微电极在污水生物膜处理中的应用

随着我国城市化水平的不断提高，工业化的不断推进，国民经济的快速发展，城市人口数量的不断增加，污水排放量的不断增加，对污水处理容量的需求将进一步扩大。如何处理好生活污水和工业废水已成为亟待解决的问题之一。近年来，城市污水处理厂的排放标准逐渐由B级变为A级，因此对现有污水处理厂进行升级改造势在必行。

在污水处理厂达标升级过程中，在二级生物处理单元中加入生物填料是强化污水二级生物处理效果的重要手段。投加填料后，填料作为生物载体，可使更多的微生物聚集形成活性污泥聚集体或生物膜，并附着其上，使系统中既有悬浮活性污泥，又有附着活性污泥，可显著增加生物池中的生物量，增强污水生物处理系统的负荷抗冲击能力，进一步改善出水水质。

污水处理出水水质的稳定取决于生物膜内部相对稳定的微环境。对于生物膜来说，一方面，当其水质和水力条件随着进水和外界环境的波动而发生较大变化时，其内部微环境能够保持相对稳定。另一方面，当生物膜环境相对稳定时，当生物膜内部微环境恶化时，由于短时间内不会影响出水水质，所以不会被发现，但在长期运行过程中，生物膜会逐渐解体破坏，导致出水水质恶化。

为了及时发现生物膜微环境的变化，保持生物膜污水处理系统处于稳定的运行状态，对生物膜微观特性的研究逐渐深入。在这种趋势下，我们可以更好地了解生物膜的生长特性、形态结构、传质特性和菌群分布，这对开发更适合工程实践的生物填料、控制生物膜生长和优化运行条件具有关键作用。近年来，随着微电极及相关技术的不断发展，微电极逐渐应用于污水处理领域的生物膜特性研究。通过微电极穿刺生物膜，可以测定生物膜中NH4+、NO2-、NO3-、N2O、pH、DO、ORP等物质和指标的变化，为进一步探索生物膜的微观特征提供了有利条件。本文阐述了生物膜的形成过程、微电极的分类和特点、微反应器的建立以及微电极技术在生物膜研究中的作用，旨在为生物膜系统的进一步研究提供参考。

一、生物膜的形成过程

生物膜法污水处理广泛应用于工业废水和生活污水的处理过程中。程等对现有研究中的生物膜形成过程进行了分析，认为生物膜形成过程可分为三个阶段。当生物处理单元中加入填料时，水中的各种污染物和微生物会吸附在填料表面，这是生物膜形成的第一阶段。这部分微生物会逐渐利用填料表面的污染物和水进行代谢、生长和繁殖。同时，为了适应周围的环境，微生物也会分泌大量的胞外聚合物。在胞外聚合物的连接下，微生物开始局部形成多层细胞聚集体，即开始时相对较薄的生物膜，这是生物膜形成的第二阶段。然后生物膜利用水中的营养物质不断生长，逐渐形成形态结构明显的成熟生物膜，这是生物膜形成的第三阶段。在沃尔特等于30℃的条件下，生物膜在一个长20cm、横截面为9mm2的玻璃流动池中培养。研究表明，生物膜的形成还包括一个动态平衡阶段，即在外界环境变化的影响下，如进水水质的波动、水力剪切力的变化等。，成熟的生物膜会因基质缺乏、吸附力减弱、腐蚀而脱落。同时，水中的微生物会重新吸附到已有的生物膜上，并逐渐生长繁殖，形成新的生物膜。

由于生物膜形成过程复杂，受多种因素影响，包括温度、压力、水力条件和营养条件，其形态结构和内部微环境也会变得多样。以微电极为研究手段，研究生物膜形成过程中形态结构和内部微环境的变化与外部环境条件变化之间的规律，便于人们直接控制环境因素，控制生物膜的生长，优化系统的运行，避免生物膜过度生长造成的堵塞、水质和水力条件变化造成的生物膜流失等诸多问题。

