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用微电极测定生物膜微环境中的物质迁移 ＊ 孟千秋 1,2 王 磊 1 王 韬 1 王旭东 1 李志霞 1 1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 陕西 西安 710055; 2.四川众望安全环保技术咨询有限公司, 四川 成都 610031 摘要 通过微电极法测定生物活性炭流化床反应器中 pH、NH 4、 NO - 2、NO - 3和 O2的剖面图, 得出不同 C N 下各种物 质在生物膜内部的迁移情况。 通过分析比较 传统的 C C ∶C N100∶ 5 的条件下, 并不是硝化反应的最佳条件, 而 C C ∶C N 5 时, NH 4-N 的去除率最高。 关键词 生物流化床 生物膜 微电极 硝化反应 ＊国家自然科学基金项目 50178059 。 0 引言 污水治理工艺中 ,氨态氮的去除要先通过自养硝 化作用氧化为硝酸盐最终通过异化作用将硝酸盐转 化成氮气去除。由于硝化有机体生长速率和生物相 的产率很低 ,若在连续流中运用硝化有机体 ,则需要 高效稳定的生物量和沉淀性良好的生物集合体。设 计、 扩大规模、 运行这样的生物反应器需要较好的理 解生物膜内部微观环境的变化。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 深度与生物膜表面相垂直方向特征参数的梯度分布 情况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 。 采用生物活性炭流化床反应器外加曝气装置培 养生物膜 ,去除污水中的氨氮 。使用微电极可在不同 C N 下测定出 pH 、 NH 4、 NO - 3、 NO - 2和溶解氧在生物 膜内部的迁移情况。 1 材料与方法 1. 1 流化床反应器 试验装置如图 1 所示, 圆柱形生物流化床反应器 高20 cm ,底部内径15 cm, 有效体积为 2 L , 材料为有 机玻璃,反应器内添加颗粒活性炭 。 采用机械搅拌 , 连续曝气 , 水力 停留时间为 3. 2 h 。 采用人工配水, 常温 ,pH 7. 8。 1. 2 微电极的原理 1. 2. 1 离子选择性微电极 离子选择性微电极 ISE 采用离子选择性载体作 为离子选择性液膜 LIX 的活性成分, 它对待测离子 具有高度选择性 ,选择合适的参比电极 , 微电极测得 图 1 试验装置流程示意图 的电位与待测离子的活度 或浓度 的对数成正比 ,通 过测定在离子选择性液膜上产生的电势差完成待测 离子的定性或定量测定。其测定回路 Ag AgCl 电解 液 离子选择性膜 样品 饱和 KCl Hg HgCl2。 1. 2. 2 溶解氧微电极 溶解氧微电极具有一个阳极, 两个阴极 , 一根 Ag AgCl 丝作阳极,其中一根银丝作保护阴极 ,另一根 镀金铂丝作感应阴极 。待测介质中的氧扩散通过硅 膜到达金阴极表面后被多孔金吸收 ,发生还原反应, 得到的电子是由阳极发生氧化反应失去的电子,阳极 与阴极之间的电子传递构成回路,该电信号的强度与 在金表面被还原的氧浓度成比例,由此通过测定电信 号可以定量氧的浓度 。 1. 3 微电极的制备 1. 3. 1 ISE 微电极 首先通过加热线圈将绿玻璃和白玻璃的尖端拉 细,然后分别截掉两玻璃的一部分, 在火焰上将两段 玻璃融合起来, 再次通过加热线圈将绿玻璃的尖端拉 细到1 μ m左右; 再将接合玻璃的尖端插入到硅烷剂中 进行硅烷化 ; 然后向接合玻璃中注入膜后电解液, 玻 璃尖端吸入离子选择性透过膜 ,向膜后电解液中插入 一根Ag AgCl 丝; 接下来将接合玻璃插入到外部套管 中,使其尖端露出, 外部套管和接合玻璃之间用环氧 88 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 树脂固定; 最后向外部套管中注入电解液 ,再向电解 液中插入一根Ag AgCl 丝。 试验中制作 pH 、 NH 4、 NO - 3、 NO - 2离子选择性微 电极, 它们的制作步骤基本一样, 只有离子选择性膜 和填充在离子选择性膜后的电解液不同 。 1. 3. 2 溶解氧微电极 采用丹麦 unisense 公司生产的尖端直径为10 μ m 的溶解氧微电极 OX25 , 氧气扩散通过硅膜 电极尖 端2 ～ 10 μ m 进入传感器 ,然后在靠近尖端的阴极上 被还原,电流值与尖端附近的氧气浓度成比例 。 1. 3. 3 微电极的性能 电极的响应时间定义为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 5 种微电极的响应时间都 5 s, 而且性能比较稳定。 长期使用表明, ISE 电极在一个星期内可以保持其线 性度和灵敏性, 但斜率有所降低。 1. 4 试验设备与测定方法 试验测定的线路连接如图 2 所示 。 1电脑; 2PA2000 微电流计 PHM210 微电压计; 3ADC -216 USB 转换器; 4MC-232 微型控制器; 5MM33微型操作器; 6步进电机; 7微电极; 8参比电极; 9网状结构的支撑物; 10人工基质。 