物膜中物質(zhì)的滲透深度來比較。馮等通過比較硝化生物膜中溶解氧的遷移距離，比較了不同填充比下硝化生物膜的密度。

4 . 1 . 2 2D和生物膜三維形態(tài)結(jié)構(gòu)的測(cè)定

生物膜的二維形態(tài)結(jié)構(gòu)是指生物膜某一截面的狀態(tài)。由于生物膜的各向異性，生物膜的截面不是完整連續(xù)的平面結(jié)構(gòu)，而是存在一些缺陷或密度差異。生物膜二維形態(tài)和結(jié)構(gòu)的確定只能通過微電極的多次一維穿刺來確定。

生物膜的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)是指生物膜的空間結(jié)構(gòu)。雖然生物膜表面光滑，但生物膜并不是形態(tài)密度均勻的實(shí)體，對(duì)生物膜內(nèi)物質(zhì)的擴(kuò)散和傳質(zhì)速率會(huì)產(chǎn)生不同的影響。因此，確定生物膜的三維結(jié)構(gòu)可以在一定程度上解釋生物膜污水處理系統(tǒng)運(yùn)行中的一些宏觀效應(yīng)。通過穿刺生物膜表面均勻分布的位點(diǎn)，可以確定生物膜的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)，通過穿刺指標(biāo)質(zhì)量濃度和深度數(shù)據(jù)，可以得到相應(yīng)的曲面。寧等提出，由于生物膜不同位置溶解氧的擴(kuò)散速率和消耗速率不同，在微電極穿刺過程中，生物膜不同位置的溶解氧水平和變化趨勢(shì)也不同。利用溶解氧微電極穿刺生物膜，根據(jù)溶解氧微電極一維穿刺得到的不同位置的溶解氧濃度繪制曲線，可以確定生物膜的三維結(jié)構(gòu)。生物膜的結(jié)構(gòu)可分為三類:當(dāng)溶解氧曲線平滑時(shí)，生物膜內(nèi)部致密均勻；當(dāng)溶解氧曲線有平臺(tái)時(shí)，生物膜內(nèi)部有一個(gè)孤立的空洞；當(dāng)溶解氧曲線在下降過程中突然隆起達(dá)到峰值時(shí)，生物膜內(nèi)部存在于與外部液相相連的通道中。Chae等人用微電極刺穿硝化生物膜，發(fā)現(xiàn)微電極刺穿生物膜表面以下1.2mm時(shí)，氨氮質(zhì)量濃度降至0.9mg/L，微電極刺穿1.8mm深時(shí)，氨氮質(zhì)量濃度升高至1.13mg/L，與生物膜所在液相中氨氮質(zhì)量濃度一致，質(zhì)量濃度變化曲線形成峰值。同時(shí)，根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)的水力條件，推測(cè)生物膜在形成過程中，由于水流的沖擊，生物膜生長(zhǎng)不均勻，形成孔洞。

4.2使用微電極測(cè)定活性污泥聚集體中物質(zhì)的分布、遷移和轉(zhuǎn)化。

活性污泥聚集體被微生物分泌的有機(jī)聚合物包裹后形成。當(dāng)聚集體粘附在固體表面時(shí)，它們被稱為生物膜。生物膜成熟后，生物膜會(huì)脫落。研究表明，生物膜形成后，污泥顆粒會(huì)隨著表面微生物的生長(zhǎng)而脫落。由于生物膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)不同，各種污染物在生物膜中的分布也不同。隨著生物反應(yīng)的進(jìn)行，污染物可以在生物膜中擴(kuò)散和遷移，質(zhì)量濃度也會(huì)因各種底物和中間產(chǎn)物之間的轉(zhuǎn)化而發(fā)生變化。通過微電極穿刺可以直接確定生物膜中物質(zhì)的分布，監(jiān)測(cè)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，從而更好地分析生物膜。

4.2.1確定污泥聚集體中的物質(zhì)分布。

通過微電極穿刺可以測(cè)量生物膜某一點(diǎn)在深度方向上的物質(zhì)分布和顆粒污泥在徑向上從表面到核心的物質(zhì)分布。韓等在某實(shí)際污水處理廠的奧貝爾氧化溝中刺破粒徑小于250μm的顆粒污泥，測(cè)量了溶解氧、氨氮和硝態(tài)氮沿徑向從表面到核心的分布。發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒徑大于100μm時(shí)，各指標(biāo)的質(zhì)量濃度在徑向上不均勻，而當(dāng)粒徑小于100μm時(shí)，各指標(biāo)的質(zhì)量濃度基本保持不變。認(rèn)為不同的物質(zhì)分布也代表不同粒徑的顆粒污泥，從而影響其功能。周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)，采用溶解氧微電極擊穿聚氨酯海綿填料塊。根據(jù)溶解氧濃度沿深度方向的變化曲線，將800μm生物膜分為好氧層、缺氧層和厭氧層，并在此基礎(chǔ)上建立了生物膜脫氮除碳的機(jī)理。