二。微电极的分类和特性

随着科学技术的发展，传感器技术在污水处理领域得到了不断的发展和应用。在污水处理厂的进水、出水乃至处理过程中，在线监测系统发挥着不可替代的作用，为实时监测水质和污水处理效果提供了技术保障。微电极作为一种微型传感器，逐渐应用于污水生物处理的研究。

在实际应用中，一般根据待测指标来选择微电极，因此根据测量指标可将微电极分为温度微电极、氧化还原微电极、pH微电极、一氧化氮微电极、一氧化二氮微电极、氢气微电极、硫化氢微电极、氧气微电极和离子微电极。根据待测离子的不同，微电极可细分为NH4+微电极、NO2-微电极和NO3-微电极。制作微电极常用的方法是手工画玻璃。孟等人通过拉制玻璃毛细管、硅烷化、固定、填充液膜、涂敷等方法制备了NH4+微电极、微电极和NO3-微电极。测量生物膜中的硝化作用。

根据制造工艺的不同，微电极的尖端直径一般为几十甚至几个微米，待测物体可以在微米范围内进行测量，因此在测量生物膜内微环境时不会破坏检测环境，测量精度和分辨率都很高，检测限为10-6mol/L，但其机械强度很低，容易被损坏。由于技术条件限制，微电极的使用寿命有限，离子微电极技术尚未成熟。微电极的使用寿命一般在7天左右，其他8个微电极在30~180d后仍能保持相对稳定。该微电极体积小、重量轻、操作安全简单，有利于测量生物膜内部微环境时不同微电极之间的快速切换，可在短时间内进行多指标测量，且便于携带，为实际污水处理工厂的原位测量提供了可能。同时，微电极响应时间快，可以监测生物膜内部指标的瞬时变化。

3.测量微反应器的建立

由于微电极反应灵敏，检测限低，生物膜薄，易受外界环境影响，需要将待测生物膜置于微反应器中，提供类似于原位反应器的基底，以创造相对稳定的环境，使待测生物膜能够正常进行生物反应，表现出与原位反应器相同的特性。

微反应器不是指小反应器，而是为了方便微电极测量而设置的小容器。当实验所用的原位反应器较大时，不方便直接架设微电极进行测量，需要将生物膜从原位反应器中取出，置于单独的容器中进行培养和测量。如表1所示，当原位反应器的体积较大时，通常需要设置单独的微反应器。当原位反应器体积较小时，可直接作为微电极测量的微反应器，也可单独设置微反应器。

Chae等人在研究生物填料上硝化生物膜中离子质量浓度梯度与生物膜深度的关系时，使用了NH4+和NO3-微电极进行穿刺。所用的测量微反应器是一个长方体(12cm×7cm×7cm)容器，分为两个区域。一个区域填充待测试的生物膜填料，另一个区域曝气以防止气泡扰动对穿刺过程的影响。Nielsen等人在研究完全自养反硝化过程生物膜中的物质转化和微生物分布时，使用了NO2-微电极和溶解氧微电极刺穿生物膜。微反应器由两个独立的部分组成，中间容器用于添加反应基质，溶解氧通过曝气提供。混合均匀后，中间容器中的基质通过蠕动泵进入测量室，加热线圈缠绕在泵管上。来自测量室的流出物被分成上部和下部路径，并通过蠕动泵返回到中间容器。用蠕动泵调节下路流速大于上路流速，在测量室内形成向下流动，使待测生物膜固定在支撑尼龙网上。该装置将测量微反应器分为测量室和中间容器两部分，可以有效避免中间容器内曝气和底物添加引起的扰动对测量室微环境的影响。测量室中的水流也可以调整为向上流动，以悬浮生物膜。李等用pH、DO、ORP、NH4+和NO3-微电极击穿活性污泥聚集体的微环境，采用了上流式测量室。中间容器中的水从测量室的下部进入，通过调节针阀来控制流入速率。计量室内的水通过尼龙网后能形成均匀稳定的向上流动，使活性污泥聚集体能稳定地悬浮在上面。这种固定方法可以使微电极穿透整个活性污泥聚集体，从而研究整个污泥聚集体及其周围环境的整体状态。

