隨著我國城鎮(zhèn)化水平不斷提高，工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)人口數(shù)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(kuò)大，如何處理好生活污水和工業(yè)廢水成為當(dāng)下亟待解決的問題之一。近年來，城鎮(zhèn)污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)逐漸由一級B向一級A過渡，對于現(xiàn)有污水處理廠的提標(biāo)改造勢在必行。
在污水處理廠提標(biāo)改造過程中，向二級生物處理單元中投加生物填料，是強(qiáng)化污水二級生物處理效果的一個重要手段。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，并附著其上，使系統(tǒng)中同時存在懸浮生長和附著生長的活性污泥，可以顯著提高生物池內(nèi)的生物量，增強(qiáng)污水生物處理系統(tǒng)的抗負(fù)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(wěn)定取決于生物膜內(nèi)部相對穩(wěn)定的微觀環(huán)境。對于生物膜來說，一方面，當(dāng)其所處的水質(zhì)水力條件隨著進(jìn)水及外界環(huán)境的波動發(fā)生較大變化時，其內(nèi)部微觀環(huán)境可以保持相對穩(wěn)定。另一方面，在生物膜所處環(huán)境相對穩(wěn)定時，當(dāng)生物膜內(nèi)微觀環(huán)境發(fā)生惡化時，因短時間內(nèi)不會影響出水水質(zhì)而不會被發(fā)現(xiàn)，但在長期運(yùn)行過程中，生物膜會逐漸解體破壞，導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化。
為了及時發(fā)現(xiàn)生物膜微觀環(huán)境的變化，使生物膜污水處理系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，對于生物膜微觀特征的研究逐漸深入起來，在此趨勢下，可以更好地認(rèn)識生物膜的生長特性、形態(tài)結(jié)構(gòu)、傳質(zhì)特性及菌群分布，對于開發(fā)更適用于工程實際的生物填料、控制生物膜生長及優(yōu)化運(yùn)行條件發(fā)揮了關(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)域生物膜特性的研究中，通過對生物膜進(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(biāo)的變化，為深入探究生物膜微觀特征提供有利條件。本文闡述生物膜的形成過程，微電極的分類與特點，微反應(yīng)器的建立，分類介紹微電極技術(shù)在生物膜研究中所發(fā)揮的作用，旨在為生物膜系統(tǒng)的深入研究提供參考。
一、生物膜的形成過程
基于生物膜的污水處理工藝被廣泛應(yīng)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程分析認(rèn)為，生物膜的形成過程可以分為3個階段，當(dāng)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。這部分微生物會逐漸利用填料表面和水中的污染物進(jìn)行代謝、生長和繁殖等過程，同時微生物為了適應(yīng)周圍環(huán)境，也會分泌很多胞外聚合物，在胞外聚合物的聯(lián)結(jié)下微生物開始在局部形成多層的細(xì)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。接著生物膜不斷利用水中的營養(yǎng)物質(zhì)生長，逐漸形成形態(tài)結(jié)構(gòu)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，在長為20cm、橫斷面為9mm2的玻璃流動池中培養(yǎng)生物膜，研究認(rèn)為生物膜的形成還包括一個動態(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、水力剪切力變化等，會因基質(zhì)不足、吸附力減弱和腐蝕等原因而脫落，同時水中的微生物也會再次吸附到已有的生物膜上，并逐漸生長繁殖形成新的生物膜。
因為生物膜形成過程復(fù)雜，受到多方面的因素影響，包括溫度、壓力、水力條件和營養(yǎng)條件等，所以其形態(tài)結(jié)構(gòu)與內(nèi)部微觀環(huán)境也會變得多種多樣，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)及內(nèi)部微觀環(huán)境的變化與外界環(huán)境條件變化之間的規(guī)律，便于人為直接調(diào)控環(huán)境因素，控制生物膜的生長，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，可以避免由于生物膜過量生長造成堵塞、水質(zhì)水力條件變化造成生物膜流失等許多問題。
二、微電極的分類與特點
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)不斷發(fā)展并應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，在污水處理廠的進(jìn)水口、出水口乃至處理流程中，在線監(jiān)測系統(tǒng)都發(fā)揮著不可替代的作用，為實時監(jiān)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(yīng)用于污水生物處理領(lǐng)域的研究中。
在實際應(yīng)用中，一般根據(jù)待測定的指標(biāo)選擇相應(yīng)的微電極，所以微電極根據(jù)測定指標(biāo)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(jù)待測離子細(xì)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，孟千秋等通過拉制玻璃毛細(xì)管、硅烷化、固定、填充液膜、加涂層等步驟制備NH4+微電極、NO2-微電極和NO3-微電極來測定生物膜中的硝化反應(yīng)。
