近年來，隨著城市排水科學的發展，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者的關注，這種模式認為，排水管道和污水處理廠一樣，也可以達到處理污水的目的。從理論上講，在排水管道輸送污水的過程中，滿足基質降解的幾個重要條件：①好氧、厭氧的交替環境；②降解各種污染物的微生物；③基質降解所需的水力停留時間。排水管道內基質的降解主要發生在管道生物膜內，而生物膜不同于活性污泥系統，膜內部的環境要素分布特性極大地影響著物質在其中的遷移轉化過程，進而決定了污染物的降解效能。另外，排水管道中的基質種類和基質濃度也影響著生物膜的組成、活性以及生物膜內的微生物菌落結構，而污染物的去除與生物膜的結構有很大的關系。

城市生活污水C/N比一般在5左右，在排水管道系統內對COD的去除較容易，但對氮的去除相對較難。為了提高氮的去除效果，必須探索不同C/N條件下氮形態在生物膜內的遷移轉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菌和異養細菌的群體動力學和硝化效率之間的關系發現，生物膜中最初的微生物組成和基質成分（如C/N比等）極大地影響著后來的群體動力學行為和硝化效果。高C/N比將延遲硝化細菌的積累，但在后來的運行中將會得到相對穩定的硝化效果。

從20世紀60年代末開始，微電極技術在水處理領域中得到應用，Whalen等和Bungay等首先采用溶解氧微電極對滴濾池中的生物膜進行了研究。此后，微電極測試技術引起了越來越多的關注，國內外學者對此開展了廣泛的研究。20世紀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用到生物膜的研究中。微電極使空間上微米級的分析成為可能，它不但能夠表征生物膜內外沿深度、生物膜表面相垂直方向特征參數的梯度分布和膜內部某深度上特征參數的變化情況，而且通過溶解氧電極的使用，可以直接測定生物膜的厚度。

本文采用排水管道生物膜反應器裝置培養生物膜，使用微電極在不同C/N下進行測試，獲得氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮以及溶解氧在生物膜內部的分布規律，進而分析生物膜內部氮元素的遷移轉化機理，旨在探索不同C/N對管道生物膜脫氮過程的影響。

1材料與方法

1.1實驗裝置與配水

實驗采用PVC材料制作的反應器模擬排水管道。裝置示意如圖1所示，最上方為高位水箱，實驗污水從3個等高的高位水箱流經各個坡度相同的排水管道及中間水箱后到達各自的低位水箱，然后采用磁力循環泵將水轉移至高位水箱，由此進行循環，其中PVC管內壁貼有PVC薄片作為生物膜生長的載體。由于污水流動過程中水力條件相同，因此，在同一批次實驗過程中，3套反應器中剪切力條件相同的，只有水質條件不同。實驗采用人工配水，配方見表1.為了更好的模擬真實廢水中的情況，配水中還加入了生物膜生長所需的微量元素。

圖1實驗裝置示意

表1人工配水成分

1.2微電極測試系統

微電極測試系統示意圖如圖2所示。

圖2微電極測試系統示意

采用NH4+,NO3-,NO2-離子選擇性微電極進行測試，微電極產生的電信號通過丹麥Unisense公司生產的主機MicrosensorMultimeter收集，并通過軟件SensorTrace PRO V.3.1.3在計算機中讀取NH4+的濃度分別為10-5,10-4,10-3,10-2,10-1mol/L時，濃度的負對數與產生的電壓值之間表現出良好的線性相關性，相關系數為0.9987,同樣NO3-、NO2-離子選擇性微電極的相關系數分別為0.9979和0.9985.電極的響應時間指電極從剛開始接觸樣品到測量值達到最大測量值90%所需要的時間，這3種微電極的響應時間都小于10s,而且性能比較穩定。生物膜內DO濃度采用Unisense公司生產的尖端直徑為10μm的DO微電極（OX10）獲得，其響應時間小于3s,攪拌敏感度低，可以可靠、快速地進行測量。微環境的測量應當只在穩定的支架上進行，此支架應當固定在結實無震動的桌子上，實驗中采用Unisense支架LS18以及微電極推進器（MM33-2），推進器通過馬達控制器（MC-232）控制，實現μm級的步進距離。