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生物膜特性的研究中，通过对生物膜进行微电极穿刺，可以测定生物膜中NH4+、NO2-、NO3-、N2O、pH、DO和ORP等物质和指标的变化，为深入探究生物膜微观特征提供有利条件。本文主要介绍微电极技术在生物膜研究中所发挥的作用，旨在为生物膜系统的深入研究提供参考。


用微电极确定生物膜的形态结构


生物膜的形成环境复杂多变，其三维形态结构也因受到外界水力条件和水质波动的影响而呈现各向异性。可以依据微电极测定生物膜中的指标变化，对其三维结构进行推测。


生物膜一维形态结构的确定


生物膜的一维形态结构主要指生物膜的密度和各分层的厚度，由于生物膜生长的不均匀性及载体表面性质的多样性，因此，生物膜载体表面不同位置生物膜的厚度不尽相同，同一位置不同深度生物膜的密度也会有所差异。不同厚度和密度的生物膜，在处理污水的实际运行中所表现出来的性质也会不一样，生物膜厚度和密度会影响基质从液相向生物膜内部渗透的过程，在生物膜密度一定的情况下，较厚的生物膜传质速率要低于较薄的生物膜。可以通过微电极穿刺测定某一特征物质质量浓度在生物膜深度方向上的变化，根据质量浓度曲线出现的拐点之间的穿刺深度及曲线的斜率大小确定生物膜的厚度并比较生物膜的密度。


在使用微电极进行穿刺时，需要对生物膜的厚度进行预估，选择适当尖端直径的微电极及微电极移动的步长值，如表1所示，随着穿刺深度的增大，微电极尖端直径也随之增大，较大的穿刺深度也可以选择小尖端直径的微电极。微电极移动步长值的选择也应与微电极尖端直径相近或大于微电极尖端直径为宜。

表1深度、尖端直径与步长比较


在污水处理系统中，可根据生物膜中溶解氧的质量浓度将生物膜分为好氧生物膜、缺氧生物膜和厌氧生物膜。不同种类生物膜中的菌群结构也不一样，对于底物的利用及代谢产物也会有差异。溶解氧在生物膜中的渗透与消耗在脱氮过程中发挥着重要作用，过高的溶解氧渗透阻力会使溶解氧无法深入到生物膜内部，硝化反应不能更好地进行，而过低的溶解氧渗透阻力会使溶解氧在生物膜中的渗透深度过大，影响缺氧环境，使反硝无法进行。


在微电极穿刺过程中，由于好氧层中生长了大量的硝化细菌，所以当微电极接触到好氧层边界时，溶解氧会有一个明显的降低，随着好氧层深度的加深，溶解氧逐渐被微生物消耗，并最终降低为零，此时微电极的穿刺深度可以认为是好氧层的厚度。这里的好氧层厚度指的是在相对稳定的运行条件下测定的结果，此时环境中溶解氧相对稳定，所以在长期运行过程中，溶解氧在生物膜中能够渗透的深度也基本保持不变。


实际上，好氧层的厚度并不是一个定值，在探索生物膜系统中同步硝化反硝化最优的运行条件时，着重研究不同溶解氧质量浓度对于生物膜中好氧层厚度的影响，结果表明，随着溶解氧的提高，生物膜中的溶解氧质量浓度也逐渐提高，溶解氧渗透的深度也会逐渐加大，生物膜中好氧层的厚度也会逐渐增大，好氧层在生物膜中所占的比例会逐渐增加，硝化速率也随之发生变化，进而影响底物氨氮的消耗和产物硝态氮的生成。


除了溶解氧之外，也可以通过微电极穿刺测定其他指标将生物膜进行分层。在研究一体化厌氧氨氧化工艺处理垃圾渗滤液时，通微电极穿刺测定填料不同深度生物膜的氧化还原电位，在溶解氧为2.7 mg/L时，生物膜表面的氧化还原电位为~2.8 mV，在深度为4 mm的生物膜处，氧化还原电位下降至~166.8 mV，并在深度为5 mm时降低至~195.7 mV，据此可将生物膜深度为4 mm附近认定为缺氧层生物膜，将5 mm深度附近认定为厌氧层生物膜，分别适合于氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌发挥功能。


根据微电极穿刺测定指标曲线的斜率可以比较生物膜大致的密度，相同厚度的生物膜，指标变化大的生物膜密度一般较大。也可通过生物膜内物质的渗透深度比较生物膜密度，在研究硝化生物膜时，通过比较溶解氧在硝化生物膜内迁移的距离来比较不同填充比下硝化生物膜的密度。


生物膜二维与三维形态结构的确定


生物膜的二维形态结构指的是生物膜某一剖面的状态，由于生物膜的各向异性，因此生物膜剖面并不是一个完整的连续平面结构，而存在缺失或者密度上有差异。生物膜二维形态结构的确定需要进行多次微电极一维穿刺才可以确定。


生物膜的三维形态结构指的是生物膜在空间上的结构，虽然生物膜表面光滑，但生物膜并不是形态规整密度均一的实体，这对于生物膜中物质的扩散传质速率会产生不同的影响。所以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某些宏观效果。生物膜的三维形态结构可以通过穿刺定生物膜表面均匀分布位点，由穿刺测定指标质量浓度和深度数据得到相应曲面。


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，故在微电极穿刺过程中，生物膜中不同位置的溶解氧水平和变化趋势亦不相同，可以通过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溶解氧质量浓度绘制成的曲线确定生物膜的三维结构，将生物膜的结构分为3类：当溶解氧曲线为平滑曲线时，生物膜内部为密实均一的实体；当溶解氧曲线出现一个平台时，生物膜内部存在一个孤立的中空孔洞；当溶解氧曲线在下降过程中突然凸起成峰时，生物膜内部存在于外界液相相连的通道。


在利用微电极穿刺硝化生物膜时，发现当氨氮微电极穿刺至生物膜表面以下1.2 mm时，氨氮质量浓度降低至0.9 mg/L，当穿刺到1.8 mm深度时，氨氮质量浓度上升至1.13 mg/L，这与生物膜所处液相中的氨氮质量浓度一致，质量浓度变化曲线形成一个峰，同时根据反应器中水力条件推测是由于生物膜在形成过程中由于水流冲击导致生物膜未生长均匀形成孔洞，外界液相直接渗入导致该现象的出现。