隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化程度不時(shí)進(jìn)步，工業(yè)化進(jìn)程不時(shí)推進(jìn)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速開展，城鎮(zhèn)人口數(shù)量不時(shí)增加，污水排放量也日益增大，對(duì)污水處理才能的請(qǐng)求將進(jìn)一步擴(kuò)展，如何處置好生活污水和工業(yè)廢水成為當(dāng)下亟待處理的問題之一。近年來(lái)，城鎮(zhèn)污水處置廠的排放規(guī)范逐步由一級(jí)B向一級(jí)A過渡，關(guān)于現(xiàn)有污水處置廠的提標(biāo)改造勢(shì)在必行。

在污水處置廠提標(biāo)改造過程中，向二級(jí)生物處置單元中投加生物填料，是強(qiáng)化污水二級(jí)生物處置效果的一個(gè)重要手腕。投加填料后，填料作為一種生物載體，能夠使更多的微生物匯集構(gòu)成活性污泥匯集體或生物膜，并附著其上，使系統(tǒng)中同時(shí)存在懸浮生長(zhǎng)和附著生長(zhǎng)的活性污泥，能夠顯著進(jìn)步生物池內(nèi)的生物量，加強(qiáng)污水生物處置系統(tǒng)的抗負(fù)荷沖擊才能，使出水水質(zhì)進(jìn)一步進(jìn)步。

污水處置出水水質(zhì)的穩(wěn)定取決于生物膜內(nèi)部相對(duì)穩(wěn)定的微觀環(huán)境。關(guān)于生物膜來(lái)說(shuō)，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)境的動(dòng)搖發(fā)作較大變化時(shí)，其內(nèi)部微觀環(huán)境能夠堅(jiān)持相對(duì)穩(wěn)定。另一方面，在生物膜所處環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，當(dāng)生物膜內(nèi)微觀環(huán)境發(fā)作惡化時(shí)，因短時(shí)間內(nèi)不會(huì)影響出水水質(zhì)而不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，但在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，生物膜會(huì)逐步崩潰毀壞，招致出水水質(zhì)惡化。

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)生物膜微觀環(huán)境的變化，使生物膜污水處置系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，關(guān)于生物膜微觀特征的研討逐步深化起來(lái)，在此趨向下，能夠更好地認(rèn)識(shí)生物膜的生長(zhǎng)特性、形態(tài)構(gòu)造、傳質(zhì)特性及菌群散布，關(guān)于開發(fā)更適用于工程實(shí)踐的生物填料、控制生物膜生長(zhǎng)及優(yōu)化運(yùn)轉(zhuǎn)條件發(fā)揮了關(guān)鍵作用。近年來(lái)，隨著微電極及相關(guān)技術(shù)的不時(shí)開展，微電極逐步應(yīng)用于污水處置范疇生物膜特性的研討中，經(jīng)過對(duì)生物膜實(shí)行微電極穿刺，能夠測(cè)定生物膜中NH4+、NO2-、NO3-、N2O、pH、DO和ORP等物質(zhì)和指標(biāo)的變化，為深化探求生物膜微觀特征提供有利條件。本文論述生物膜的構(gòu)成過程，微電極的分類與特性，微反響器的樹立，分類引見微電極技術(shù)在生物膜研討中所發(fā)揮的作用，旨在為生物膜系統(tǒng)的深化研討提供參考。

