CN101882350A - 基于微生物燃料电池原理的水污染生物预警系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于微生物燃料电池(MFC)原理的水污染生物预警系统，其特征在于该系统由MFC敏感单元、信号采集处理单元和远程报警单元组成，其中MFC敏感单元采用“三合一”结构，阴阳极连续流，不含贵金属催化剂。进行在线监测时，将该预警系统安装于待监测水体，原水进入MFC敏感单元，调整外电阻大小使得系统灵敏度最高，MFC敏感单元的输出电压/电流由信号采集单元采集，经计算处理后进行上传存储并实时显示在显示屏上，一旦信号发生变化超过阈值，信号采集处理单元即通过远程报警单元向相关监测站和水厂发送报警提示信号。本发明所述预警系统和方法灵敏度高、维护成本低，是一种有效的突发性水污染生物预警技术。

Description

基于微生物燃料电池原理的水污染生物预警系统和方法
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，尤其涉及一种水质在线生物预警系统和方法。
背景技术
重大水污染突发事件频发已经成为中国近年来最严重的环境问题之一，建立完备的监测系统和应急预案已经成为我国各级政府和水务企业的共识。在监测系统中，一般分为快速预警、确定性检测和精确权威检测三级，其中快速预警环节是后两级检测的基础，对于争取最佳处理时机，减小重大环境、经济损失有着至关重要的作用。
生物监测尤其是在线生物监测技术利用生物响应综合表征水质状况，弥补了单纯依靠水体理化指标对水质变化进行监测分析的不足。生物监测技术近年来发展迅速，被认为是最具潜力的水污染预警技术之一。目前已有的生物预警技术多采用发光细菌、鱼等作为水质传感器的敏感单元，但是这些技术必须保持受试生物在活跃敏感的生命阶段内(如稳定期)，因此由于生长周期的限制必须经常性的对受试生物进行更换，不仅维护工作量大而且增加了运行成本，这就一定程度上限制了其作为在线连续检测技术的使用。
微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是近年来迅速发展起来的一项水处理新技术。MFC由基本的三部分组成：阳极、阴极和膜，它的基本原理是产电菌在阳极上形成生物膜，氧化进水中的有机物传递电子到阳极，电子经过外电路到达阴极，阴极氧气被还原生成水，完成产电过程。在这其中，如果保持阴极和外电路条件不变，电流的大小完全是由阳极产电菌的生理状态决定的。当进水条件有利于产电菌代谢时，MFC输出电流增大，当进水条件对产电菌代谢有害时，MFC输出电流减小。
发明内容
针对以上情况，本发明提供了一种基于MFC原理的水污染生物预警系统和方法。
本发明提供一种基于MFC原理的水污染生物预警系统，其特征在于该系统由MFC敏感单元、信号采集处理单元和远程报警单元组成。
其中，MFC敏感单元采用“三合一”结构，即阴极、阳极和膜紧密接触，其中套管作为分隔膜的支撑体，套管可为PVC、PMMA、PC等非金属绝缘材料，分隔膜可为离子交换膜、玻璃纤维膜等材料；阳极采用碳纤维丝，形式为碳刷，中间引电材料为钛丝以防止锈蚀；阴极采用活性碳纤维丝，形式可为碳刷或者碳毡以增强阴极性能，钛丝引电。
整个MFC敏感单元不采用任何贵金属催化剂，阴极靠自然充氧无需强制曝气。MFC敏感单元阴阳极外接电阻，其输出电压/电流由信号采集单元采集处理后，通过无线网络传输方式实现信号的上行传输，并实时显示在显示屏上。一旦信号发生变化超过设定的阈值，信号采集处理单元即通过远程报警单元向相关监测站和水厂发送报警提示信号。
本发明提供的基于MFC原理的水污染生物预警方法，包括以下步骤：
1.预警系统的安装和启动。将仪器安装在水质监测站内，利用仪器自带进水泵将原水吸入敏感单元的阳极室，水向上流动穿过阳极室，经过上部溢流堰溢流后沿疏松的阴极成滴滤状态向下流动，在敏感单元底部汇流经排水管排入待监测水体。在连续进出水过程中，水体中的土著产电菌在阳极表面不断附着生长，逐渐形成生物膜，输出电压逐渐稳定形成仪器监测基线，此时预警系统启动完毕，进入监测状态。
2.预警系统对水体突发性污染的监测。监测对象为水体的突发性污染事故，包括无急性毒性和有急性毒性的污染。系统启动之后，调整外电阻大小使系统灵敏度最高。在正常来水情况下，产电菌利用水中的微量有机物进行代谢生长，MFC输出稳定的电压信号，一旦有水污染事故发生，影响产电菌的正常代谢过程，MFC的输出电压将迅速产生偏移。再综合DO、ORP、pH、温度等指标，本系统以一定的频率在线实时采集各路信号，经过特殊算法计算之后形成水污染综合指数，一旦超出阈值，系统便可发出报警信号提示水污染事故的发生。
本发明与现有生物监测技术相比，将微生物对水质的直接响应作为采集信号，监测更灵敏，维护成本极低，该预警系统在工作期间可实现无人值守，是一种有效的在线生物预警技术。
附图说明
下面结合附图对本发明作详细说明：
图1为本发明的预警系统示意图；
图2为MFC敏感单元结构图；
图3为进水COD浓度突然增加后电压的响应；
图4为进水铜离子浓度突然增加后电压的响应。
附图标记：
A-MFC敏感单元、B-信号采集处理单元、C-远程报警单元、
1-进水管、2-MFC阳极、3-阳极引电材料、
4-分隔膜(上端为溢流堰)、5-阴极、6-汇水盘、7-出水管。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的工艺流程和原理做进一步说明。
实施例一
阳极室接种待监测水库的底泥和水的混合物，约3天后系统启动，使用自配水模拟进水，具体成分为：CH3COONa 65.6mg/L，NH4Cl 60mg/L，KH2PO4176mg/L，K2HPO4 136mg/L，KCl 4mg/L，CaCl2 4mg/L，MgCl2 4mg/L，0.4mL微量金属元素，COD约为50mg/L，调整外阻使得电压在200mV左右，正常进水条件下电压信号稳定。此时突然切换进水COD浓度为100mg/L，则电压迅速增加，如图3所示，10分钟内电压增加约90％，变化速率和变化幅度超过设定阈值，系统发出警报。这说明当出现非急性毒性的有机物污染时，系统可进行早期预警提醒水厂及时采取应急措施。
实施例二
阳极室接种待监测水库底泥和水的混合物，约3天后系统启动，使用自配水模拟进水，具体成分为：CH3COONa 65.6mg/L，NH4Cl 60mg/L，KH2PO4 176mg/L，K2HPO4 136mg/L，KCl 4mg/L，CaCl2 4mg/L，MgCl2 4mg/L，0.4mL微量金属元素，COD约为50mg/L，调整外阻使得电压在200mV左右，正常进水条件下电压信号稳定，投加20mg/L铜离子，即饮用水标准规定的浓度的20倍后，输出电压立即下降，20分钟后电压下降到初始电压的50％以下，如图4所示，说明该浓度的铜离子对产电菌代谢有明显影响。发生此类有毒重金属污染时，该预警系统可进行有效的早期监测。