污泥聚集體中物質(zhì)的一維變化不能反映聚集體的整體情況，因此有時(shí)需要進(jìn)一步測(cè)量生物膜中某一物質(zhì)的三維分布。Rosa等人研究了生物轉(zhuǎn)盤去除有機(jī)物過程中，生長(zhǎng)在高密度聚乙烯載體上的生物膜中不同深度的溶解氧(DO)分布。在一個(gè)1000μm×1000μm的生物膜區(qū)域內(nèi)，對(duì)生物膜表面680μm處和生物膜表面以下680μm處的DO進(jìn)行100個(gè)點(diǎn)的均勻測(cè)量。將數(shù)據(jù)繪制成曲面，發(fā)現(xiàn)生物膜同一深度的DO并不相同，而是呈現(xiàn)口袋冶金分布，進(jìn)一步說明了生物膜中微生物分布的不均一性。唐等利用溶解氧微電極刺穿一種新型生物填料表面的生物膜，獲得了填料表面不同位置處生物膜深度方向的溶解氧分布。結(jié)果表明，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，即同一填料不同位置可形成好氧生物膜和厭氧生物膜，有利于豐富微生物群落的生物多樣性。

4.2.2確定污泥聚集體中物質(zhì)的遷移。

污水生物膜處理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，污染物通過生物膜中的各種生物反應(yīng)被去除或轉(zhuǎn)化。通過微電極穿刺，可以在一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)生物膜某一位置深度方向上物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，推斷生物膜的結(jié)構(gòu)和菌群分布。施拉姆等人在研究附著在硅樹脂膜表面的生物膜中硝化細(xì)菌的分布時(shí)，使用了NH4+、NO2-、NO3-、DO和pH微電極穿刺生物膜，得到了不同指標(biāo)沿生物膜深度方向變化的曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在第14周，溶解氧可以滲透到離硅樹脂膜表面150~250μm處，在此范圍內(nèi)，pH值也從7.8下降到6.4。然后氨氮始終控制在15～20 mmol/L，硝酸鹽氮從接近硅膜的(389±157)μm ol/L降低到生物膜表面的(77±38)μm ol/L，亞硝酸鹽氮從接近硅膜的(842±465)μm ol/L降低到生物膜表面的(356±96)微米。氨氮在硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，并逐漸向生物膜表面擴(kuò)散遷移。由于溶解氧被靠近硅膜的硝化細(xì)菌利用，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮在向外遷移時(shí)會(huì)逐漸被反硝化細(xì)菌利用。因此，好氧生物膜和缺氧生物膜可以通過亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮向外遷移時(shí)的變化來確定。馮等發(fā)現(xiàn)溶解氧和硝態(tài)氮在生物膜中的遷移距離與生物膜的密度有關(guān)，致密的生物膜會(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(zhuǎn)化。

在污水的生物膜處理過程中，涉及碳、氮、硫等元素之間的復(fù)雜轉(zhuǎn)化。在反硝化過程中，硝化作用可以將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，反硝化作用可以將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮素。在這些過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物，從而間接引起生物膜微環(huán)境中氧化還原電位和pH值的變化。好氧生物膜中溶解氧分布不均勻，缺氧生物膜中溶解氧高，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，從反應(yīng)器中逸出，不會(huì)積累，但對(duì)于污水生物膜處理系統(tǒng)的氮平衡來說是不可忽視的。可以通過微電極測(cè)量氧化還原電位和pH值的變化來間接估計(jì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，也可以通過微電極直接測(cè)量這些物質(zhì)的變化。Schreiber等人在研究生物膜中一氧化氮和一氧化二氮的瞬時(shí)產(chǎn)生機(jī)理時(shí)，采用微電極穿刺法測(cè)量一氧化氮和一氧化二氮，并對(duì)溶解氧微電極穿刺的結(jié)果進(jìn)行分析。他們認(rèn)為，溶解氧是決定一氧化氮和一氧化二氮是由氨氧化細(xì)菌還是異養(yǎng)反硝化細(xì)菌產(chǎn)生的關(guān)鍵。呂等。在研究完全自養(yǎng)反硝化過程中活性污泥聚集體的微截面時(shí)，采用微電極穿刺法測(cè)量了截面不同深度處氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度變化。在0～1700微米的深度范圍內(nèi)，溶解氧的質(zhì)量濃度從4.4毫克/升下降到1.1毫克/升，氨氮從195.8毫克/升下降到132.8毫克/升，亞硝態(tài)氮從0.05毫克/升上升到0.09毫克/升，硝態(tài)氮從31.1毫克/升上升到32.6毫克/升，結(jié)合pH從7.4下降到7.1。認(rèn)為全程硝化和短程硝化主要發(fā)生在這層生物膜上。在1700~3700μm的深度范圍內(nèi)，氨氮和亞硝酸鹽氮同時(shí)被消耗，pH和硝酸鹽氮均有所增加。

