近年来，随着城市排水科学的发展，管道和污水厂共同处理（pipe-and-plant treatment）的新模式得到了越来越多学者的关注，这种模式认为，排水管道和污水处理厂一样，也可以达到处理污水的目的。从理论上讲，在排水管道输送污水的过程中，满足基质降解的几个重要条件：①好氧、厌氧的交替环境；②降解各种污染物的微生物；③基质降解所需的水力停留时间。排水管道内基质的降解主要发生在管道生物膜内，而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，排水管道中的基质种类和基质浓度也影响着生物膜的组成、活性以及生物膜内的微生物菌落结构，而污染物的去除与生物膜的结构有很大的关系。


城市生活污水C/N比一般在5左右，在排水管道系统内对COD的去除较容易，但对氮的去除相对较难。为了提高氮的去除效果，必须探索不同C/N条件下氮形态在生物膜内的迁移转化特征及其影响因素。Okabe等通过研究不同C/N比下非限制性混合群体生物膜中硝化细菌和异养细菌的群体动力学和硝化效率之间的关系发现，生物膜中最初的微生物组成和基质成分（如C/N比等）极大地影响着后来的群体动力学行为和硝化效果。高C/N比将延迟硝化细菌的积累，但在后来的运行中将会得到相对稳定的硝化效果。


从20世纪60年代末开始，微电极技术在水处理领域中得到应用，Whalen等和Bungay等首先采用溶解氧微电极对滴滤池中的生物膜进行了研究。此后，微电极测试技术引起了越来越多的关注，国内外学者对此开展了广泛的研究。20世纪90年代开始，ORP微电极和硫化物离子选择性微电极逐渐被应用到生物膜的研究中。微电极使空间上微米级的分析成为可能，它不但能够表征生物膜内外沿深度、生物膜表面相垂直方向特征参数的梯度分布和膜内部某深度上特征参数的变化情况，而且通过溶解氧电极的使用，可以直接测定生物膜的厚度。


本文采用排水管道生物膜反应器装置培养生物膜，使用微电极在不同C/N下进行测试，获得氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮以及溶解氧在生物膜内部的分布规律，进而分析生物膜内部氮元素的迁移转化机理，旨在探索不同C/N对管道生物膜脱氮过程的影响。


1材料与方法


1.1实验装置与配水


实验采用PVC材料制作的反应器模拟排水管道。装置示意如图1所示，最上方为高位水箱，实验污水从3个等高的高位水箱流经各个坡度相同的排水管道及中间水箱后到达各自的低位水箱，然后采用磁力循环泵将水转移至高位水箱，由此进行循环，其中PVC管内壁贴有PVC薄片作为生物膜生长的载体。由于污水流动过程中水力条件相同，因此，在同一批次实验过程中，3套反应器中剪切力条件相同的，只有水质条件不同。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。

图1实验装置示意

表1人工配水成分


1.2微电极测试系统


微电极测试系统示意图如图2所示。

图2微电极测试系统示意


采用NH4+,NO3-,NO2-离子选择性微电极进行测试，微电极产生的电信号通过丹麦Unisense公司生产的主机MicrosensorMultimeter收集，并通过软件SensorTrace PRO V.3.1.3在计算机中读取NH4+的浓度分别为10-5,10-4,10-3,10-2,10-1mol/L时，浓度的负对数与产生的电压值之间表现出良好的线性相关性，相关系数为0.9987,同样NO3-、NO2-离子选择性微电极的相关系数分别为0.9979和0.9985.电极的响应时间指电极从刚开始接触样品到测量值达到最大测量值90%所需要的时间，这3种微电极的响应时间都小于10s,而且性能比较稳定。生物膜内DO浓度采用Unisense公司生产的尖端直径为10μm的DO微电极（OX10）获得，其响应时间小于3s,搅拌敏感度低，可以可靠、快速地进行测量。微环境的测量应当只在稳定的支架上进行，此支架应当固定在结实无震动的桌子上，实验中采用Unisense支架LS18以及微电极推进器（MM33-2），推进器通过马达控制器（MC-232）控制，实现μm级的步进距离。