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(nèi)對待測對象進(jìn)行測定，所以在測定生物膜內(nèi)微觀環(huán)境時不會破壞檢測環(huán)境，且測量精度和分辨率都很高，檢測限可達(dá)10-6mol/L，但其機(jī)械強(qiáng)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(wěn)定狀態(tài)。微電極體積較小，質(zhì)量輕，操作安全簡單，在測定生物膜內(nèi)部微觀環(huán)境時利于不同種類的微電極之間快速進(jìn)行切換，可在短時間內(nèi)進(jìn)行多指標(biāo)的測定，且便于攜帶，為實際污水處理廠的原位測量提供可能。同時微電極響應(yīng)時間快，可以監(jiān)測到生物膜內(nèi)部指標(biāo)的瞬間變化。
三、測量微反應(yīng)器的建立
由于微電極反應(yīng)靈敏且檢測限低，生物膜較薄且易受外界環(huán)境影響，故在通過微電極穿刺測定生物膜內(nèi)各指標(biāo)變化時需要將待測生物膜置于微反應(yīng)器中，提供與原位反應(yīng)器相似的基質(zhì)，以創(chuàng)造一個相對穩(wěn)定的環(huán)境，使待測生物膜可以正常進(jìn)行生物反應(yīng)，表現(xiàn)出與原位反應(yīng)器中相同的特性。
微反應(yīng)器并不是指體積微小的反應(yīng)器，而是指為了微電極測定方便而設(shè)立的一個小型容器。當(dāng)進(jìn)行試驗所用原位反應(yīng)器較大時，不方便直接架設(shè)微電極測定，就需要將生物膜從原位反應(yīng)器中取出，放置于單獨(dú)容器中培養(yǎng)并進(jìn)行測定。如表1所示，當(dāng)原位反應(yīng)器體積較大時，一般需要單獨(dú)設(shè)立一個微反應(yīng)器，當(dāng)原位反應(yīng)器體積較小時，可以直接將原位反應(yīng)器作為微反應(yīng)器進(jìn)行微電極測定，也可以單獨(dú)設(shè)立微反應(yīng)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，使用NH4+和NO3-微電極進(jìn)行穿刺，采用的測量微反應(yīng)器為1個長方體狀(12cm×7cm×7cm)的容器，其在內(nèi)部分為2個區(qū)域，一個區(qū)域放置待測生物膜填料，另一個區(qū)域進(jìn)行曝氣，以防止曝氣時氣泡擾動對于穿刺過程的影響。Nielsen等在研究完全自養(yǎng)脫氮工藝生物膜中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和微生物的分布時，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(yīng)器由分離的兩部分構(gòu)成，中間容器用于投加反應(yīng)基質(zhì)，同時曝氣提供溶解氧，混合均勻后，中間容器中的基質(zhì)通過蠕動泵進(jìn)入測量室，泵管處纏繞加熱線圈，測量室出水分為上下兩路經(jīng)由蠕動泵返回中間容器，通過蠕動泵調(diào)節(jié)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(yīng)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)生的擾動對于測量室微觀環(huán)境的影響。測量室中的水流也可以調(diào)節(jié)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環(huán)境時，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，通過調(diào)節(jié)針形閥控制進(jìn)水流量，測量室中水流通過尼龍網(wǎng)后可以形成均一穩(wěn)定的上向流，以使活性污泥聚集體穩(wěn)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活性污泥聚集體，以研究整個污泥聚集體與其周圍環(huán)境整體的狀態(tài)。
為了讓生物膜能夠在微反應(yīng)器中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，需要將取出的生物膜置于微反應(yīng)器中，并為其提供適宜的條件培養(yǎng)一段時間。lv等在利用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內(nèi)的氮素轉(zhuǎn)化時，將生物膜取出后置于流動池反應(yīng)器中培養(yǎng)2h，以使生物膜適應(yīng)測量環(huán)境。在研究非穩(wěn)態(tài)下生物膜的性質(zhì)時，可采用單一微反應(yīng)器來進(jìn)行生物膜的穿刺，Wang等在研究非穩(wěn)態(tài)生物膜中氧氣的擴(kuò)散系數(shù)時，采用可升降的單一微反應(yīng)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(biāo)時，單靠肉眼無法確定微電極是否與生物膜表面接觸，F(xiàn)an等在利用微電極穿刺測定生物膜中溶解氧的遷移時，為微反應(yīng)器配備了立體式顯微鏡輔助觀察，以確定生物膜與液相的交界面。
四、微電極的應(yīng)用
4.1 用微電極確定生物膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)
生物膜的形成環(huán)境復(fù)雜多變，其三維形態(tài)結(jié)構(gòu)也因受到外界水力條件和水質(zhì)波動的影響而呈現(xiàn)各向異性。可以依據(jù)微電極測定生物膜中的指標(biāo)變化，對其三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行推測。
4.1.1 生物膜一維形態(tài)結(jié)構(gòu)的確定