一、生物膜的構(gòu)成過程

基于生物膜的污水處置工藝被普遍應(yīng)用于工業(yè)廢水和生活污水的處置流程中，Cheng等對(duì)已有研討中生物膜構(gòu)成過程剖析以為，生物膜的構(gòu)成過程能夠分為3個(gè)階段，當(dāng)填料投加到生物處置單元后，水中的各種污染物和微生物就會(huì)吸附到填料外表，即生物膜構(gòu)成的第1階段。這局部微生物會(huì)逐步應(yīng)用填料外表和水中的污染物實(shí)行代謝、生長(zhǎng)和繁衍等過程，同時(shí)微生物為了順應(yīng)四周環(huán)境，也會(huì)分泌很多胞外聚合物，在胞外聚合物的聯(lián)合下微生物開端在部分構(gòu)成多層的細(xì)胞匯集體，即是最初較薄的生物膜，這是生物膜構(gòu)成的第2階段。接著生物膜不時(shí)應(yīng)用水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生長(zhǎng)，逐步構(gòu)成形態(tài)構(gòu)造明顯的成熟生物膜，即為生物膜構(gòu)成的第3階段。Walter等于30℃條件下，在長(zhǎng)為20cm、橫斷面為9mm2的玻璃活動(dòng)池中培育生物膜，研討以為生物膜的構(gòu)成還包括一個(gè)動(dòng)態(tài)均衡的階段，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)動(dòng)搖、水力剪切力變化等，會(huì)因基質(zhì)缺乏、吸附力削弱和腐蝕等緣由而零落，同時(shí)水中的微生物也會(huì)再次吸附到已有的生物膜上，并逐步生長(zhǎng)繁衍構(gòu)成新的生物膜。

由于生物膜構(gòu)成過程復(fù)雜，遭到多方面的要素影響，包括溫度、壓力、水力條件和營(yíng)養(yǎng)條件等，所以其形態(tài)構(gòu)造與內(nèi)部微觀環(huán)境也會(huì)變得多種多樣，以微電極為研討手腕研討生物膜構(gòu)成過程中形態(tài)構(gòu)造及內(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)境要素，控制生物膜的生長(zhǎng)，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠防止由于生物膜過量生長(zhǎng)形成梗塞、水質(zhì)水力條件變化形成生物膜流失等許多問題。

二、微電極的分類與特性

隨著科學(xué)技術(shù)的開展，傳感器技術(shù)不時(shí)開展并應(yīng)用于污水處置范疇，在污水處置廠的進(jìn)水口、出水口乃至處置流程中，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都發(fā)揮著不可替代的作用，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)出水水質(zhì)及污水處置效果提供技術(shù)保證。作為微型傳感器的一種，微電極也逐步應(yīng)用于污水生物處置范疇的研討中。

在實(shí)踐應(yīng)用中，通常依據(jù)待測(cè)定的指標(biāo)選擇相應(yīng)的微電極，所以微電極依據(jù)測(cè)定指標(biāo)能夠分為溫度微電極、氧化復(fù)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。離子微電極又能夠依據(jù)待測(cè)離子細(xì)分為NH4+微電極、NO2-微電極和NO3-微電極等。微電極常用的制造辦法為手工拉制玻璃而成，孟千秋等經(jīng)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(lái)測(cè)定生物膜中的硝化反響。

由制造工藝決議，微電極的尖端直徑通常在幾十以至幾μm，可在μm級(jí)的范圍內(nèi)看待測(cè)對(duì)象實(shí)行測(cè)定，所以在測(cè)定生物膜內(nèi)微觀環(huán)境時(shí)不會(huì)毀壞檢測(cè)環(huán)境，且丈量精度和分辨率都很高，檢測(cè)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)條件限制其運(yùn)用壽命有限，離子微電極技術(shù)尚不成熟，壽命通常在7d左右，其他8種微電極制造完成后可在30~180d堅(jiān)持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。微電極體積較小，質(zhì)量輕，操作平安簡(jiǎn)單，在測(cè)定生物膜內(nèi)部微觀環(huán)境時(shí)利于不同品種的微電極之間快速實(shí)行切換，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)行多指標(biāo)的測(cè)定，且便于攜帶，為實(shí)踐污水處置廠的原位丈量提供可能。同時(shí)微電極響應(yīng)時(shí)間快，能夠監(jiān)測(cè)到生物膜內(nèi)部指標(biāo)的霎時(shí)變化。

三、丈量微反響器的樹立

由于微電極反響靈活且檢測(cè)限低，生物膜較薄且易受外界環(huán)境影響，故在經(jīng)過微電極穿刺測(cè)定生物膜內(nèi)各指標(biāo)變化時(shí)需求將待測(cè)生物膜置于微反響器中，提供與原位反響器類似的基質(zhì)，以發(fā)明一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，使待測(cè)生物膜能夠正常實(shí)行生物反響，表現(xiàn)出與原位反響器中相同的特性。

