微电极在污水生物膜处理中的应用

发表时间：2021-11-15 12:29:13 阅读次

　　随着我国城镇化水平不断提高，工业化进程不断推进，国民经济飞速发展，城镇人口数量不断增加，污水排放量也日益增大，对污水处理能力的要求将进一步扩大，如何处理好生活污水和工业废水成为当下亟待解决的问题之一。近年来，城镇污水处理厂的排放标准逐渐由一级B向一级A过渡，对于现有污水处理厂的提标改造势在必行。

　　在污水处理厂提标改造过程中，向二级生物处理单元中投加生物填料，是强化污水二级生物处理效果的一个重要手段。投加填料后，填料作为一种生物载体，可以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，使系统中同时存在悬浮生长和附着生长的活性污泥，可以显著提高生物池内的生物量，增强污水生物处理系统的抗负荷冲击能力，使出水水质进一步提高。

　　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观环境。对于生物膜来说，一方面，当其所处的水质水力条件随着进水及外界环境的波动发生较大变化时，其内部微观环境可以保持相对稳定。另一方面，在生物膜所处环境相对稳定时，当生物膜内微观环境发生恶化时，因短时间内不会影响出水水质而不会被发现，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观环境的变化，使生物膜污水处理系统处于稳定运行状态，对于生物膜微观特征的研究逐渐深入起来，在此趋势下，可以更好地认识生物膜的生长特性、形态结构、传质特性及菌群分布，对于开发更适用于工程实际的生物填料、控制生物膜生长及优化运行条件发挥了关键作用。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。本文阐述生物膜的形成过程，微电极的分类与特点，微反应器的建立，分类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。

　　一、生物膜的形成过程

　　基于生物膜的污水处理工艺被广泛应用于工业废水和生活污水的处理流程中，Cheng等对已有研究中生物膜形成过程分析认为，生物膜的形成过程可以分为3个阶段，当填料投加到生物处理单元后，水中的各种污染物和微生物就会吸附到填料表面，即生物膜形成的第1阶段。这部分微生物会逐渐利用填料表面和水中的污染物进行代谢、生长和繁殖等过程，同时微生物为了适应周围环境，也会分泌很多胞外聚合物，在胞外聚合物的联结下微生物开始在局部形成多层的细胞聚集体，即是最初较薄的生物膜，这是生物膜形成的第2阶段。接着生物膜不断利用水中的营养物质生长，逐渐形成形态结构明显的成熟生物膜，即为生物膜形成的第3阶段。Walter等于30℃条件下，在长为20cm、横断面为9mm2的玻璃流动池中培养生物膜，研究认为生物膜的形成还包括一个动态平衡的阶段，即成熟的生物膜在外界环境变化的影响下，如进水水质波动、水力剪切力变化等，会因基质不足、吸附力减弱和腐蚀等原因而脱落，同时水中的微生物也会再次吸附到已有的生物膜上，并逐渐生长繁殖形成新的生物膜。

　　因为生物膜形成过程复杂，受到多方面的因素影响，包括温度、压力、水力条件和营养条件等，所以其形态结构与内部微观环境也会变得多种多样，以微电极为研究手段研究生物膜形成过程中形态结构及内部微观环境的变化与外界环境条件变化之间的规律，便于人为直接调控环境因素，控制生物膜的生长，优化系统运行，可以避免由于生物膜过量生长造成堵塞、水质水力条件变化造成生物膜流失等许多问题。

　　二、微电极的分类与特点

　　随着科学技术的发展，传感器技术不断发展并应用于污水处理领域，在污水处理厂的进水口、出水口乃至处理流程中，在线监测系统都发挥着不可替代的作用，为实时监测进出水水质及污水处理效果提供技术保证。作为微型传感器的一种，微电极也逐渐应用于污水生物处理领域的研究中。

　　在实际应用中，一般根据待测定的指标选择相应的微电极，所以微电极根据测定指标可以分为温度微电极、氧化还原电位微电极、pH微电极、一氧化氮微电极、氧化亚氮微电极、氢气微电极、硫化氢微电极、氧气微电极、离子微电极。离子微电极又可以根据待测离子细分为NH4+微电极、NO2-微电极和NO3-微电极等。微电极常用的制作方法为手工拉制玻璃而成，孟千秋等通过拉制玻璃毛细管、硅烷化、固定、填充液膜、加涂层等步骤制备NH4+微电极、NO2-微电极和NO3-微电极来测定生物膜中的硝化反应。