为了使生物膜在微反应器中达到稳定状态，需要将去除的生物膜放置在微反应器中，并为其培养一段时间提供合适的条件。吕等。用NH4+、NO2-、NO3-和pH微电极穿刺研究生物转盘中厌氧氨氧化生物膜中氮转化时，取出生物膜，放入流池反应器中2小时，使生物膜适应测量环境。当研究非稳态下生物膜的特性时，可以使用单个微反应器刺穿生物膜。王等在研究氧在非稳态生物膜中的扩散系数时，采用单个可升降的微反应器作为待测生物膜的载体，使生物膜在空气和水中交替。

由于微电极的尖端是微米级的，在测量一些指标时，无法用肉眼确定微电极是否与生物膜表面接触。范等在利用微电极穿刺法测量生物膜中溶解氧的迁移时，为微反应器配备了立体显微镜，以观察生物膜与液相的界面。

四。微电极的应用

4.1用微电极测定生物膜的形态结构。

生物膜的形成环境复杂多变，受外界水力条件和水质波动的影响，其三维形态结构具有各向异性。根据微电极测量的指标变化可以推断生物膜的三维结构。

4.1.1生物膜一维形态结构的测定

生物膜的一维形态结构主要指生物膜的密度和各层的厚度。由于生物膜生长的不均匀性和载体表面性质的多样性，载体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会不同。不同厚度和密度的生物膜在污水处理的实际运行中会表现出不同的特性。生物膜的厚度和密度会影响基质从液相渗入生物膜的过程。当生物膜密度一定时，较厚的生物膜的传质速率低于较薄的生物膜。通过微电极穿刺可以测量生物膜深度方向上特征物质的质量浓度变化，根据质量浓度曲线拐点之间的穿刺深度和曲线的斜率可以确定生物膜的厚度和比较生物膜的密度。

使用微电极穿刺时，需要估计生物膜的厚度，选择合适的针尖直径和微电极移动的步长值的微电极。如表2所示，随着穿刺深度的增加，微电极的尖端直径也随之增加，也可以选择尖端直径小的微电极来获得更大的穿刺深度。微电极移动步长的选择也应该类似于或大于微电极尖端的直径。

在污水处理系统中，根据生物膜中溶解氧的质量浓度，生物膜可分为好氧生物膜、缺氧生物膜和厌氧生物膜。不同种类的生物膜具有不同的菌群结构，对底物和代谢产物的利用也不同。生物膜中溶解氧的渗透和消耗在反硝化过程中起着重要的作用。过高的溶解氧渗透阻力会使溶解氧无法渗透到生物膜中，硝化作用无法更好地进行，而过低的溶解氧渗透阻力会使生物膜中溶解氧的渗透深度过大，影响缺氧环境，阻碍反硝化作用。在微电极穿刺的过程中，好氧层中生长着大量的硝化细菌，所以当微电极接触到好氧层的边界时，溶解氧会明显降低。随着好氧层深度的加深，溶解氧会逐渐被微生物消耗，最终降至零。此时，微电极的穿刺深度可以认为是有氧层的厚度。这里，好氧层的厚度是指在相对稳定的操作条件下的测量结果。此时环境中的溶解氧相对稳定，因此在长期运行过程中，溶解氧在生物膜中的渗透深度基本保持不变。但实际上，好氧层的厚度并不是一个恒定值。曹等在探索生物膜系统同步硝化反硝化的较好运行条件时，重点研究了不同溶解氧浓度对生物膜好氧层厚度的影响。结果表明，随着溶解氧的增加，生物膜中的溶解氧浓度逐渐增加，溶解氧的穿透深度逐渐增加，生物膜中好氧层的厚度逐渐增加，生物膜中好氧层的比例逐渐增加，硝化速率也发生变化，从而影响。

除溶解氧外，其他指标可通过微电极穿刺测量，对生物膜进行分层。文等在研究一体化厌氧氨氧化工艺处理垃圾渗滤液时，采用微电极穿刺法测定了不同填料深度下生物膜的氧化还原电位。当溶解氧为2.7mg/L时，生物膜表面的氧化还原电位为-2.8mV，在深度为4mm处下降到-166.8mV，在深度为5mm处下降到-195.7mV，据此，深度为4mm的生物膜可鉴定为缺氧生物膜，深度为5mm的生物膜可鉴定为厌氧生物膜，分别适合氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌发挥作用。

