近年來，隨著城市排水科學(xué)的發(fā)展，管道和污水廠共同處理（pipe-and-plant treatment）的新模式得到了越來越多學(xué)者的關(guān)注，這種模式認(rèn)為，排水管道和污水處理廠一樣，也可以達(dá)到處理污水的目的。從理論上講，在排水管道輸送污水的過程中，滿足基質(zhì)降解的幾個(gè)重要條件：①好氧、厭氧的交替環(huán)境；②降解各種污染物的微生物；③基質(zhì)降解所需的水力停留時(shí)間。排水管道內(nèi)基質(zhì)的降解主要發(fā)生在管道生物膜內(nèi)，而生物膜不同于活性污泥系統(tǒng)，膜內(nèi)部的環(huán)境要素分布特性極大地影響著物質(zhì)在其中的遷移轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而決定了污染物的降解效能。另外，排水管道中的基質(zhì)種類和基質(zhì)濃度也影響著生物膜的組成、活性以及生物膜內(nèi)的微生物菌落結(jié)構(gòu)，而污染物的去除與生物膜的結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。

城市生活污水C/N比一般在5左右，在排水管道系統(tǒng)內(nèi)對(duì)COD的去除較容易，但對(duì)氮的去除相對(duì)較難。為了提高氮的去除效果，必須探索不同C/N條件下氮形態(tài)在生物膜內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化特征及其影響因素。Okabe等通過研究不同C/N比下非限制性混合群體生物膜中硝化細(xì)菌和異養(yǎng)細(xì)菌的群體動(dòng)力學(xué)和硝化效率之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，生物膜中最初的微生物組成和基質(zhì)成分（如C/N比等）極大地影響著后來的群體動(dòng)力學(xué)行為和硝化效果。高C/N比將延遲硝化細(xì)菌的積累，但在后來的運(yùn)行中將會(huì)得到相對(duì)穩(wěn)定的硝化效果。

從20世紀(jì)60年代末開始，微電極技術(shù)在水處理領(lǐng)域中得到應(yīng)用，Whalen等和Bungay等首先采用溶解氧微電極對(duì)滴濾池中的生物膜進(jìn)行了研究。此后，微電極測(cè)試技術(shù)引起了越來越多的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了廣泛的研究。20世紀(jì)90年代開始，ORP微電極和硫化物離子選擇性微電極逐漸被應(yīng)用到生物膜的研究中。微電極使空間上微米級(jí)的分析成為可能，它不但能夠表征生物膜內(nèi)外沿深度、生物膜表面相垂直方向特征參數(shù)的梯度分布和膜內(nèi)部某深度上特征參數(shù)的變化情況，而且通過溶解氧電極的使用，可以直接測(cè)定生物膜的厚度。

本文采用排水管道生物膜反應(yīng)器裝置培養(yǎng)生物膜，使用微電極在不同C/N下進(jìn)行測(cè)試，獲得氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮以及溶解氧在生物膜內(nèi)部的分布規(guī)律，進(jìn)而分析生物膜內(nèi)部氮元素的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理，旨在探索不同C/N對(duì)管道生物膜脫氮過程的影響。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置與配水

實(shí)驗(yàn)采用PVC材料制作的反應(yīng)器模擬排水管道。裝置示意如圖1所示，最上方為高位水箱，實(shí)驗(yàn)污水從3個(gè)等高的高位水箱流經(jīng)各個(gè)坡度相同的排水管道及中間水箱后到達(dá)各自的低位水箱，然后采用磁力循環(huán)泵將水轉(zhuǎn)移至高位水箱，由此進(jìn)行循環(huán)，其中PVC管內(nèi)壁貼有PVC薄片作為生物膜生長(zhǎng)的載體。由于污水流動(dòng)過程中水力條件相同，因此，在同一批次實(shí)驗(yàn)過程中，3套反應(yīng)器中剪切力條件相同的，只有水質(zhì)條件不同。實(shí)驗(yàn)采用人工配水，配方見表1.為了更好的模擬真實(shí)廢水中的情況，配水中還加入了生物膜生長(zhǎng)所需的微量元素。

圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意

表1人工配水成分

1.2微電極測(cè)試系統(tǒng)

微電極測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2微電極測(cè)試系統(tǒng)示意

采用NH4+,NO3-,NO2-離子選擇性微電極進(jìn)行測(cè)試，微電極產(chǎn)生的電信號(hào)通過丹麥Unisense公司生產(chǎn)的主機(jī)MicrosensorMultimeter收集，并通過軟件SensorTrace PRO V.3.1.3在計(jì)算機(jī)中讀取NH4+的濃度分別為10-5,10-4,10-3,10-2,10-1mol/L時(shí)，濃度的負(fù)對(duì)數(shù)與產(chǎn)生的電壓值之間表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.9987,同樣NO3-、NO2-離子選擇性微電極的相關(guān)系數(shù)分別為0.9979和0.9985.電極的響應(yīng)時(shí)間指電極從剛開始接觸樣品到測(cè)量值達(dá)到最大測(cè)量值90%所需要的時(shí)間，這3種微電極的響應(yīng)時(shí)間都小于10s,而且性能比較穩(wěn)定。生物膜內(nèi)DO濃度采用Unisense公司生產(chǎn)的尖端直徑為10μm的DO微電極（OX10）獲得，其響應(yīng)時(shí)間小于3s,攪拌敏感度低，可以可靠、快速地進(jìn)行測(cè)量。微環(huán)境的測(cè)量應(yīng)當(dāng)只在穩(wěn)定的支架上進(jìn)行，此支架應(yīng)當(dāng)固定在結(jié)實(shí)無震動(dòng)的桌子上，實(shí)驗(yàn)中采用Unisense支架LS18以及微電極推進(jìn)器（MM33-2），推進(jìn)器通過馬達(dá)控制器（MC-232）控制，實(shí)現(xiàn)μm級(jí)的步進(jìn)距離。