微反響器并不是指體積微小的反響器，而是指為了微電極測(cè)定便當(dāng)而設(shè)立的一個(gè)小型容器。當(dāng)實(shí)行實(shí)驗(yàn)所用原位反響器較大時(shí)，不便當(dāng)直接架設(shè)微電極測(cè)定，就需求將生物膜從原位反響器中取出，放置于單獨(dú)容器中培育并實(shí)行測(cè)定。如表1所示，當(dāng)原位反響器體積較大時(shí)，通常需求單獨(dú)設(shè)立一個(gè)微反響器，當(dāng)原位反響器體積較小時(shí)，能夠直接將原位反響器作為微反響器實(shí)行微電極測(cè)定，也能夠單獨(dú)設(shè)立微反響器。

Chae等在研討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)，運(yùn)用NH4+和NO3-微電極實(shí)行穿刺，采用的丈量微反響器為1個(gè)長(zhǎng)方體狀(12cm×7cm×7cm)的容器，其在內(nèi)局部為2個(gè)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域放置待測(cè)生物膜填料，另一個(gè)區(qū)域?qū)嵭衅貧?，以避免曝氣時(shí)氣泡擾動(dòng)關(guān)于穿刺過程的影響。Nielsen等在研討完整自養(yǎng)脫氮工藝生物膜中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和微生物的散布時(shí)，應(yīng)用NO2-微電極和溶解氧微電極對(duì)生物膜實(shí)行穿刺，樹立的微反響器由別離的兩局部構(gòu)成，中間容器用于投加反響基質(zhì)，同時(shí)曝氣提供溶解氧，混合平均后，中間容器中的基質(zhì)經(jīng)過爬動(dòng)泵進(jìn)入丈量室，泵管處纏繞加熱線圈，丈量室出水分為上下兩路經(jīng)由爬動(dòng)泵返回中間容器，經(jīng)過爬動(dòng)泵調(diào)理下路水流流量大于上路水流流量以在丈量室中構(gòu)成下向流，使待測(cè)生物膜能夠固定在支撐尼龍網(wǎng)上。這種安裝將丈量微反響器分紅丈量室和中間容器兩局部，可有效防止中間容器中曝氣及基質(zhì)投加產(chǎn)生的擾動(dòng)關(guān)于丈量室微觀環(huán)境的影響。丈量室中的水流也能夠調(diào)理為上向流以使生物膜懸浮，Li等在研討活性污泥匯集體中的微觀環(huán)境時(shí)，應(yīng)用pH、DO、ORP、NH4+和NO3-微電極實(shí)行穿刺，采用上向流丈量室，中間容器的水從丈量室下方進(jìn)入，經(jīng)過調(diào)理針形閥控制進(jìn)水流量，丈量室中水流經(jīng)過尼龍網(wǎng)后能夠構(gòu)成均一穩(wěn)定的上向流，以使活性污泥匯集體穩(wěn)定懸浮于上向流中，便于對(duì)其實(shí)行穿刺。這種固定方式能夠使微電極穿透整個(gè)活性污泥匯集體，以研討整個(gè)污泥匯集體與其四周環(huán)境整體的狀態(tài)。

為了讓生物膜可以在微反響器中到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，需求將取出的生物膜置于微反響器中，并為其提供適合的條件培育一段時(shí)間。lv等在應(yīng)用NH4+、NO2-、NO3-和pH微電極穿刺研討生物轉(zhuǎn)盤中厭氧氨氧化生物膜內(nèi)的氮素轉(zhuǎn)化時(shí)，將生物膜取出后置于活動(dòng)池反響器中培育2h，以使生物膜順應(yīng)丈量環(huán)境。在研討非穩(wěn)態(tài)下生物膜的性質(zhì)時(shí)，可采用單一微反響器來(lái)實(shí)行生物膜的穿刺，Wang等在研討非穩(wěn)態(tài)生物膜中氧氣的擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，采用可升降的單一微反響器作為待測(cè)生物膜的載體，使生物膜能夠交替處于空氣中和水中。