生物膜的一維形態(tài)結(jié)構(gòu)主要指生物膜的密度和各分層的厚度，由于生物膜生長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有所差異。不同厚度和密度的生物膜，在處理污水的實際運(yùn)行中所表現(xiàn)出來的性質(zhì)也會不一樣，生物膜厚度和密度會影響基質(zhì)從液相向生物膜內(nèi)部滲透的過程，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。可以通過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(jù)質(zhì)量濃度曲線出現(xiàn)的拐點之間的穿刺深度及曲線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，需要對生物膜的厚度進(jìn)行預(yù)估，選擇適當(dāng)尖端直徑的微電極及微電極移動的步長值，如表2所示，隨著穿刺深度的增大，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。微電極移動步長值的選擇也應(yīng)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(tǒng)中，可根據(jù)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。不同種類生物膜中的菌群結(jié)構(gòu)也不一樣，對于底物的利用及代謝產(chǎn)物也會有差異。溶解氧在生物膜中的滲透與消耗在脫氮過程中發(fā)揮著重要作用，過高的溶解氧滲透阻力會使溶解氧無法深入到生物膜內(nèi)部，硝化反應(yīng)不能更好地進(jìn)行，而過低的溶解氧滲透阻力會使溶解氧在生物膜中的滲透深度過大，影響缺氧環(huán)境，使反硝無法進(jìn)行。在微電極穿刺過程中，由于好氧層中生長了大量的硝化細(xì)菌，所以當(dāng)微電極接觸到好氧層邊界時，溶解氧會有一個明顯的降低，隨著好氧層深度的加深，溶解氧逐漸被微生物消耗，并最終降低為零，此時微電極的穿刺深度可以認(rèn)為是好氧層的厚度。這里的好氧層厚度指的是在相對穩(wěn)定的運(yùn)行條件下測定的結(jié)果，此時環(huán)境中溶解氧相對穩(wěn)定，所以在長期運(yùn)行過程中，溶解氧在生物膜中能夠滲透的深度也基本保持不變。但實際上，好氧層的厚度并不是一個定值，Cao等在探索生物膜系統(tǒng)中同步硝化反硝化最優(yōu)的運(yùn)行條件時，著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(jié)果表明，隨著溶解氧的提高，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逐漸加大，生物膜中好氧層的厚度也會逐漸增大，好氧層在生物膜中所占的比例會逐漸增加，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，也可以通過微電極穿刺測定其他指標(biāo)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，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，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時降低至-195.7mV，據(jù)此可將生物膜深度為4mm附近認(rèn)定為缺氧層生物膜，將5mm深度附近認(rèn)定為厭氧層生物膜，分別適合于氨氧化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌發(fā)揮功能。
根據(jù)微電極穿刺測定指標(biāo)曲線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(biāo)變化大的生物膜密度一般較大。也可通過生物膜內(nèi)物質(zhì)的滲透深度比較生物膜密度，F(xiàn)eng等在研究硝化生物膜時，通過比較溶解氧在硝化生物膜內(nèi)遷移的距離來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(jié)構(gòu)的確定
生物膜的二維形態(tài)結(jié)構(gòu)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完整的連續(xù)平面結(jié)構(gòu)，而存在缺失或者密度上有差異。生物膜二維形態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)指的是生物膜在空間上的結(jié)構(gòu)，雖然生物膜表面光滑，但生物膜并不是形態(tài)規(guī)整密度均一的實體，這對于生物膜中物質(zhì)的擴(kuò)散傳質(zhì)速率會產(chǎn)生不同的影響。所以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)行中某些宏觀效果。生物膜的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)可以通過穿刺定生物膜表面均勻分布位點，由穿刺測定指標(biāo)質(zhì)量濃度和深度數(shù)據(jù)得到相應(yīng)曲面。Ning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，故在微電極穿刺過程中，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溶解氧質(zhì)量濃度繪制成的曲線確定生物膜的三維結(jié)構(gòu)，將生物膜的結(jié)構(gòu)分為3類：當(dāng)溶解氧曲線為平滑曲線時，生物膜內(nèi)部為密實均一的實體，當(dāng)溶解氧曲線出現(xiàn)一個平臺時，生物膜內(nèi)部存在一個孤立的中空孔洞，當(dāng)溶解氧曲線在下降過程中突然凸起成峰時，生物膜內(nèi)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，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氨氮微電極穿刺至生物膜表面以下1.2mm時，氨氮質(zhì)量濃度降低至0.9mg/L，當(dāng)穿刺到1.8mm深度時，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)量濃度變化曲線形成一個峰，同時根據(jù)反應(yīng)器中水力條件推測是由于生物膜在形成過程中由于水流沖擊導(dǎo)致生物膜未生長均勻形成孔洞，外界液相直接滲入導(dǎo)致該現(xiàn)象的出現(xiàn)。
