微生物由自身分泌的有機(jī)聚合物包裹后形成活性污泥聚集體，當(dāng)聚集體附著于固體表面時(shí)就稱(chēng)之為生物膜。生物膜成熟后會(huì)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(zhǎng)也會(huì)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(jìn)行，污染物可在生物膜中擴(kuò)散遷移，各種底物及中間產(chǎn)物之間由于會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，故而質(zhì)量濃度也會(huì)發(fā)生變化，可以通過(guò)微電極穿刺直接確定生物膜中的物質(zhì)分布、監(jiān)測(cè)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(guò)微電極穿刺測(cè)定生物膜某一點(diǎn)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(duì)某實(shí)際污水處理廠奧貝爾氧化溝中粒徑小于250μm的顆粒污泥進(jìn)行微電極穿刺，測(cè)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(dāng)粒徑大于100μm時(shí)，各指標(biāo)質(zhì)量濃度在徑向呈現(xiàn)不均一性，當(dāng)粒徑小于100μm時(shí)，各指標(biāo)質(zhì)量濃度基本不變，認(rèn)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(duì)穩(wěn)定對(duì)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(shí)，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(jī)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(shí)需要進(jìn)一步測(cè)定某物質(zhì)在生物膜中的三維分布。研究生物轉(zhuǎn)盤(pán)去除有機(jī)物過(guò)程時(shí)生長(zhǎng)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(cè)定100個(gè)點(diǎn)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(jìn)一步說(shuō)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(shí)，用溶解氧微電極對(duì)填料表面生物膜進(jìn)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(shuō)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(yùn)行時(shí)，污染物在生物膜內(nèi)通過(guò)各種生物反應(yīng)被去除或者轉(zhuǎn)化，可以通過(guò)微電極穿刺，在一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)生物膜某位置深度方向上物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，來(lái)推測(cè)生物膜的結(jié)構(gòu)與菌群分布。

在研究附著生長(zhǎng)于硅樹(shù)脂膜表面生物膜中硝化菌的分布時(shí)，聯(lián)合使用NH4+、NO2-、NO3-、DO和pH微電極對(duì)生物膜進(jìn)行穿刺，得到不同指標(biāo)在生物膜深度方向上變化的曲線，發(fā)現(xiàn)第14周時(shí)，溶解氧可以滲透到距離硅樹(shù)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?jiǎng)t始終控制在15——20 mmol/L，硝態(tài)氮從靠近硅樹(shù)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(shù)脂膜的（842±465）μmol/L降低至生物膜表面的（356±96）μmol/L，認(rèn)為在靠近硅樹(shù)脂膜表面位置，主要發(fā)生硝化反應(yīng)，氨氮在硝化細(xì)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(kuò)散遷移，由于溶解氧被靠近硅樹(shù)脂膜的硝化細(xì)菌利用，因此在亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮向外遷移時(shí)，會(huì)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(shí)的變化確定好氧層生物膜和缺氧層生物膜。

通過(guò)溶解氧和硝態(tài)氮微電極穿刺移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器中不同密度的生物膜時(shí)，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(shí)的生物膜會(huì)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(guò)程中，涉及到含碳、氮、硫等元素物質(zhì)之間的復(fù)雜轉(zhuǎn)化。在脫氮過(guò)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?dú)猓谶@些過(guò)程中不可避免地會(huì)有很多中間產(chǎn)物產(chǎn)生，間接地也會(huì)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(huì)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(huì)積累，但是對(duì)于污水生物膜處理系統(tǒng)的氮平衡來(lái)說(shuō)卻不容忽視。可以通過(guò)微電極測(cè)定氧化還原電位和pH的變化來(lái)間接推測(cè)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，也可以直接通過(guò)微電極測(cè)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(jī)制時(shí)，利用微電極穿刺測(cè)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(jìn)行分析，認(rèn)為溶解氧是決定一氧化氮和氧化亞氮由氨氧化細(xì)菌產(chǎn)生還是異養(yǎng)反硝化細(xì)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(shí)，利用微電極穿刺測(cè)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(shí)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(rèn)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(shí)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)。