根据微电极穿刺测得的指数曲线的斜率，可以比较生物膜的大致密度。厚度相同、指数变化较大的生物膜密度一般较高。生物膜的密度也可以通过生物膜中物质的渗透深度来比较。冯等通过比较硝化生物膜中溶解氧的迁移距离，比较了不同填充比下硝化生物膜的密度。

4 . 1 . 2 2D和生物膜三维形态结构的测定

生物膜的二维形态结构是指生物膜某一截面的状态。由于生物膜的各向异性，生物膜的截面不是完整连续的平面结构，而是存在一些缺陷或密度差异。生物膜二维形态和结构的确定只能通过微电极的多次一维穿刺来确定。

生物膜的三维形态结构是指生物膜的空间结构。虽然生物膜表面光滑，但生物膜并不是形态密度均匀的实体，对生物膜内物质的扩散和传质速率会产生不同的影响。因此，确定生物膜的三维结构可以在一定程度上解释生物膜污水处理系统运行中的一些宏观效应。通过穿刺生物膜表面均匀分布的位点，可以确定生物膜的三维形态结构，通过穿刺指标质量浓度和深度数据，可以得到相应的曲面。宁等提出，由于生物膜不同位置溶解氧的扩散速率和消耗速率不同，在微电极穿刺过程中，生物膜不同位置的溶解氧水平和变化趋势也不同。利用溶解氧微电极穿刺生物膜，根据溶解氧微电极一维穿刺得到的不同位置的溶解氧浓度绘制曲线，可以确定生物膜的三维结构。生物膜的结构可分为三类:当溶解氧曲线平滑时，生物膜内部致密均匀；当溶解氧曲线有平台时，生物膜内部有一个孤立的空洞；当溶解氧曲线在下降过程中突然隆起达到峰值时，生物膜内部存在于与外部液相相连的通道中。Chae等人用微电极刺穿硝化生物膜，发现微电极刺穿生物膜表面以下1.2mm时，氨氮质量浓度降至0.9mg/L，微电极刺穿1.8mm深时，氨氮质量浓度升高至1.13mg/L，与生物膜所在液相中氨氮质量浓度一致，质量浓度变化曲线形成峰值。同时，根据反应器内的水力条件，推测生物膜在形成过程中，由于水流的冲击，生物膜生长不均匀，形成孔洞。

4.2使用微电极测定活性污泥聚集体中物质的分布、迁移和转化。

活性污泥聚集体被微生物分泌的有机聚合物包裹后形成。当聚集体粘附在固体表面时，它们被称为生物膜。生物膜成熟后，生物膜会脱落。研究表明，生物膜形成后，污泥颗粒会随着表面微生物的生长而脱落。由于生物膜的形态结构不同，各种污染物在生物膜中的分布也不同。随着生物反应的进行，污染物可以在生物膜中扩散和迁移，质量浓度也会因各种底物和中间产物之间的转化而发生变化。通过微电极穿刺可以直接确定生物膜中物质的分布，监测污染物的迁移转化规律，从而更好地分析生物膜。

4.2.1确定污泥聚集体中的物质分布。

通过微电极穿刺可以测量生物膜某一点在深度方向上的物质分布和颗粒污泥在径向上从表面到核心的物质分布。韩等在某实际污水处理厂的奥贝尔氧化沟中刺破粒径小于250μm的颗粒污泥，测量了溶解氧、氨氮和硝态氮沿径向从表面到核心的分布。发现当粒径大于100μm时，各指标的质量浓度在径向上不均匀，而当粒径小于100μm时，各指标的质量浓度基本保持不变。认为不同的物质分布也代表不同粒径的颗粒污泥，从而影响其功能。周等在研究短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化处理模拟高氨氮废水时，采用溶解氧微电极击穿聚氨酯海绵填料块。根据溶解氧浓度沿深度方向的变化曲线，将800μm生物膜分为好氧层、缺氧层和厌氧层，并在此基础上建立了生物膜脱氮除碳的机理。

