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。


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。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。


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。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”的分布，进一步说明生物膜中微生物分布的不均一性。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。


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。


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——20 mmol/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。


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。


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。


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。


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4.4 mg/L降低至1.1 mg/L，同时氨氮从195.8 mg/L降低至132.8 mg/L，亚硝态氮从0.05 mg/L升高至0.09 mg/L，硝态氮从31.1 mg/L升高至32.6 mg/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。