微生物由自身分泌的有機聚合物包裹后形成活性污泥聚集體，當聚集體附著于固體表面時就稱之為生物膜。生物膜成熟后會發(fā)生生物膜脫落現(xiàn)象，有研究表明，生物膜形成后隨著微生物在表面的生長也會有污泥顆粒脫落。由于生物膜形態(tài)結(jié)構(gòu)不同，因此，各種污染物在生物膜中的分布也不盡相同，隨著生物反應(yīng)的進行，污染物可在生物膜中擴散遷移，各種底物及中間產(chǎn)物之間由于會發(fā)生轉(zhuǎn)化，故而質(zhì)量濃度也會發(fā)生變化，可以通過微電極穿刺直接確定生物膜中的物質(zhì)分布、監(jiān)測污染物遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律以更好地解析生物膜。

確定污泥聚集體中物質(zhì)的分布

可以通過微電極穿刺測定生物膜某一點在深度方向上的物質(zhì)分布和顆粒污泥從表面到核心徑向上的物質(zhì)分布。對某實際污水處理廠奧貝爾氧化溝中粒徑小于250μm的顆粒污泥進行微電極穿刺，測定顆粒徑向從表面到核心的溶解氧、氨氮和硝氮分布，發(fā)現(xiàn)當粒徑大于100μm時，各指標質(zhì)量濃度在徑向呈現(xiàn)不均一性，當粒徑小于100μm時，各指標質(zhì)量濃度基本不變，認為不同的物質(zhì)分布也代表著不同粒徑范圍的顆粒污泥，影響著功能菌的分布，各粒徑范圍顆粒污泥數(shù)量的相對穩(wěn)定對于污水中多種污染物的聯(lián)合去除發(fā)揮著重要的作用。

在研究短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化處理模擬高氨氮廢水時，利用溶解氧微電極穿刺聚氨酯海綿填料小塊，根據(jù)溶解氧在深度方向上質(zhì)量濃度變化曲線，將800μm的生物膜分成好氧層、缺氧層和厭氧層，并以此為基礎(chǔ)建立生物膜中氮素及碳素的去除機制。

污泥聚集體中物質(zhì)的一維變化不足以反映聚集體整體的情況，所以有時需要進一步測定某物質(zhì)在生物膜中的三維分布。研究生物轉(zhuǎn)盤去除有機物過程時生長于高密度聚乙烯載體上生物膜中不同深度的溶解氧分布，在1000μm×1000μm的生物膜區(qū)域上，均勻測定100個點在生物膜表面680μm、生物膜表面和生物膜表面以下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”的分布，進一步說明生物膜中微生物分布的不均一性。在研究一種新型生物填料時，用溶解氧微電極對填料表面生物膜進行穿刺，得到填料表面不同位置生物膜深度方向上溶解氧的分布，結(jié)果說明此種半懸浮生物填料不同位置形成的生物膜中溶解氧含量不同，即在同一填料的不同位置可以分別形成好氧生物膜和厭氧生物膜，此種填料有利于豐富微生物群體的生物多樣性。

確定污泥聚集體中物質(zhì)的遷移

在污水生物膜處理系統(tǒng)運行時，污染物在生物膜內(nèi)通過各種生物反應(yīng)被去除或者轉(zhuǎn)化，可以通過微電極穿刺，在一段時間內(nèi)監(jiān)測生物膜某位置深度方向上物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，來推測生物膜的結(jié)構(gòu)與菌群分布。

在研究附著生長于硅樹脂膜表面生物膜中硝化菌的分布時，聯(lián)合使用NH4+、NO2-、NO3-、DO和pH微電極對生物膜進行穿刺，得到不同指標在生物膜深度方向上變化的曲線，發(fā)現(xiàn)第14周時，溶解氧可以滲透到距離硅樹脂膜表面150——250μm處，在該范圍內(nèi)，pH也從7.8降低至6.4，氨氮則始終控制在15——20 mmol/L，硝態(tài)氮從靠近硅樹脂膜的（389±157）μmol/L降低至生物膜表面的（77±38）μmol/L，亞硝態(tài)氮從靠近硅樹脂膜的（842±465）μmol/L降低至生物膜表面的（356±96）μmol/L，認為在靠近硅樹脂膜表面位置，主要發(fā)生硝化反應(yīng)，氨氮在硝化細菌的作用下轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，并逐漸向生物膜表面方向擴散遷移，由于溶解氧被靠近硅樹脂膜的硝化細菌利用，因此在亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮向外遷移時，會逐漸被反硝化菌利用，故而可由亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮在向外遷移時的變化確定好氧層生物膜和缺氧層生物膜。

通過溶解氧和硝態(tài)氮微電極穿刺移動床生物膜反應(yīng)器中不同密度的生物膜時，發(fā)現(xiàn)溶解氧和硝態(tài)氮在生物膜中的遷移距離與生物膜密度有關(guān)，密實的生物膜會限制溶解氧和硝態(tài)氮在生物膜中的遷移。

確定污泥聚集體中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化

在污水生物膜工藝處理過程中，涉及到含碳、氮、硫等元素物質(zhì)之間的復雜轉(zhuǎn)化。在脫氮過程中，硝化反應(yīng)可以將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，反硝化反應(yīng)可以將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣，在這些過程中不可避免地會有很多中間產(chǎn)物產(chǎn)生，間接地也會引起生物膜微觀環(huán)境中氧化還原電位及pH的變化。好氧生物膜內(nèi)溶解氧分布不均和缺氧生物膜內(nèi)溶解氧較高會引起氧化亞氮或一氧化氮的釋放，這些物質(zhì)可能只是瞬間產(chǎn)生并逸出反應(yīng)器，并不會積累，但是對于污水生物膜處理系統(tǒng)的氮平衡來說卻不容忽視?？梢酝ㄟ^微電極測定氧化還原電位和pH的變化來間接推測物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，也可以直接通過微電極測定這些物質(zhì)的變化。

在研究生物膜中一氧化氮和氧化亞氮瞬間產(chǎn)生機制時，利用微電極穿刺測定一氧化氮和氧化亞氮，并結(jié)合溶解氧微電極穿刺結(jié)果進行分析，認為溶解氧是決定一氧化氮和氧化亞氮由氨氧化細菌產(chǎn)生還是異養(yǎng)反硝化細菌產(chǎn)生的關(guān)鍵。

在研究完全自養(yǎng)脫氮工藝中活性污泥聚集體微斷面時，利用微電極穿刺測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4.4 mg/L降低至1.1 mg/L，同時氨氮從195.8 mg/L降低至132.8 mg/L，亞硝態(tài)氮從0.05 mg/L升高至0.09 mg/L，硝態(tài)氮從31.1 mg/L升高至32.6 mg/L，結(jié)合pH從7.4降低至7.1，認為此層生物膜主要發(fā)生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)氮同時被消耗，pH和硝態(tài)氮都有升高，溶解氧維持在較低水平，以此作為厭氧氨氧化現(xiàn)象的依據(jù)。