　　由制作工艺决定，微电极的尖端直径一般在几十甚至几μm，可在μm级的范围内对待测对象进行测定，所以在测定生物膜内微观环境时不会破坏检测环境，且测量精度和分辨率都很高，检测限可达10-6mol/L，但其机械强度很低，极易损坏。微电极因技术条件限制其使用寿命有限，离子微电极技术尚不成熟，寿命一般在7d左右，其他8种微电极制作完成后可在30~180d保持相对稳定状态。微电极体积较小，质量轻，操作安全简单，在测定生物膜内部微观环境时利于不同种类的微电极之间快速进行切换，可在短时间内进行多指标的测定，且便于携带，为实际污水处理厂的原位测量提供可能。同时微电极响应时间快，可以监测到生物膜内部指标的瞬间变化。

　　三、测量微反应器的建立

　　由于微电极反应灵敏且检测限低，生物膜较薄且易受外界环境影响，故在通过微电极穿刺测定生物膜内各指标变化时需要将待测生物膜置于微反应器中，提供与原位反应器相似的基质，以创造一个相对稳定的环境，使待测生物膜可以正常进行生物反应，表现出与原位反应器中相同的特性。

　　微反应器并不是指体积微小的反应器，而是指为了微电极测定方便而设立的一个小型容器。当进行试验所用原位反应器较大时，不方便直接架设微电极测定，就需要将生物膜从原位反应器中取出，放置于单独容器中培养并进行测定。如表1所示，当原位反应器体积较大时，一般需要单独设立一个微反应器，当原位反应器体积较小时，可以直接将原位反应器作为微反应器进行微电极测定，也可以单独设立微反应器。

　　Chae等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NH4+和NO3-微电极进行穿刺，采用的测量微反应器为1个长方体状(12cm×7cm×7cm)的容器，其在内部分为2个区域，一个区域放置待测生物膜填料，另一个区域进行曝气，以防止曝气时气泡扰动对于穿刺过程的影响。Nielsen等在研究完全自养脱氮工艺生物膜中物质转化和微生物的分布时，利用NO2-微电极和溶解氧微电极对生物膜进行穿刺，建立的微反应器由分离的两部分构成，中间容器用于投加反应基质，同时曝气提供溶解氧，混合均匀后，中间容器中的基质通过蠕动泵进入测量室，泵管处缠绕加热线圈，测量室出水分为上下两路经由蠕动泵返回中间容器，通过蠕动泵调节下路水流流量大于上路水流流量以在测量室中形成下向流，使待测生物膜可以固定在支撑尼龙网上。这种装置将测量微反应器分成测量室和中间容器两部分，可有效避免中间容器中曝气及基质投加产生的扰动对于测量室微观环境的影响。测量室中的水流也可以调节为上向流以使生物膜悬浮，Li等在研究活性污泥聚集体中的微观环境时，利用pH、DO、ORP、NH4+和NO3-微电极进行穿刺，采用上向流测量室，中间容器的水从测量室下方进入，通过调节针形阀控制进水流量，测量室中水流通过尼龙网后可以形成均一稳定的上向流，以使活性污泥聚集体稳定悬浮于上向流中，便于对其进行穿刺。这种固定方式可以使微电极穿透整个活性污泥聚集体，以研究整个污泥聚集体与其周围环境整体的状态。

　　为了让生物膜能够在微反应器中达到稳定状态，需要将取出的生物膜置于微反应器中，并为其提供适宜的条件培养一段时间。lv等在利用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内的氮素转化时，将生物膜取出后置于流动池反应器中培养2h，以使生物膜适应测量环境。在研究非稳态下生物膜的性质时，可采用单一微反应器来进行生物膜的穿刺，Wang等在研究非稳态生物膜中氧气的扩散系数时，采用可升降的单一微反应器作为待测生物膜的载体，使生物膜可以交替处于空气中和水中。

　　由于微电极尖端尺寸为微米级，在测定某些指标时，单靠肉眼无法确定微电极是否与生物膜表面接触，Fan等在利用微电极穿刺测定生物膜中溶解氧的迁移时，为微反应器配备了立体式显微镜辅助观察，以确定生物膜与液相的交界面。

　　四、微电极的应用

　　4.1 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。

　　4.1.1 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2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。

　　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。但实际上，好氧层的厚度并不是一个定值，Cao等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。Wen等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2.7mg/L时，生物膜表面的氧化还原电位为-2.8mV，在深度为4mm的生物膜处，氧化还原电位下降至-166.8mV，并在深度为5mm时降低至-195.7mV，据此可将生物膜深度为4mm附近认定为缺氧层生物膜，将5mm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，Feng等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。

　　4.1.2 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。Ning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，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。Chae等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1.2mm时，氨氮质量浓度降低至0.9mg/L，当穿刺到1.8mm深度时，氨氮质量浓度上升至1.13mg/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。