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(zhuǎn)化規(guī)律
微生物由自身分泌的有機(jī)聚合物包裹后形成活性污泥聚集體，當(dāng)聚集體附著于固體表面時就稱之為生物膜。生物膜成熟后會發(fā)生生物膜脫落現(xiàn)象，有研究表明，生物膜形成后隨著微生物在表面的生長也會有污泥顆粒脫落。由于生物膜形態(tài)結(jié)構(gòu)不同，因此，各種污染物在生物膜中的分布也不盡相同，隨著生物反應(yīng)的進(jìn)行，污染物可在生物膜中擴(kuò)散遷移，各種底物及中間產(chǎn)物之間由于會發(fā)生轉(zhuǎn)化，故而質(zhì)量濃度也會發(fā)生變化，可以通過微電極穿刺直接確定生物膜中的物質(zhì)分布、監(jiān)測污染物遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)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
可以通過微電極穿刺測定生物膜某一點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等對某實際污水處理廠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(xiàn)當(dāng)粒徑大于100μm時，各指標(biāo)質(zhì)量濃度在徑向呈現(xiàn)不均一性，當(dāng)粒徑小于100μm時，各指標(biāo)質(zhì)量濃度基本不變，認(rèn)為不同的物質(zhì)分布也代表著不同粒徑范圍的顆粒污泥，影響著功能菌的分布，各粒徑范圍顆粒污泥數(shù)量的相對穩(wěn)定對于污水中多種污染物的聯(lián)合去除發(fā)揮著重要的作用。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，利用溶解氧微電極穿刺聚氨酯海綿填料小塊，根據(jù)溶解氧在深度方向上質(zhì)量濃度變化曲線，將800μm的生物膜分成好氧層、缺氧層和厭氧層，并以此為基礎(chǔ)建立生物膜中氮素及碳素的去除機(jī)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(zhuǎn)盤去除有機(jī)物過程時生長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(qū)域上，均勻測定100個點在生物膜表面680μm、生物膜表面和生物膜表面以下680μm深度處的溶解氧，將數(shù)據(jù)繪制成曲面發(fā)現(xiàn)生物膜同一深度下的溶解氧并不相同，而是呈現(xiàn)“口袋式冶的分布，進(jìn)一步說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，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(jié)果說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(tǒng)運(yùn)行時，污染物在生物膜內(nèi)通過各種生物反應(yīng)被去除或者轉(zhuǎn)化，可以通過微電極穿刺，在一段時間內(nèi)監(jiān)測生物膜某位置深度方向上物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，來推測生物膜的結(jié)構(gòu)與菌群分布。Schramm等在研究附著生長于硅樹脂膜表面生物膜中硝化菌的分布時，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(biāo)在生物膜深度方向上變化的曲線，發(fā)現(xiàn)第14周時，溶解氧可以滲透到距離硅樹脂膜表面150~250μm處，在該范圍內(nèi)，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)氮從靠近硅樹脂膜的(842±465)μmol/L降低至生物膜表面的(356±96)μmol/L，認(rèn)為在靠近硅樹脂膜表面位置，主要發(fā)生硝化反應(yīng)，氨氮在硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，并逐漸向生物膜表面方向擴(kuò)散遷移，由于溶解氧被靠近硅樹脂膜的硝化細(xì)菌利用，因此在亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮向外遷移時，會逐漸被反硝化菌利用，故而可由亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮在向外遷移時的變化確定好氧層生物膜和缺氧層生物膜。Feng等通過溶解氧和硝態(tài)氮微電極穿刺移動床生物膜反應(yīng)器中不同密度的生物膜時，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密度有關(guān)，密實的生物膜會限制溶解氧和硝態(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