由于微電極尖端尺寸為微米級(jí)，在測(cè)定某些指標(biāo)時(shí)，單靠肉眼無(wú)法肯定微電極能否與生物膜外表接觸，F(xiàn)an等在應(yīng)用微電極穿刺測(cè)定生物膜中溶解氧的遷移時(shí)，為微反響器裝備了平面式顯微鏡輔助察看，以肯定生物膜與液相的接壤面。

四、微電極的應(yīng)用

4.1用微電極肯定生物膜的形態(tài)構(gòu)造

生物膜的構(gòu)成環(huán)境復(fù)雜多變，其三維形態(tài)構(gòu)造也因遭到外界水力條件和水質(zhì)動(dòng)搖的影響而呈現(xiàn)各向異性。能夠根據(jù)微電極測(cè)定生物膜中的指標(biāo)變化，對(duì)其三維構(gòu)造實(shí)行揣測(cè)。

4.1.1生物膜一維形態(tài)構(gòu)造確實(shí)定

生物膜的一維形態(tài)構(gòu)造主要指生物膜的密度和各分層的厚度，由于生物膜生長(zhǎng)的不平均性及載體外表性質(zhì)的多樣性，因而，生物膜載體外表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)有所差別。不同厚度和密度的生物膜，在處置污水的實(shí)踐運(yùn)轉(zhuǎn)中所表現(xiàn)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(nèi)部浸透的過程，在生物膜密度一定的狀況下，較厚的生物膜傳質(zhì)速率要低于較薄的生物膜。能夠經(jīng)過微電極穿刺測(cè)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，依據(jù)質(zhì)量濃度曲線呈現(xiàn)的拐點(diǎn)之間的穿刺深度及曲線的斜率大小肯定生物膜的厚度并比擬生物膜的密度。

在運(yùn)用微電極實(shí)行穿刺時(shí)，需求對(duì)生物膜的厚度實(shí)行預(yù)估，選擇恰當(dāng)尖端直徑的微電極及微電極挪動(dòng)的步長(zhǎng)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，較大的穿刺深度也能夠選擇小尖端直徑的微電極。微電極挪動(dòng)步長(zhǎng)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。

在污水處置系統(tǒng)中，可依據(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。不同品種生物膜中的菌群構(gòu)造也不一樣，關(guān)于底物的應(yīng)用及代謝產(chǎn)物也會(huì)有差別。溶解氧在生物膜中的浸透與耗費(fèi)在脫氮過程中發(fā)揮著重要作用，過高的溶解氧浸透阻力會(huì)使溶解氧無(wú)法深化到生物膜內(nèi)部，硝化反響不能更好地實(shí)行，而過低的溶解氧浸透阻力會(huì)使溶解氧在生物膜中的浸透深渡過大，影響缺氧環(huán)境，使反硝無(wú)法實(shí)行。在微電極穿刺過程中，由于好氧層中生長(zhǎng)了大量的硝化細(xì)菌，所以當(dāng)微電極接觸到好氧層邊境時(shí)，溶解氧會(huì)有一個(gè)明顯的降低，隨著好氧層深度的加深，溶解氧逐步被微生物耗費(fèi)，并最終降低為零，此時(shí)微電極的穿刺深度能夠以為是好氧層的厚度。這里的好氧層厚度指的是在相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下測(cè)定的結(jié)果，此時(shí)環(huán)境中溶解氧相對(duì)穩(wěn)定，所以在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，溶解氧在生物膜中可以浸透的深度也根本堅(jiān)持不變。但實(shí)踐上，好氧層的厚度并不是一個(gè)定值，Cao等在探究生物膜系統(tǒng)中同步硝化反硝化最優(yōu)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件時(shí)，著重研討不同溶解氧質(zhì)量濃度關(guān)于生物膜中好氧層厚度的影響，結(jié)果標(biāo)明，隨著溶解氧的進(jìn)步，生物膜中的溶解氧質(zhì)量濃度也逐步進(jìn)步，溶解氧浸透的深度也會(huì)逐步加大，生物膜中好氧層的厚度也會(huì)逐步增大，好氧層在生物膜中所占的比例會(huì)逐步增加，硝化速率也隨之發(fā)作變化，進(jìn)而影響底物氨氮的耗費(fèi)和產(chǎn)物硝態(tài)氮的生成。