　　4.2 利用微电极确定活性污泥聚集体中物质的分布、迁移与转化规律

　　微生物由自身分泌的有机聚合物包裹后形成活性污泥聚集体，当聚集体附着于固体表面时就称之为生物膜。生物膜成熟后会发生生物膜脱落现象，有研究表明，生物膜形成后随着微生物在表面的生长也会有污泥颗粒脱落。由于生物膜形态结构不同，因此，各种污染物在生物膜中的分布也不尽相同，随着生物反应的进行，污染物可在生物膜中扩散迁移，各种底物及中间产物之间由于会发生转化，故而质量浓度也会发生变化，可以通过微电极穿刺直接确定生物膜中的物质分布、监测污染物迁移与转化规律以更好地解析生物膜。

　　4.2.1 确定污泥聚集体中物质的分布

　　可以通过微电极穿刺测定生物膜某一点在深度方向上的物质分布和颗粒污泥从表面到核心径向上的物质分布。Han等对某实际污水处理厂奥贝尔氧化沟中粒径小于250μm的颗粒污泥进行微电极穿刺，测定颗粒径向从表面到核心的溶解氧、氨氮和硝氮分布，发现当粒径大于100μm时，各指标质量浓度在径向呈现不均一性，当粒径小于100μm时，各指标质量浓度基本不变，认为不同的物质分布也代表着不同粒径范围的颗粒污泥，影响着功能菌的分布，各粒径范围颗粒污泥数量的相对稳定对于污水中多种污染物的联合去除发挥着重要的作用。Zhou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，利用溶解氧微电极穿刺聚氨酯海绵填料小块，根据溶解氧在深度方向上质量浓度变化曲线，将800μm的生物膜分成好氧层、缺氧层和厌氧层，并以此为基础建立生物膜中氮素及碳素的去除机制。

　　污泥聚集体中物质的一维变化不足以反映聚集体整体的情况，所以有时需要进一步测定某物质在生物膜中的三维分布。Rosa等研究生物转盘去除有机物过程时生长于高密度聚乙烯载体上生物膜中不同深度的溶解氧分布，在1000μm×1000μm的生物膜区域上，均匀测定100个点在生物膜表面680μm、生物膜表面和生物膜表面以下680μm深度处的溶解氧，将数据绘制成曲面发现生物膜同一深度下的溶解氧并不相同，而是呈现“口袋式冶的分布，进一步说明生物膜中微生物分布的不均一性。Tang等在研究一种新型生物填料时，用溶解氧微电极对填料表面生物膜进行穿刺，得到填料表面不同位置生物膜深度方向上溶解氧的分布，结果说明此种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，即在同一填料的不同位置可以分别形成好氧生物膜和厌氧生物膜，此种填料有利于丰富微生物群体的生物多样性。

　　4.2.2 确定污泥聚集体中物质的迁移

　　在污水生物膜处理系统运行时，污染物在生物膜内通过各种生物反应被去除或者转化，可以通过微电极穿刺，在一段时间内监测生物膜某位置深度方向上物质的迁移转化规律，来推测生物膜的结构与菌群分布。Schramm等在研究附着生长于硅树脂膜表面生物膜中硝化菌的分布时，联合使用NH4+、NO2-、NO3-、DO和pH微电极对生物膜进行穿刺，得到不同指标在生物膜深度方向上变化的曲线，发现第14周时，溶解氧可以渗透到距离硅树脂膜表面150~250μm处，在该范围内，pH也从7.8降低至6.4，氨氮则始终控制在15~20mmol/L，硝态氮从靠近硅树脂膜的(389±157)μmol/L降低至生物膜表面的(77±38)μmol/L，亚硝态氮从靠近硅树脂膜的(842±465)μmol/L降低至生物膜表面的(356±96)μmol/L，认为在靠近硅树脂膜表面位置，主要发生硝化反应，氨氮在硝化细菌的作用下转化为亚硝态氮和硝态氮，并逐渐向生物膜表面方向扩散迁移，由于溶解氧被靠近硅树脂膜的硝化细菌利用，因此在亚硝态氮和硝态氮向外迁移时，会逐渐被反硝化菌利用，故而可由亚硝态氮和硝态氮在向外迁移时的变化确定好氧层生物膜和缺氧层生物膜。Feng等通过溶解氧和硝态氮微电极穿刺移动床生物膜反应器中不同密度的生物膜时，发现溶解氧和硝态氮在生物膜中的迁移距离与生物膜密度有关，密实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