图 2 试验测定线路连接示意 将微电极安装在微型操作器上 , 微调精度为 0. 01 mm ,此时微电极垂直于生物膜表面,然后将生物 膜从反应器中取出置于丝袜等较致密的网状结构上, 丝袜可以避免当微电极穿透生物膜时, 电极尖端受到 破坏 。微电极探头的高度及它在平面的位置也可以 通过粗调和微调螺杆进行调节 ,微电极产生的微电流 信号 0 ～ 200 pA 通过 PA2000 收集或微电压信号 PHM210 收集 ,并经过 A D 转换器输入计算机中, 所 产生 的 电 流 或 电 压 值 通 过 在 Unisense 公 司 的 profix3. 05 应用软件中读取。 1. 5 人工基质的配制 基质的配制参考De Beer D.的方法 ,各物质浓度 比例尽量接近生活污水 , 不含 K 是因为 K会对 NH 4电极造成干扰 , 基质中的 Cl - 、 NO - 3会对 NO - 2 电极造成干扰,Cl -也会对NO- 3电极造成干扰 。 2 结果与讨论 2. 1 进水 C C C N 20 生物膜内部物质浓度的 迁移 当进水条件为 C COD ∶ C N100∶ 5 时, 生物 膜培养 15 d, 生物膜的总厚度为 1. 5 mm。氨氮的去 除率为 78. 5。分别用 pH 、 NO - 3、 NO - 2、 NH 4和溶解 氧微电极测定生物膜内各种物质浓度的迁移。测定 结果的剖面图如图 3所示。 图 3 C C C N 20 时各种物质在生物膜内部的剖面图 图3 可见 ,物质边界层的厚度大约为400 μ m 。废 水中的有机物经附着水层向生物膜内扩散 , 大约在 0 μ m处从液相主体进入到生物膜中。氨和氧的变化 曲线表明在生物膜中其浓度从液相主体到生物膜内 部逐步降低, 溶解氧从生物膜表面到底部的浓度从 206. 23 μ mol L降至77. 46 μ mol L, 可见生物膜一直处 于 好 氧 状 态。 氨 的 浓 度 从 274. 36 μ mol L 降 到 198. 14 μ mol L 。而硝酸盐的浓度从液相主体到生物 膜则是一个先增大后减小的过程,800 μ m时硝酸盐的 浓度达到最大 , 然后沿深度方向浓度又逐渐降低。 pH 先沿深度从 7. 68 降到 7. 12, 然后上升到 7. 61, 而 NO - 2浓度基本没变化 。 溶解氧的变化曲线可知 整个生物膜中都有硝化 反应发生, 当生物膜厚度为700～ 800 μ m时, 硝化反应 速率随生物膜厚度的增加而增加; 但生物膜厚度在 800 μ m以上时, 硝化反应速率与生物膜的厚度没有明 显的关系, 由此可知生物膜的活性厚度在800 μ m时, 硝化反应最强。由于整个生物体内氧浓度一直很高, 根据反应方程式 NH 42O2NO - 32H H2O 可 知,溶解氧抑制 NO - 2的积累 ,所以NO - 2的含量较低。 在整个过程中没有出现厌氧区域,有少量的亚硝酸盐 存在是氨氧化不完全的结果。 89 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 长期以来人们认为生物体利用基质的最佳比例 C C ∶ C N ∶ C P 100∶ 5∶ 1 ,但对比较复杂的反应 体系和微生物体系不一定最适宜 。反应初始的 C N 关系是由反应体系的具体情况来决定。 2. 2 进水 C C C N 5生物膜内部物质浓度的迁移 当进水条件为 C COD ∶ C N 100∶ 20 时 ,培养 15 d,生物活性炭流化床反应器中的生物膜达到了一 定厚度, 氨氮的去除率为 83. 6。这时从反应器中 取出生物膜,分别用 pH、 NH 4、 NO - 3、 NO - 2和溶解氧微 电极测定生物膜内部微观环境中各种物质浓度的迁 移。测定结果的剖面图如图 4所示。 图 4 C C C N 5时各种物质在生物膜内部的剖面图 图 4 可见,各种基质大约在 0 μ m 处从液相主体 进入到生物膜中。随着生物膜深度增加 ,NH 4浓度 逐渐减小, 从281. 23 μ mol L降低到218. 14 μ mol L , 而 NO - 3浓度从102. 04 μ mol L增大到211. 36 μ mol L ,NO - 2 浓度在21. 12～ 36. 9 μ mol L , 沿深度方向先增大后减 小,但变化幅度很小。因为在 DO 存在条件下, 部分 NH 4被氧化成 NO - 2。由于在整个生物膜中一直都存 在硝化反应 ,而硝化反应伴随着 H 的释放, 因此 pH 从7. 75 降低到 6. 85。但是由于亚硝化菌的适宜 pH 值为 7. 0 ～ 8. 5, 而微电极测定生物膜中的 pH 在 6. 85～ 7. 75,不利于亚硝化菌的生长。剖面图中没有 发现NO - 3浓度的减小, 因此生物膜中明显只发生了 硝化作用 。 结果表明 氨氮的量增加 4 倍 ,但溶解氧的浓度 仍未耗尽 ,最低为63. 75 μ mol L左右 ,因此一直都有硝 化反应发生 ,试验中并未发现反硝化现象 ,说明不存 在厌氧区 。 2. 3 进水 C C C N 2生物膜内部物质浓度的迁移 当进水条件为 C COD ∶ C N 100∶ 50 时 ,培养 15 d,生物活性炭流化床反应器中的生物膜达到了一 定厚度, 氨氮的去除率为 68. 