在壁面剪切力为1.0，1.5，2.0Pa条件下培养排水管道生物膜，利用微电极测试技术对生物膜进行生长过程及成熟生物膜内部DO、、、分布规律进行研究.结果表明：1.0，1.5，2.0Pa条件下培养的生物膜厚度分别为（2.3±0.1），（1.9±0.1），（1.6±0.1）mm；1.0，1.5Pa条件下的生物膜内存在好氧、缺氧环境，在其中发生了硝化和反硝化反应，而2.0Pa条件下的生物膜内只存在好氧环境，只发生了硝化反应.生物膜厚度影响着溶解氧在膜内的分布，继而影响着N在膜内的迁移转化过程.


排水管道作为排水系统的重要组成部分，通常认为其作用只是收集和输送污水.实际上，由于排水管道内特殊的构造，使得其内部形成了好氧、缺氧、厌氧环境，从而让污染物的生物化学降解成为了可能.近年来，国内外研究者针对排水管道内生物化学反应及其产物等方面做了相关研究，主要集中在以下几个方面：排水管道内甲烷、H2S等气体产生，管道腐蚀等现象，将排水管道作为反应器。


有研究表明，附着在排水管道壁面的生物膜是生物降解的主要场所。生物膜不同于活性污泥系统，膜内部的环境要素分布特性极大地影响着物质在其中的迁移转化过程，进而决定了污染物的降解效能.另外，生物膜表面的水力特性对于物质从水相迁移至膜中也有着重要的影响。在不同的流态下，水流对生物膜的冲刷剪切作用不同，从而影响排水管道内管壁生物膜的附着与剥离，进而使管道生物膜组成、数量和活性等发生改变.此外水流流态还直接影响物质从水相到生物膜的传质过程，进而影响生物膜对于有机物的降解过程。


近年来，微电极技术的发展使人们能实现对生物膜微观层面的原位研究.微电极即微型化的传感器，电极尖端直径可以达到微米级别.国内外学者对此展开了很多研究，包括微观浓度场的分布特性、微观特征参数的解析等。


本文利用微电极技术对排水管道内不同流态下培养的生物膜进行测试，获得生物膜内部氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮以及溶解氧的分布规律，进而分析生物膜内部氮元素的迁移转化机理，旨在探索水流流态对管道生物膜脱氮过程的影响。


1材料与方法


1.1实验装置与条件

图1实验装置示意

表1人工配水成分


本实验采用有机玻璃制作的反应器模拟下水道.装置示意如图1所示，4个密封的反应器串联排列，反应器高150mm，内径80mm，内壁贴有PVC薄片作为生物膜生长的载体，下部放置磁力搅拌器搅拌模拟水流冲刷剪切力，磁力搅拌器转速与剪切力的关系为：

式中：τ表示剪切力（Pa），r表示转速（r/min）。


反应器总水力停留时间为4h.设置3组此反应器，分别在转速为402，507，600r/min条件下运行，其对应的剪切力为1.0，1.5，2.0Pa.根据前期研究，排水管道管壁剪切力主要受流速影响，1.0，1.5，2.0Pa剪切力对应的壁面流速分别为0.403，0.847，1.293m/s.在这3种水力条件下培养生物膜，定期取出测试其厚度，待其厚度不再发生变化即认为已达到成熟，取出用微电极测定生物膜内部物质浓度分布情况，主要包括DO、、、，测试时生物膜置于原环境条件下。


实验采用人工配水，配方见表1.为了更好的模拟真实废水中的情况，配水中还加入了生物膜生长所需的微量元素。


1.2微电极测试系统

图2微电极测试系统示意


微电极测试系统示意如图2所示。


2结果与讨论


2.1生物膜厚度变化情况


生物膜生长实验持续45d，在生物膜生长过程中，对于每套系统，期间定期取出生物膜样品，通过微电极测定每个PVC膜片上生物膜的厚度，得到不同时期生物膜的厚度.测定结果如图3所示。

图3不同剪切力下生物膜厚度随时间的变化


在不同的水力条件下，生物膜厚度的变化都有着相似的规律.首先，生物膜厚度的增长在15～25d内达到最大值，表明在这一阶段生物膜的生长速率大于脱落速率.在厚度达到最大之后的5～10d左右，由于生物膜厚度的生长，使得脱落速率不断增大而大于生长速率，因而生物膜厚度出现了一定程度的减小.最终，当生物膜的生长速率与脱落速率逐渐达到平衡，生物膜的厚度也趋于稳定.在本实验条件下，1.0，1.5，2.0Pa 3种水力条件下对应的生物膜厚度分别为（2.3±0.1），（1.9±0.1），（1.6±0.1）mm。



不同剪切力条件下生物膜内部氮元素浓度分布情况与规律（一）

不同剪切力条件下生物膜内部氮元素浓度分布情况与规律（二）