污泥聚集体中物质的一维变化不能反映聚集体的整体情况，因此有时需要进一步测量生物膜中某一物质的三维分布。Rosa等人研究了生物转盘去除有机物过程中，生长在高密度聚乙烯载体上的生物膜中不同深度的溶解氧(DO)分布。在一个1000μm×1000μm的生物膜区域内，对生物膜表面680μm处和生物膜表面以下680μm处的DO进行100个点的均匀测量。将数据绘制成曲面，发现生物膜同一深度的DO并不相同，而是呈现口袋冶金分布，进一步说明了生物膜中微生物分布的不均一性。唐等利用溶解氧微电极刺穿一种新型生物填料表面的生物膜，获得了填料表面不同位置处生物膜深度方向的溶解氧分布。结果表明，半悬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厌氧生物膜，有利于丰富微生物群落的生物多样性。

4.2.2确定污泥聚集体中物质的迁移。

污水生物膜处理系统运行时，污染物通过生物膜中的各种生物反应被去除或转化。通过微电极穿刺，可以在一段时间内监测生物膜某一位置深度方向上物质的迁移转化规律，推断生物膜的结构和菌群分布。施拉姆等人在研究附着在硅树脂膜表面的生物膜中硝化细菌的分布时，使用了NH4+、NO2-、NO3-、DO和pH微电极穿刺生物膜，得到了不同指标沿生物膜深度方向变化的曲线。结果发现，在第14周，溶解氧可以渗透到离硅树脂膜表面150~250μm处，在此范围内，pH值也从7.8下降到6.4。然后氨氮始终控制在15～20 mmol/L，硝酸盐氮从接近硅膜的(389±157)μm ol/L降低到生物膜表面的(77±38)μm ol/L，亚硝酸盐氮从接近硅膜的(842±465)μm ol/L降低到生物膜表面的(356±96)微米。氨氮在硝化细菌的作用下转化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，并逐渐向生物膜表面扩散迁移。由于溶解氧被靠近硅膜的硝化细菌利用，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮在向外迁移时会逐渐被反硝化细菌利用。因此，好氧生物膜和缺氧生物膜可以通过亚硝酸盐氮和硝酸盐氮向外迁移时的变化来确定。冯等发现溶解氧和硝态氮在生物膜中的迁移距离与生物膜的密度有关，致密的生物膜会限制溶解氧和硝态氮在生物膜中的迁移。

4.2.3确定污泥聚集体中物质的转化。

在污水的生物膜处理过程中，涉及碳、氮、硫等元素之间的复杂转化。在反硝化过程中，硝化作用可以将氨氮转化为硝态氮，反硝化作用可以将硝态氮转化为氮素。在这些过程中，不可避免地会产生许多中间产物，从而间接引起生物膜微环境中氧化还原电位和pH值的变化。好氧生物膜中溶解氧分布不均匀，缺氧生物膜中溶解氧高，会引起氧化亚氮或一氧化氮的释放。这些物质可能只是瞬间产生，从反应器中逸出，不会积累，但对于污水生物膜处理系统的氮平衡来说是不可忽视的。可以通过微电极测量氧化还原电位和pH值的变化来间接估计物质的转化，也可以通过微电极直接测量这些物质的变化。Schreiber等人在研究生物膜中一氧化氮和一氧化二氮的瞬时产生机理时，采用微电极穿刺法测量一氧化氮和一氧化二氮，并对溶解氧微电极穿刺的结果进行分析。他们认为，溶解氧是决定一氧化氮和一氧化二氮是由氨氧化细菌还是异养反硝化细菌产生的关键。吕等。在研究完全自养反硝化过程中活性污泥聚集体的微截面时，采用微电极穿刺法测量了截面不同深度处氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的质量浓度变化。在0～1700微米的深度范围内，溶解氧的质量浓度从4.4毫克/升下降到1.1毫克/升，氨氮从195.8毫克/升下降到132.8毫克/升，亚硝态氮从0.05毫克/升上升到0.09毫克/升，硝态氮从31.1毫克/升上升到32.6毫克/升，结合pH从7.4下降到7.1。认为全程硝化和短程硝化主要发生在这层生物膜上。在1700~3700μm的深度范围内，氨氮和亚硝酸盐氮同时被消耗，pH和硝酸盐氮均有所增加。