5。这时从反应器中 取出生物膜 ,分别用 pH、 NH 4、 NO - 3、 NO - 2和溶解氧微 电极测定生物膜内部微观环境中各种物质浓度的迁 移。测定结果的剖面图如图 5所示。 图 5 C C C N 2时各种物质在生物膜内部的剖面图 从氨和氧的剖面图显示 ,大约在 0 μ m 左右从液 相主体进入生物膜 。从图中可以看出生物膜的厚度 在2 500 μ m左右 ,比前两幅图有所增加。 生物膜内部变化 微电极在从 -700 μ m下降到 0 μ m左右时 ,从液相主体进入生物膜中。溶解氧迅速 减小, 在2 100 μ m时减小到 0 μ mol L ,然而氨离子的浓 度却迅速增加, pH 从 7. 68 增加到 7. 9 以后基本上保 持不变 ,硝酸盐和亚硝酸几乎没有变化 , 而且含量很 低。分 析 原 因 最 适 合 微 生 物 生 长 的 条 件 是 C COD ∶ C NH 4 ∶ C P 为 100∶ 5∶ 1, 但试验中的 NH 4- N 增加 10 倍, 氨虽然是硝化细菌的营养物质 电子供体 但高浓度的氨同时也抑制了硝化细菌的 活性 。生物膜内氨浓度增加是因为溶液中的氨氮扩 散和传质作用, 使其在生物膜中得到了积累 ,同时由 于异养型微生物氧化有机物和微生物的呼吸作用消 耗了溶解氧 ,所以在2 100 μ m时减小到 0 μ mol L ,但硝 化和反硝化并没有在生物膜内发生 。这一点从出水 中测定硝酸盐和亚硝酸盐的含量 , 也得到了证实, 几 乎检测不出来硝酸盐和亚硝酸盐的存在 。结果表明, 过量的增加 NH4-N 浓度生物膜内并没有发生硝化反 应,NH 4的去除主要靠活性炭和生物膜的吸附作用。 3 结论 1 在 C C ∶ C N 20 和 C C ∶ C N 5 时, 溶解氧在整个生物膜内均未被耗尽 ,两种情况下都有 硝化反应的发生 。C C ∶ C N 5 比 C C ∶ C N 20,NH 4- N 的去除率高 5. 1。这说明在COD 浓度不 变时 ,适量的增加NH 4- N 的浓度会提高 NH 4- N 的去 除效率。 90 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 2 在 C C ∶ C N 2 时, 溶解氧到达生物膜内 部时被完全耗尽 ,但却没有发生硝化反硝化作用。与 前两个条件相比 NH 4- N 的去除率只有 68. 5。在 COD浓度不变时, 不断的增加氨的浓度 , 会使溶解氧 消耗殆尽 ,致使溶解氧成为硝化反应的限制因素。因 此,保证反应系统中充足的溶解氧浓度对于生物膜实 现良好的硝化作用至关重要。 3 当进水氨氮质量浓度超过20 mg L后, 高浓度 游离氨会对系统的硝化作用产生抑制 。当游离氨浓 度超过了两类菌群的的抑制浓度时 ,则整个硝化过程 都受到抑制 。因此 ,当进水氨氮浓度逐渐增高时, 游 离氨浓度超过了两类菌群的抑制浓度, 则整个硝化过 程都受到抑制, 导致了硝化系统的去除率极大降低 。 参考文献 [ 1] Beer De ,Vanden Den D,Heuvel J C,et al.Microelectrode measurements oftheactivitydistributionin nitrifyingbacterial aggregates. Applied and Environmental Microbiology , 1993, 59 2 573-579 [ 2] Beer De , Vanden Den D, Heuvel J C.Response of ammonium - selective microelectrodes based on the neutralcarriernonactin. Talanta , 1988, 35 9 728 -730 [ 3] 布莱恩 R. 埃金斯. 化学传感器与生物传感器. 罗瑞贤等译. 北 京 化学工业出版社, 2005 [ 4] Revsbech N P, Jorgensen B B. Microelectrodes their use in microbial ecology . Adv. Microb. Ecol. , 1986 9 293 -352 [ 5] 吴盈禧, 蔡强, 周小红, 等. 基于溶解氧微电极的动态膜特性的 在线研究方法. 环境科学, 2005, 26 2 113 -117 [ 6] Okabe S, Satoh H, Watanabe Y.In situ analysis of nitrifying as determined by in situ hybridization and the use of microelectrodes. Applied and Environmental Microbiology , 1999, 65 7 3182 -3191 [ 7] Satoh H, Ono H. Macroscale andmicroscal analyses of nitrification and denitrification in biofilmattached on membraneaerated biofilm reactors. 