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(duì)生物膜進(jìn)行微電極穿刺，可以測(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，為深入探究生物膜微觀特征提供有利條件。本文主要介紹微電極技術(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。

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(dòng)的影響而呈現(xiàn)各向異性。可以依據(jù)微電極測(cè)定生物膜中的指標(biāo)變化，對(duì)其三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行推測(cè)。

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(zhǎng)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(huì)有所差異。不同厚度和密度的生物膜，在處理污水的實(shí)際運(yùn)行中所表現(xiàn)出來的性質(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?？梢酝ㄟ^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，根據(jù)質(zhì)量濃度曲線出現(xiàn)的拐點(diǎn)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(shí)，需要對(duì)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(dòng)的步長(zhǎng)值，如表1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(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。

表1深度、尖端直徑與步長(zhǎng)比較

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(duì)于底物的利用及代謝產(chǎn)物也會(huì)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(huì)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(huì)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(zhǎng)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(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，溶解氧逐漸被微生物消耗，并最終降低為零，此時(shí)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(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行條件下測(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)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。

實(shí)際上，好氧層的厚度并不是一個(gè)定值，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(shí)，著重研究不同溶解氧質(zhì)量濃度對(duì)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(huì)逐漸加大，生物膜中好氧層的厚度也會(huì)逐漸增大，好氧層在生物膜中所占的比例會(huì)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(cè)定其他指標(biāo)將生物膜進(jìn)行分層。在研究一體化厭氧氨氧化工藝處理垃圾滲濾液時(shí)，通微電極穿刺測(cè)定填料不同深度生物膜的氧化還原電位，在溶解氧為2.7 mg/L時(shí)，生物膜表面的氧化還原電位為~2.8 mV，在深度為4 mm的生物膜處，氧化還原電位下降至~166.8 mV，并在深度為5 mm時(shí)降低至~195.7 mV，據(jù)此可將生物膜深度為4 mm附近認(rèn)定為缺氧層生物膜，將5 mm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(cè)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，在研究硝化生物膜時(shí)，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。

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(gè)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(shí)體，這對(duì)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(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。

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(shì)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(shí)，生物膜內(nèi)部為密實(shí)均一的實(shí)體；當(dāng)溶解氧曲線出現(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)溶解氧曲線在下降過程中突然凸起成峰時(shí)，生物膜內(nèi)部存在于外界液相相連的通道。

在利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表面以下1.2 mm時(shí)，氨氮質(zhì)量濃度降低至0.9 mg/L，當(dāng)穿刺到1.8 mm深度時(shí)，氨氮質(zhì)量濃度上升至1.13 mg/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(gè)峰，同時(shí)根據(jù)反應(yīng)器中水力條件推測(cè)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(zhǎng)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)。