在污水生物膜工藝處理過程中，涉及到含碳、氮、硫等元素物質(zhì)之間的復(fù)雜轉(zhuǎn)化。在脫氮過程中，硝化反應(yīng)可以將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，反硝化反應(yīng)可以將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，在這些過程中不可避免地會有很多中間產(chǎn)物產(chǎn)生，間接地也會引起生物膜微觀環(huán)境中氧化還原電位及pH的變化。好氧生物膜內(nèi)溶解氧分布不均和缺氧生物膜內(nèi)溶解氧較高會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(yīng)器，并不會積累，但是對于污水生物膜處理系統(tǒng)的氮平衡來說卻不容忽視。可以通過微電極測定氧化還原電位和pH的變化來間接推測物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，也可以直接通過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(jī)制時，利用微電極穿刺測定一氧化氮和氧化亞氮，并結(jié)合溶解氧微電極穿刺結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為溶解氧是決定一氧化氮和氧化亞氮由氨氧化細(xì)菌產(chǎn)生還是異養(yǎng)反硝化細(xì)菌產(chǎn)生的關(guān)鍵。lv等在研究完全自養(yǎng)脫氮工藝中活性污泥聚集體微斷面時，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(nèi)，溶解氧質(zhì)量濃度從4.4mg/L降低至1.1mg/L，同時氨氮從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(jié)合pH從7.4降低至7.1，認(rèn)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(nèi)，發(fā)現(xiàn)氨氮和亞硝態(tài)氮同時被消耗，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(xiàn)象的依據(jù)。
五、微電極與其他技術(shù)的聯(lián)合使用
隨著科技的進(jìn)步，微電極作為一種檢測手段，越來越多地與其他技術(shù)相結(jié)合，共同為污水生物處理過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象提供依據(jù)。
5.1 微電極與定量PCR技術(shù)相結(jié)合
通過微電極穿刺得到生物膜中的物質(zhì)分布后，可以據(jù)此推測生物膜不同分層中所發(fā)生的生物反應(yīng)。通過定量PCR技術(shù)技術(shù)對特定分層生物膜中細(xì)菌的功能基因進(jìn)行擴(kuò)增定量，可進(jìn)一步驗證推測的準(zhǔn)確性。Kinh等在對比膜曝氣生物膜反應(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，通過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(chǔ)根據(jù)菲克第二擴(kuò)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(rèn)為對于膜曝氣生物膜反應(yīng)器來說，生物膜底部的200μm范圍內(nèi)是氧化亞氮主要產(chǎn)生區(qū)域，而對于傳統(tǒng)生物膜反應(yīng)器來說則是最外層的200μm范圍。為驗證此推測，進(jìn)一步通過冷凍切片技術(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(kuò)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(jié)合
通過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(yǎng)脫氮工藝中顆粒的菌群分布時，將溶解氧和亞硝態(tài)氮微電極穿刺的結(jié)果同熒光原位雜交技術(shù)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，溶解氧與亞硝在顆粒剖面的分布與氨氧化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)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，將溶解氧微觀質(zhì)量濃度曲線和激光共聚焦結(jié)合，認(rèn)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(yǎng)菌負(fù)責(zé)有機(jī)物的去除，第2層由自養(yǎng)菌構(gòu)成，厚度在250~450μm，主要負(fù)責(zé)氨氮的去除，第3層為顆粒核心，由無機(jī)物構(gòu)成，呈多孔道的形態(tài)。
六、總結(jié)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(fù)荷沖擊方面有著不容忽視的優(yōu)勢，工藝在長期處理中的穩(wěn)定運(yùn)行與生物膜的微觀環(huán)境變化息息相關(guān)，如圖1所示，通過微電極可以快捷而又準(zhǔn)確地監(jiān)測生物膜微觀環(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(shè)計優(yōu)化，微電極在生物膜研究中的應(yīng)用也將越來越廣泛，但仍有不足，以下幾個方面將會是未來的發(fā)展方向：
1)由于好氧生物反應(yīng)是生物脫氮除磷過程的必經(jīng)之路，因此，現(xiàn)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。隨著厭氧氨氧化的應(yīng)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(yīng)中，涉及到很多離子間的轉(zhuǎn)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(dǎo)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(xiàn)多集中于解析生物膜自身，由于生物膜內(nèi)的微觀環(huán)境變化和所處宏觀環(huán)境有很大關(guān)系，因此，同時監(jiān)測液相及液相和生物膜交界處的指標(biāo)變化，并聯(lián)合生物膜內(nèi)的指標(biāo)變化建立數(shù)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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