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Keywords gas chromatography -mass spectrometry diesel exhaust particulate soluble organic fraction DETECTION TECHNIQUE OF SO3CONTENT IN COAL -FIRED FLUE GAS AND ITS APPLICA - TIONWang Fangqun Guo Rong Sui Jiancai et al 86 Abstract According to the situation, where flue gas analyzer still can t measure and test SO3content in coal -fired flue gas, the detection technique of SO3in coal-fired flue gas, including SO3sampling device and measuring -testing of SO3contentwasput forward. The detection technique has the advantages of accuracy, reliability and rapidity and can be applied to SO3content detection during FGD commissioning , daily operating of FGD and coal -fired power plant. Keywords coal-fired flue gas SO3 detection technique sampling device application DETERMINATION OF THE MATERIAL MIGRATION INTHE BIOFILM MICROENVIRONMENT BY THE MICROELECTRODEMeng Qianqiu Wang Lei Wang Tao et al 88 Abstract The migration of variousmaterials in biofilm at different C N can be obtained through determining the profiles of pH, NH 4, NO2, NO3and O2in a bio -activated carbon fluidized bed reactor by microelectrodes. It has been found through analysis and comparision that in the tra - ditional condition of C∶ N100∶ 5 is not the best condition, while at C N5, the removal rate of NH 4-N is the highest. Keywords biological fluidized bed biofilm microelectrode nitrification DETERMINATION OF DISSOLVED OXYGEN DOIN WATER BY SPECTROPHOTOMETRY Liu Qiaoyang Liu Jun GuoJianlin 92 Abstract It was studied the determinationof DO in water by spectrophotometry. MnSO4andaldehyde oxime solutionwere added to wa - ter samples, MnⅡwas oxidized to Mn Ⅳby DO in alkaline solution with pH of 10. 0～ 11. 0 and then a brown complex was produced with aldehyde oxime, whose absorbance value was determined by spectrophoto metry on condition of 450 nm wavelength, by which MnⅣ content was got. Do content was obtained indirectly by a ula with a range of 0. 