　　在污水生物膜工艺处理过程中，涉及到含碳、氮、硫等元素物质之间的复杂转化。在脱氮过程中，硝化反应可以将氨氮转化为硝态氮，反硝化反应可以将硝态氮转化为氮气，在这些过程中不可避免地会有很多中间产物产生，间接地也会引起生物膜微观环境中氧化还原电位及pH的变化。好氧生物膜内溶解氧分布不均和缺氧生物膜内溶解氧较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并逸出反应器，并不会积累，但是对于污水生物膜处理系统的氮平衡来说却不容忽视。可以通过微电极测定氧化还原电位和pH的变化来间接推测物质的转化，也可以直接通过微电极测定这些物质的变化。Schreiber等在研究生物膜中一氧化氮和氧化亚氮瞬间产生机制时，利用微电极穿刺测定一氧化氮和氧化亚氮，并结合溶解氧微电极穿刺结果进行分析，认为溶解氧是决定一氧化氮和氧化亚氮由氨氧化细菌产生还是异养反硝化细菌产生的关键。lv等在研究完全自养脱氮工艺中活性污泥聚集体微断面时，利用微电极穿刺测定断面不同深度下氨氮、亚硝态氮和硝态氮的质量浓度变化，在0~1700μm深度范围内，溶解氧质量浓度从4.4mg/L降低至1.1mg/L，同时氨氮从195.8mg/L降低至132.8mg/L，亚硝态氮从0.05mg/L升高至0.09mg/L，硝态氮从31.1mg/L升高至32.6mg/L，结合pH从7.4降低至7.1，认为此层生物膜主要发生全程硝化和短程硝化，在1700~3700μm深度范围内，发现氨氮和亚硝态氮同时被消耗，pH和硝态氮都有升高，溶解氧维持在较低水平，以此作为厌氧氨氧化现象的依据。

　　五、微电极与其他技术的联合使用

　　随着科技的进步，微电极作为一种检测手段，越来越多地与其他技术相结合，共同为污水生物处理过程中出现的现象提供依据。

　　5.1 微电极与定量PCR技术相结合

　　通过微电极穿刺得到生物膜中的物质分布后，可以据此推测生物膜不同分层中所发生的生物反应。通过定量PCR技术技术对特定分层生物膜中细菌的功能基因进行扩增定量，可进一步验证推测的准确性。Kinh等在对比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，通过使用氧化亚氮微电极穿刺，得到生物膜不同深度氧化亚氮的质量浓度，并以此为基础根据菲克第二扩散定律估算单位生物膜体积氧化亚氮净产生量与消耗量，认为对于膜曝气生物膜反应器来说，生物膜底部的200μm范围内是氧化亚氮主要产生区域，而对于传统生物膜反应器来说则是最外层的200μm范围。为验证此推测，进一步通过冷冻切片技术将生物膜在垂直方向切成100μm厚度并分别提取基因，并对amoA、nirK、nirS和nosZ功能基因进行定量PCR技术扩增验证此推测。

　　5.2 微电极与荧光原位杂交技术和激光共聚焦技术相结合

　　通过微电极测定出生物膜中物质的分布后，可进一步推测不同层中功能菌的分布。荧光原位杂交技术和激光共聚焦技术(confocallaserscanningmicroscopy，CLSM)经常用于确定活性污泥聚集体中各菌种的分布。Vazquez-Padin等在研究完全自养脱氮工艺中颗粒的菌群分布时，将溶解氧和亚硝态氮微电极穿刺的结果同荧光原位杂交技术结果比较发现，溶解氧与亚硝在颗粒剖面的分布与氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌的分布一致。Li等在研究颗粒污泥中菌群和EPS分布与溶解氧传递速率时，将溶解氧微观质量浓度曲线和激光共聚焦结合，认为颗粒在径向可以分为3层，第1层为颗粒表面，厚度在150~350μm，其中的异养菌负责有机物的去除，第2层由自养菌构成，厚度在250~450μm，主要负责氨氮的去除，第3层为颗粒核心，由无机物构成，呈多孔道的形态。

　　六、总结与展望

　　基于生物膜的污水生物处理工艺同单纯絮体形式的活性污泥法相比在持留生物量和抵抗负荷冲击方面有着不容忽视的优势，工艺在长期处理中的稳定运行与生物膜的微观环境变化息息相关，如图1所示，通过微电极可以快捷而又准确地监测生物膜微观环境的变化，辅之以其他技术手段可以更好地解析生物膜中功能菌群的分布，促进生物膜载体的改良与工艺的设计优化，微电极在生物膜研究中的应用也将越来越广泛，但仍有不足，以下几个方面将会是未来的发展方向：