在壁面剪切力為1.0，1.5，2.0Pa條件下培養排水管道生物膜，利用微電極測試技術對生物膜進行生長過程及成熟生物膜內部DO、、、分布規律進行研究.結果表明：1.0，1.5，2.0Pa條件下培養的生物膜厚度分別為（2.3±0.1），（1.9±0.1），（1.6±0.1）mm；1.0，1.5Pa條件下的生物膜內存在好氧、缺氧環境，在其中發生了硝化和反硝化反應，而2.0Pa條件下的生物膜內只存在好氧環境，只發生了硝化反應.生物膜厚度影響著溶解氧在膜內的分布，繼而影響著N在膜內的遷移轉化過程.

排水管道作為排水系統的重要組成部分，通常認為其作用只是收集和輸送污水.實際上，由于排水管道內特殊的構造，使得其內部形成了好氧、缺氧、厭氧環境，從而讓污染物的生物化學降解成為了可能.近年來，國內外研究者針對排水管道內生物化學反應及其產物等方面做了相關研究，主要集中在以下幾個方面：排水管道內甲烷、H2S等氣體產生，管道腐蝕等現象，將排水管道作為反應器。

有研究表明，附著在排水管道壁面的生物膜是生物降解的主要場所。生物膜不同于活性污泥系統，膜內部的環境要素分布特性極大地影響著物質在其中的遷移轉化過程，進而決定了污染物的降解效能.另外，生物膜表面的水力特性對于物質從水相遷移至膜中也有著重要的影響。在不同的流態下，水流對生物膜的沖刷剪切作用不同，從而影響排水管道內管壁生物膜的附著與剝離，進而使管道生物膜組成、數量和活性等發生改變.此外水流流態還直接影響物質從水相到生物膜的傳質過程，進而影響生物膜對于有機物的降解過程。

近年來，微電極技術的發展使人們能實現對生物膜微觀層面的原位研究.微電極即微型化的傳感器，電極尖端直徑可以達到微米級別.國內外學者對此展開了很多研究，包括微觀濃度場的分布特性、微觀特征參數的解析等。

本文利用微電極技術對排水管道內不同流態下培養的生物膜進行測試，獲得生物膜內部氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮以及溶解氧的分布規律，進而分析生物膜內部氮元素的遷移轉化機理，旨在探索水流流態對管道生物膜脫氮過程的影響。

1材料與方法

1.1實驗裝置與條件

圖1實驗裝置示意

表1人工配水成分

本實驗采用有機玻璃制作的反應器模擬下水道.裝置示意如圖1所示，4個密封的反應器串聯排列，反應器高150mm，內徑80mm，內壁貼有PVC薄片作為生物膜生長的載體，下部放置磁力攪拌器攪拌模擬水流沖刷剪切力，磁力攪拌器轉速與剪切力的關系為：

式中：τ表示剪切力（Pa），r表示轉速（r/min）。

反應器總水力停留時間為4h.設置3組此反應器，分別在轉速為402，507，600r/min條件下運行，其對應的剪切力為1.0，1.5，2.0Pa.根據前期研究，排水管道管壁剪切力主要受流速影響，1.0，1.5，2.0Pa剪切力對應的壁面流速分別為0.403，0.847，1.293m/s.在這3種水力條件下培養生物膜，定期取出測試其厚度，待其厚度不再發生變化即認為已達到成熟，取出用微電極測定生物膜內部物質濃度分布情況，主要包括DO、、、，測試時生物膜置于原環境條件下。

實驗采用人工配水，配方見表1.為了更好的模擬真實廢水中的情況，配水中還加入了生物膜生長所需的微量元素。

1.2微電極測試系統

圖2微電極測試系統示意

微電極測試系統示意如圖2所示。

2結果與討論

2.1生物膜厚度變化情況

生物膜生長實驗持續45d，在生物膜生長過程中，對于每套系統，期間定期取出生物膜樣品，通過微電極測定每個PVC膜片上生物膜的厚度，得到不同時期生物膜的厚度.測定結果如圖3所示。

圖3不同剪切力下生物膜厚度隨時間的變化

在不同的水力條件下，生物膜厚度的變化都有著相似的規律.首先，生物膜厚度的增長在15～25d內達到最大值，表明在這一階段生物膜的生長速率大于脫落速率.在厚度達到最大之后的5～10d左右，由于生物膜厚度的生長，使得脫落速率不斷增大而大于生長速率，因而生物膜厚度出現了一定程度的減小.最終，當生物膜的生長速率與脫落速率逐漸達到平衡，生物膜的厚度也趨于穩定.在本實驗條件下，1.0，1.5，2.0Pa 3種水力條件下對應的生物膜厚度分別為（2.3±0.1），（1.9±0.1），（1.6±0.1）mm。

不同剪切力條件下生物膜內部氮元素濃度分布情況與規律（一）

不同剪切力條件下生物膜內部氮元素濃度分布情況與規律（二）