除了溶解氧之外，也能夠經(jīng)過微電極穿刺測(cè)定其他指標(biāo)將生物膜實(shí)行分層。Wen等在研討一體化厭氧氨氧化工藝處置渣滓滲濾液時(shí)，通微電極穿刺測(cè)定填料不同深度生物膜的氧化復(fù)原電位，在溶解氧為2.7mg/L時(shí)，生物膜外表的氧化復(fù)原電位為-2.8mV，在深度為4mm的生物膜處，氧化復(fù)原電位降落至-166.8mV，并在深度為5mm時(shí)降低至-195.7mV，據(jù)此可將生物膜深度為4mm左近認(rèn)定為缺氧層生物膜，將5mm深度左近認(rèn)定為厭氧層生物膜，分別合適于氨氧化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌發(fā)揮功用。

依據(jù)微電極穿刺測(cè)定指標(biāo)曲線的斜率能夠比擬生物膜大致的密度，相同厚度的生物膜，指標(biāo)變化大的生物膜密度通常較大。也可經(jīng)過生物膜內(nèi)物質(zhì)的浸透深度比擬生物膜密度，F(xiàn)eng等在研討硝化生物膜時(shí)，經(jīng)過比擬溶解氧在硝化生物膜內(nèi)遷移的間隔來(lái)比擬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)構(gòu)造確實(shí)定

生物膜的二維形態(tài)構(gòu)造指的是生物膜某一剖面的狀態(tài)，由于生物膜的各向異性，因而生物膜剖面并不是一個(gè)完好的連續(xù)平面構(gòu)造，而存在缺失或者密度上有差別。生物膜二維形態(tài)構(gòu)造確實(shí)定需求實(shí)行屢次微電極一維穿刺才能夠肯定。

生物膜的三維形態(tài)構(gòu)造指的是生物膜在空間上的構(gòu)造，固然生物膜外表潤(rùn)滑，但生物膜并不是形態(tài)規(guī)整密度均一的實(shí)體，這關(guān)于生物膜中物質(zhì)的擴(kuò)散傳質(zhì)速率會(huì)產(chǎn)生不同的影響。所以肯定生物膜的三維構(gòu)造能夠在一定水平上解釋生物膜污水處置系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中某些宏觀效果。生物膜的三維形態(tài)構(gòu)造能夠經(jīng)過穿刺定生物膜外表平均散布位點(diǎn)，由穿刺測(cè)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)散速率和耗費(fèi)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程度和變化趨向亦不相同，能夠經(jīng)過應(yīng)用溶解氧微電極穿刺生物膜，依據(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肯定生物膜的三維構(gòu)造，將生物膜的構(gòu)造分為3類：當(dāng)溶解氧曲線為平滑曲線時(shí)，生物膜內(nèi)部為密實(shí)均一的實(shí)體，當(dāng)溶解氧曲線呈現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)時(shí)，生物膜內(nèi)部存在一個(gè)孤立的中空孔洞，當(dāng)溶解氧曲線在降落過程中忽然凸起成峰時(shí)，生物膜內(nèi)部存在于外界液相相連的通道。Chae等在應(yīng)用微電極穿刺硝化生物膜時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氨氮微電極穿刺至生物膜外表以下1.2mm時(shí)，氨氮質(zhì)量濃度降低至0.9mg/L，當(dāng)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)量濃度分歧，質(zhì)量濃度變化曲線構(gòu)成一個(gè)峰，同時(shí)依據(jù)反響器中水力條件揣測(cè)是由于生物膜在構(gòu)成過程中由于水流沖擊招致生物膜未生長(zhǎng)平均構(gòu)成孔洞，外界液相直接滲入招致該現(xiàn)象的呈現(xiàn)。