動(dòng)詞 （verb的縮寫）微電極與其他技術(shù)的結(jié)合

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，微電極作為一種檢測(cè)手段，越來越多地與其他技術(shù)相結(jié)合，為污水生物處理中的現(xiàn)象提供依據(jù)。

5.1微電極和定量PCR技術(shù)的結(jié)合

在通過微電極穿刺獲得生物膜中的物質(zhì)分布后，可以推測(cè)生物膜不同層中的生物反應(yīng)。定量PCR技術(shù)可用于擴(kuò)增和定量特定分層生物膜中細(xì)菌的功能基因，可進(jìn)一步驗(yàn)證推測(cè)的準(zhǔn)確性。Kinh等人在比較膜曝氣生物膜反應(yīng)器和傳統(tǒng)生物膜反應(yīng)器同步硝化反硝化過程中氧化亞氮的釋放時(shí)，通過氧化亞氮微電極穿刺獲得了生物膜不同深度氧化亞氮的質(zhì)量濃度，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定律估算了單位生物膜體積氧化亞氮的凈產(chǎn)生量和消耗量。認(rèn)為對(duì)于膜曝氣生物膜反應(yīng)器，生物膜底部200μm范圍是氧化亞氮的主要生成區(qū)域，而對(duì)于傳統(tǒng)生物膜反應(yīng)器，則是外層200μm范圍。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，采用冰凍切片技術(shù)將生物膜縱向切成100μm厚，分別提取基因。amoA、nirK、nirS和nosZ功能基因的定量PCR擴(kuò)增被用來驗(yàn)證這一假設(shè)。

5.2微電極與熒光原位雜交和激光共聚焦技術(shù)相結(jié)合。

通過微電極測(cè)量生物膜中物質(zhì)的分布，可以進(jìn)一步推測(cè)功能菌在不同層中的分布。熒光原位雜交和激光共聚焦顯微鏡(CLSM)經(jīng)常用于確定活性污泥聚集體中細(xì)菌的分布。瓦茲奎-帕丁等將溶解氧和亞硝酸鹽氮的微電極穿刺結(jié)果與熒光原位雜交結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)溶解氧和亞硝酸鹽在顆粒剖面中的分布與氨氧化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌的分布一致。李等。在研究顆粒污泥中菌群和EPS的分布以及溶解氧的轉(zhuǎn)移速率時(shí)，結(jié)合溶解氧的微質(zhì)量濃度曲線和激光共聚焦，認(rèn)為顆粒在徑向上可分為三層。第一層是顆粒表面，厚度為150~350μm，其中異養(yǎng)菌負(fù)責(zé)去除有機(jī)物，第二層由自養(yǎng)菌組成，厚度為250~450μm，主要負(fù)責(zé)去除氨氮，第三層是顆粒核心，由無機(jī)物組成。

不及物動(dòng)詞總結(jié)與展望

與以絮體形式存在的活性污泥法相比，基于生物膜的污水生物處理工藝在生物量截留和抗負(fù)荷沖擊方面具有不可忽視的優(yōu)勢(shì)。該工藝在長(zhǎng)期處理中的穩(wěn)定運(yùn)行與生物膜微環(huán)境的變化密切相關(guān)。如圖1所示，通過微電極可以快速準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)生物膜微環(huán)境的變化，通過其他技術(shù)手段可以更好地分析生物膜中功能菌群的分布。為了促進(jìn)生物膜載體的改進(jìn)和工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化，微電極將在生物膜研究中得到廣泛應(yīng)用，但仍存在一些不足。以下幾個(gè)方面將是未來的發(fā)展方向:

1)由于好氧生物反應(yīng)是生物脫氮除磷的必由之路，現(xiàn)有的研究主要集中在基于溶解氧微電極的好氧生物膜分析上，而對(duì)厭氧生物膜的研究較少。隨著厭氧氨氧化的應(yīng)用和推廣，以及以污泥發(fā)酵為核心的污泥與污水聯(lián)合處理工藝的興起，利用pH、離子、硫化氫、氫微電極對(duì)厭氧生物膜的分析不容忽視。

2)在污水處理的生物反應(yīng)中，許多離子參與轉(zhuǎn)化，如NH4+、NO2-和NO3-等。目前離子微電極的制造技術(shù)還不成熟，導(dǎo)致離子微電極壽命短，測(cè)量成本高。因此，優(yōu)化離子電極的制造工藝，提高其使用壽命尤為重要。

3)通過微電極的生物膜分析主要集中于生物膜本身的分析。由于生物膜中的微環(huán)境變化與宏觀環(huán)境密切相關(guān)，因此同時(shí)監(jiān)測(cè)液相和液相與生物膜界面的指標(biāo)變化，并結(jié)合生物膜中的指標(biāo)變化建立數(shù)學(xué)模型，是分析生物膜與環(huán)境相互作用的關(guān)鍵。(來源:北京工業(yè)大學(xué)城市污水深度處理及資源化利用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室；北京污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心；哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

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標(biāo)簽:  微電極在污水生物膜處理中的應(yīng)用