动词 （verb的缩写）微电极与其他技术的结合

随着科学技术的进步，微电极作为一种检测手段，越来越多地与其他技术相结合，为污水生物处理中的现象提供依据。

5.1微电极和定量PCR技术的结合

在通过微电极穿刺获得生物膜中的物质分布后，可以推测生物膜不同层中的生物反应。定量PCR技术可用于扩增和定量特定分层生物膜中细菌的功能基因，可进一步验证推测的准确性。Kinh等人在比较膜曝气生物膜反应器和传统生物膜反应器同步硝化反硝化过程中氧化亚氮的释放时，通过氧化亚氮微电极穿刺获得了生物膜不同深度氧化亚氮的质量浓度，并在此基础上根据Fick第二扩散定律估算了单位生物膜体积氧化亚氮的净产生量和消耗量。认为对于膜曝气生物膜反应器，生物膜底部200μm范围是氧化亚氮的主要生成区域，而对于传统生物膜反应器，则是外层200μm范围。为了验证这一假设，采用冰冻切片技术将生物膜纵向切成100μm厚，分别提取基因。amoA、nirK、nirS和nosZ功能基因的定量PCR扩增被用来验证这一假设。

5.2微电极与荧光原位杂交和激光共聚焦技术相结合。

通过微电极测量生物膜中物质的分布，可以进一步推测功能菌在不同层中的分布。荧光原位杂交和激光共聚焦显微镜(CLSM)经常用于确定活性污泥聚集体中细菌的分布。瓦兹奎-帕丁等将溶解氧和亚硝酸盐氮的微电极穿刺结果与荧光原位杂交结果进行对比，发现溶解氧和亚硝酸盐在颗粒剖面中的分布与氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌的分布一致。李等。在研究颗粒污泥中菌群和EPS的分布以及溶解氧的转移速率时，结合溶解氧的微质量浓度曲线和激光共聚焦，认为颗粒在径向上可分为三层。第一层是颗粒表面，厚度为150~350μm，其中异养菌负责去除有机物，第二层由自养菌组成，厚度为250~450μm，主要负责去除氨氮，第三层是颗粒核心，由无机物组成。

不及物动词总结与展望

与以絮体形式存在的活性污泥法相比，基于生物膜的污水生物处理工艺在生物量截留和抗负荷冲击方面具有不可忽视的优势。该工艺在长期处理中的稳定运行与生物膜微环境的变化密切相关。如图1所示，通过微电极可以快速准确地监测生物膜微环境的变化，通过其他技术手段可以更好地分析生物膜中功能菌群的分布。为了促进生物膜载体的改进和工艺设计的优化，微电极将在生物膜研究中得到广泛应用，但仍存在一些不足。以下几个方面将是未来的发展方向:

1)由于好氧生物反应是生物脱氮除磷的必由之路，现有的研究主要集中在基于溶解氧微电极的好氧生物膜分析上，而对厌氧生物膜的研究较少。随着厌氧氨氧化的应用和推广，以及以污泥发酵为核心的污泥与污水联合处理工艺的兴起，利用pH、离子、硫化氢、氢微电极对厌氧生物膜的分析不容忽视。

2)在污水处理的生物反应中，许多离子参与转化，如NH4+、NO2-和NO3-等。目前离子微电极的制造技术还不成熟，导致离子微电极寿命短，测量成本高。因此，优化离子电极的制造工艺，提高其使用寿命尤为重要。

3)通过微电极的生物膜分析主要集中于生物膜本身的分析。由于生物膜中的微环境变化与宏观环境密切相关，因此同时监测液相和液相与生物膜界面的指标变化，并结合生物膜中的指标变化建立数学模型，是分析生物膜与环境相互作用的关键。(来源:北京工业大学城市污水深度处理及资源化利用技术国家工程实验室；北京污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心；哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室)

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