Claims (7)

1.一种水污染生物预警系统，基于微生物燃料电池(MFC)原理检测突发性水污染事故，其特征在于，包括MFC敏感单元(A)、信号采集处理单元(B)和远程报警单元(C)；
所述MFC敏感单元(A)由阴极(5)、分隔膜(4)和阳极(2)自外向内紧密接触构成，阳极引电材料(3)位于阳极(2)中；
所述MFC敏感单元(A)阴阳极外接电阻，其输出电压/电流由信号采集单元(B)采集处理，若信号发生变化超过设定的阈值，信号采集处理单元(B)即通过远程报警单元(C)发送报警提示信号。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MFC敏感单元的阳极(2)采用碳纤维丝，形式为碳刷。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MFC敏感单元的阴极(5)采用活性碳纤维丝，形式为碳刷或者碳毡。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MFC敏感单元的阳极引电材料(3)为钛丝。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MFC敏感单元分隔膜(4)可为离子交换膜、玻璃纤维膜。
6.一种使用权力要求1中水污染生物预警系统的水污染生物预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：预警系统的安装和启动：将仪器安装在待测水体水质监测站内，在MFC敏感单元(A)进出水过程中，水中的土著产电菌在阳极(2)表面不断附着生长，形成生物膜，输出电流逐渐稳定形成仪器监测基线，此时预警系统启动完毕，进入监测状态。
步骤二：预警系统对水体突发性污染的监测：预警系统启动之后，调整外电阻大小使系统灵敏度最高；在正常来水情况下，所述产电菌利用水中的微量有机物进行代谢生长，MFC敏感单元(A)输出稳定的电压信号，若有水污染事故发生，影响产电菌的正常代谢过程，则所述MFC敏感单元(A)的输出电压/电流将产生偏移，若所述偏移超出阈值，系统便可发出报警信号提示水污染事故的发生。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法的监测对象为水体的突发性污染事故，包括无急性毒性和有急性毒性的污染。
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