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在壁面剪切力為1.0，1.5，2.0Pa條件下培養(yǎng)排水管道生物膜，利用微電極測試技術(shù)對生物膜進行生長過程及成熟生物膜內(nèi)部DO、、、分布規(guī)律進行研究.結(jié)果表明：1.0，1.5，2.0Pa條件下培養(yǎng)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(nèi)存在好氧、缺氧環(huán)境，在其中發(fā)生了硝化和反硝化反應(yīng)，而2.0Pa條件下的生物膜內(nèi)只存在好氧環(huán)境，只發(fā)生了硝化反應(yīng).生物膜厚度影響著溶解氧在膜內(nèi)的分布，繼而影響著N在膜內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過程.
排水管道作為排水系統(tǒng)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(nèi)特殊的構(gòu)造，使得其內(nèi)部形成了好氧、缺氧、厭氧環(huán)境，從而讓污染物的生物化學(xué)降解成為了可能.近年來，國內(nèi)外研究者針對排水管道內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)及其產(chǎn)物等方面做了相關(guān)研究，主要集中在以下幾個方面：排水管道內(nèi)甲烷、H2S等氣體產(chǎn)生，管道腐蝕等現(xiàn)象，將排水管道作為反應(yīng)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(tǒng)，膜內(nèi)部的環(huán)境要素分布特性極大地影響著物質(zhì)在其中的遷移轉(zhuǎn)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(zhì)從水相遷移至膜中也有著重要的影響。在不同的流態(tài)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(nèi)管壁生物膜的附著與剝離，進而使管道生物膜組成、數(shù)量和活性等發(fā)生改變.此外水流流態(tài)還直接影響物質(zhì)從水相到生物膜的傳質(zhì)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(shù)的發(fā)展使人們能實現(xiàn)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(nèi)外學(xué)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(shù)的解析等。
本文利用微電極技術(shù)對排水管道內(nèi)不同流態(tài)下培養(yǎng)的生物膜進行測試，獲得生物膜內(nèi)部氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮以及溶解氧的分布規(guī)律，進而分析生物膜內(nèi)部氮元素的遷移轉(zhuǎn)化機理，旨在探索水流流態(tài)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(yīng)器模擬下水道.裝置示意如圖1所示，4個密封的反應(yīng)器串聯(lián)排列，反應(yīng)器高150mm，內(nèi)徑80mm，內(nèi)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(zhuǎn)速與剪切力的關(guān)系為：
式中：τ表示剪切力（Pa），r表示轉(zhuǎn)速（r/min）。
反應(yīng)器總水力停留時間為4h.設(shè)置3組此反應(yīng)器，分別在轉(zhuǎn)速為402，507，600r/min條件下運行，其對應(yīng)的剪切力為1.0，1.5，2.0Pa.根據(jù)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(yīng)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(yǎng)生物膜，定期取出測試其厚度，待其厚度不再發(fā)生變化即認為已達到成熟，取出用微電極測定生物膜內(nèi)部物質(zhì)濃度分布情況，主要包括DO、、、，測試時生物膜置于原環(huán)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(tǒng)
圖2微電極測試系統(tǒng)示意
微電極測試系統(tǒng)示意如圖2所示。
2結(jié)果與討論
2.1生物膜厚度變化情況
生物膜生長實驗持續(xù)45d，在生物膜生長過程中，對于每套系統(tǒng)，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(jié)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(guī)律.首先，生物膜厚度的增長在15～25d內(nèi)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(xiàn)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(wěn)定.在本實驗條件下，1.0，1.5，2.0Pa 3種水力條件下對應(yīng)的生物膜厚度分別為（2.3±0.1），（1.9±0.1），（1.6±0.1）mm。