4.2應(yīng)用微電極肯定活性污泥匯集體中物質(zhì)的散布、遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律

微生物由本身分泌的有機(jī)聚合物包裹后構(gòu)成活性污泥匯集體，當(dāng)匯集體附著于固體外表時(shí)就稱之為生物膜。生物膜成熟后會(huì)發(fā)作生物膜零落現(xiàn)象，有研討標(biāo)明，生物膜構(gòu)成后隨著微生物在外表的生長(zhǎng)也會(huì)有污泥顆粒零落。由于生物膜形態(tài)構(gòu)造不同，因而，各種污染物在生物膜中的散布也不盡相同，隨著生物反響的實(shí)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(huì)發(fā)作轉(zhuǎn)化，故而質(zhì)量濃度也會(huì)發(fā)作變化，能夠經(jīng)過微電極穿刺直接肯定生物膜中的物質(zhì)散布、監(jiān)測(cè)污染物遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律以更好地解析生物膜。

4.2.1肯定污泥匯集體中物質(zhì)的散布

能夠經(jīng)過微電極穿刺測(cè)定生物膜某一點(diǎn)在深度方向上的物質(zhì)散布和顆粒污泥從外表到中心徑向上的物質(zhì)散布。Han等對(duì)某實(shí)踐污水處置廠奧貝爾氧化溝中粒徑小于250μm的顆粒污泥實(shí)行微電極穿刺，測(cè)定顆粒徑向從外表到中心的溶解氧、氨氮和硝氮散布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒徑大于100μm時(shí)，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(shí)，各指標(biāo)質(zhì)量濃度根本不變，以為不同的物質(zhì)散布也代表著不同粒徑范圍的顆粒污泥，影響著功用菌的散布，各粒徑范圍顆粒污泥數(shù)量的相對(duì)穩(wěn)定關(guān)于污水中多種污染物的結(jié)合去除發(fā)揮著重要的作用。Zhou等在研討短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化處置模仿高氨氮廢水時(shí)，應(yīng)用溶解氧微電極穿刺聚氨酯海綿填料小塊，依據(jù)溶解氧在深度方向上質(zhì)量濃度變化曲線，將800μm的生物膜分紅好氧層、缺氧層和厭氧層，并以此為根底樹立生物膜中氮素及碳素的去除機(jī)制。

污泥匯集體中物質(zhì)的一維變化缺乏以反映匯集體整體的狀況，所以有時(shí)需求進(jìn)一步測(cè)定某物質(zhì)在生物膜中的三維散布。Rosa等研討生物轉(zhuǎn)盤去除有機(jī)物過程時(shí)生善于高密度聚乙烯載體上生物膜中不同深度的溶解氧散布，在1000μm×1000μm的生物膜區(qū)域上，平均測(cè)定100個(gè)點(diǎn)在生物膜外表680μm、生物膜外表和生物膜外表以下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)“口袋式冶的散布，進(jìn)一步闡明生物膜中微生物散布的不均一性。Tang等在研討一種新型生物填料時(shí)，用溶解氧微電極對(duì)填料外表生物膜實(shí)行穿刺，得到填料外表不同位置生物膜深度方向上溶解氧的散布，結(jié)果闡明此種半懸浮生物填料不同位置構(gòu)成的生物膜中溶解氧含量不同，即在同一填料的不同位置能夠分別構(gòu)成好氧生物膜和厭氧生物膜，此種填料有利于豐厚微生物群體的生物多樣性。