6～ 12 mg L. The results of DO sampleswere agreedwellwith those of DO gauges. Keywords spectrophotometry dissolved oxygen manganese DETERMINATION OF PESTICIDE RESIDUES IN SEDIMENT BY GC -MS Zhao Fengying Guo Ping Zhang Dongmei et al 95 Abstract GC -MS was used to determine organophosphorous and carbamates pesticide residues in soil sample. The pesticide residues were extracted from soil sample by ultrasonic using acetone -petroleun ether volume ratio 1∶ 3as extractant were cleaned upwith Florisil column and analyzed by GC -MS-SIR in the same time. The recoveries obtainedfrom samples spiked with standards at the concentration levels of 0. 1μ g mL and 0. 5μ g mL were in the ranges of 70. 1～ 119. 0 and 78. 1～ 119. 0, respectively , with relative standard deviations of 6. 30～ 9. 80 and 5. 20～ 8. 23, respectively. Keywords soil sample organophosphorous carbamates pesticide residues determination GC-MS PROCESS OF PREPARING PRECIPITATED SILICA AND CaHPO42H2O WITH YELLOW PHOS - PHORUS SLAGSuYi Li Guobin Xia Jupei et al 98 Abstract The yellow phosphorus slag is a solid waste of producing yellow phosphorus in electrical furnace, containing a lot of CaO and SiO2, andmay be applied to producing Ca andSi product. It is researched preparing technology of precipitated silicawith 97 SiO2, white degree 90 and specific surface area 205 cm2 g, which is produced by leaching yellow phosphorus slag, then purifying and calcining, and CaHPO4 2H2O is got. The study indicates that the optimum technical conditions are phosphoric acid 80 mL, natural leaching temperature, HNO3concen - tration 8, purifying time 2. 0 h and purifying temperature 70 ℃. Keywords yellow phosphorus slag prepare precipitated silica CaHPO42H2O Manager China Iron and Steel Association SponsorCentral Research Institute of Building and Construction of MCC Group PublisherIndustrial Construction Magazine Agency EditorThe Editorial Department of Environmental Engineering 33, Xitucheng Road, Haidian District, Beijing 100088, China Telephone 01082227638 82227678 Chief Editor Bai Yun Vice Chief Editor Shen Guiqiu Domestic All Local Posts Distributor China International Book Trading Corporation P . O . Box 399, Beijing China China Standard Serial Numbering ISSN1000- 8942 CN 11-2097 X E-mail hjgcpublic. yj. cn. net hjgctg 163. com http www. hjgc. com. cn http www. hjgc. net. cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 5,October, 2008