4.2.2肯定污泥匯集體中物質(zhì)的遷移

在污水生物膜處置系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，污染物在生物膜內(nèi)經(jīng)過各種生物反響被去除或者轉(zhuǎn)化，能夠經(jīng)過微電極穿刺，在一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)生物膜某位置深度方向上物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，來(lái)揣測(cè)生物膜的構(gòu)造與菌群散布。Schramm等在研討附著生善于硅樹脂膜外表生物膜中硝化菌的散布時(shí)，結(jié)合運(yùn)用NH4+、NO2-、NO3-、DO和pH微電極對(duì)生物膜實(shí)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(shí)，溶解氧能夠浸透到間隔硅樹脂膜外表150~250μm處，在該范圍內(nèi)，pH也從7.8降低至6.4，氨氮?jiǎng)t一直控制在15~20mmol/L，硝態(tài)氮從靠近硅樹脂膜的(389±157)μmol/L降低至生物膜外表的(77±38)μmol/L，亞硝態(tài)氮從靠近硅樹脂膜的(842±465)μmol/L降低至生物膜外表的(356±96)μmol/L，以為在靠近硅樹脂膜外表位置，主要發(fā)作硝化反響，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，并逐步向生物膜外表方向擴(kuò)散遷移，由于溶解氧被靠近硅樹脂膜的硝化細(xì)菌應(yīng)用，因而在亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮向外遷移時(shí)，會(huì)逐步被反硝化菌應(yīng)用，故而可由亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮在向外遷移時(shí)的變化肯定好氧層生物膜和缺氧層生物膜。Feng等經(jīng)過溶解氧和硝態(tài)氮微電極穿刺挪動(dòng)床生物膜反響器中不同密度的生物膜時(shí)，發(fā)現(xiàn)溶解氧和硝態(tài)氮在生物膜中的遷移間隔與生物膜密度有關(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肯定污泥匯集體中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化

在污水生物膜工藝處置過程中，觸及到含碳、氮、硫等元素物質(zhì)之間的復(fù)雜轉(zhuǎn)化。在脫氮過程中，硝化反響能夠?qū)钡D(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，反硝化反響能夠?qū)⑾鯌B(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓谶@些過程中不可防止地會(huì)有很多中間產(chǎn)物產(chǎn)生，間接地也會(huì)惹起生物膜微觀環(huán)境中氧化復(fù)原電位及pH的變化。好氧生物膜內(nèi)溶解氧散布不均和缺氧生物膜內(nèi)溶解氧較高會(huì)惹起氧化亞氮或一氧化氮的釋放，這些物質(zhì)可能只是霎時(shí)產(chǎn)生并逸出反響器，并不會(huì)積聚，但是關(guān)于污水生物膜處置系統(tǒng)的氮均衡來(lái)說(shuō)卻不容無(wú)視。能夠經(jīng)過微電極測(cè)定氧化復(fù)原電位和pH的變化來(lái)間接揣測(cè)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，也能夠直接經(jīng)過微電極測(cè)定這些物質(zhì)的變化。Schreiber等在研討生物膜中一氧化氮和氧化亞氮霎時(shí)產(chǎn)活力制時(shí)，應(yīng)用微電極穿刺測(cè)定一氧化氮和氧化亞氮，并分離溶解氧微電極穿刺結(jié)果實(shí)行剖析，以為溶解氧是決議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等在研討完整自養(yǎng)脫氮工藝中活性污泥匯集體微斷面時(shí)，應(yīng)用微電極穿刺測(cè)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(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，分離pH從7.4降低至7.1，以為此層生物膜主要發(fā)作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(shí)被耗費(fèi)，pH和硝態(tài)氮都有升高，溶解氧維持在較低程度，以此作為厭氧氨氧化現(xiàn)象的根據(jù)。

五、微電極與其他技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用

隨著科技的進(jìn)步，微電極作為一種檢測(cè)手腕，越來(lái)越多地與其他技術(shù)相分離，共同為污水生物處置過程中呈現(xiàn)的現(xiàn)象提供根據(jù)。

5.1微電極與定量PCR技術(shù)相分離

經(jīng)過微電極穿刺得到生物膜中的物質(zhì)散布后，能夠據(jù)此揣測(cè)生物膜不同分層中所發(fā)作的生物反響。經(jīng)過定量PCR技術(shù)技術(shù)對(duì)特定分層生物膜中細(xì)菌的功用基因?qū)嵭袛U(kuò)增定量，可進(jìn)一步考證揣測(cè)的精確性。Kinh等在比照膜曝氣生物膜反響器和傳統(tǒng)生物膜反響器同步硝化反硝化過程中氧化亞氮的釋放時(shí)，經(jīng)過運(yùn)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，并以此為根底依據(jù)菲克第二擴(kuò)散定律預(yù)算單位生物膜體積氧化亞氮凈產(chǎn)生量與耗費(fèi)量，以為關(guān)于膜曝氣生物膜反響器來(lái)說(shuō)，生物膜底部的200μm范圍內(nèi)是氧化亞氮主要產(chǎn)生區(qū)域，而關(guān)于傳統(tǒng)生物膜反響器來(lái)說(shuō)則是最外層的200μm范圍。為考證此揣測(cè)，進(jìn)一步經(jīng)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(duì)amoA、nirK、nirS和nosZ功用基因?qū)嵭卸縋CR技術(shù)擴(kuò)增考證此揣測(cè)。

5.2微電極與熒光原位雜交技術(shù)和激光共聚焦技術(shù)相分離

經(jīng)過微電極測(cè)定出生物膜中物質(zhì)的散布后，可進(jìn)一步揣測(cè)不同層中功用菌的散布。熒光原位雜交技術(shù)和激光共聚焦技術(shù)(confocallaserscanningmicroscopy，CLSM)經(jīng)常用于肯定活性污泥匯集體中各菌種的散布。Vazquez-Padin等在研討完整自養(yǎng)脫氮工藝中顆粒的菌群散布時(shí)，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)果比擬發(fā)現(xiàn)，溶解氧與亞硝在顆粒剖面的散布與氨氧化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌的散布分歧。Li等在研討顆粒污泥中菌群和EPS散布與溶解氧傳送速率時(shí)，將溶解氧微觀質(zhì)量濃度曲線和激光共聚焦分離，以為顆粒在徑向能夠分為3層，第1層為顆粒外表，厚度在150~350μm，其中的異養(yǎng)菌擔(dān)任有機(jī)物的去除，第2層由自養(yǎng)菌構(gòu)成，厚度在250~450μm，主要擔(dān)任氨氮的去除，第3層為顆粒中心，由無(wú)機(jī)物構(gòu)成，呈多孔道的形態(tài)。

六、總結(jié)與瞻望

基于生物膜的污水生物處置工藝同單純絮體方式的活性污泥法相比在持留生物量和抵御負(fù)荷沖擊方面有著不容無(wú)視的優(yōu)勢(shì)，工藝在長(zhǎng)期處置中的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)與生物膜的微觀環(huán)境變化息息相關(guān)，如圖1所示，經(jīng)過微電極能夠快捷而又精確地監(jiān)測(cè)生物膜微觀環(huán)境的變化，輔之以其他技術(shù)手腕能夠更好地解析生物膜中功用菌群的散布，促進(jìn)生物膜載體的改進(jìn)與工藝的設(shè)計(jì)優(yōu)化，微電極在生物膜研討中的應(yīng)用也將越來(lái)越普遍，但仍有缺乏，以下幾個(gè)方面將會(huì)是將來(lái)的開展方向：

1)由于好氧生物反響是生物脫氮除磷過程的必經(jīng)之路，因而，現(xiàn)有研討主要集中在基于溶解氧微電極解析好氧生物膜，而對(duì)厭缺氧生物膜的研討較少。隨著厭氧氨氧化的應(yīng)用推行和以污泥發(fā)酵為中心的污泥污水結(jié)合處置工藝的興起，經(jīng)過pH、離子、硫化氫和氫氣微電極對(duì)厭缺氧生物膜的解析不容無(wú)視。

2)在污水處置生物反響中，觸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造技術(shù)尚不成熟，招致離子微電極壽命較短，測(cè)定本錢較大，因而，優(yōu)化離子電極的制造過程，進(jìn)步運(yùn)用壽命顯得尤為重要。

3)應(yīng)用微電極解析生物膜現(xiàn)多集中于解析生物膜本身，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，因而，同時(shí)監(jiān)測(cè)液相及液相和生物膜接壤處的指標(biāo)變化，并結(jié)合生物膜內(nèi)的指標(biāo)變化樹立數(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。