CN103364469A

CN103364469A - 基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置及方法

Info

Publication number: CN103364469A
Application number: CN2013102141635A
Authority: CN
Inventors: 蒋海明; 李侠; 蔡禄
Original assignee: Inner Mongolia University of Science and Technology
Current assignee: Inner Mongolia University of Science and Technology
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了一种基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置及方法，装置采用微生物电解池结构，包括微生物电解池、数据采集系统及记录单元；微生物电解池以导电惰性材料为阳极电极、导电惰性材料为阴极电极，阳极电极和阴极电极间通过钛丝、恒电位仪及电阻连接；数据采集系统与电阻并联，记录单元和数据采集系统相连接。快速测定污水中BOD的方法为：将含BOD的样品加入到微生物电解池中，测定由微生物电解池产生的电化学信号，再根据微生物电解池产生的电化学信号（最大电流和库仑量）大小与BOD浓度之间的相关性来确定样品中BOD值。本发明具有灵敏度高、线性范围宽及检测时间短等优点，可以用于在线或离线测定污水中的BOD值。

Description

基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种生化需氧量快速测定装置与方法，具体涉及一种基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置与方法。

背景技术

生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）是衡量水质最为重要的和使用最广泛的指标之一。

BOD测定中使用最广泛的检测方法是五日生化需氧量（5-day BOD，BOD₅）。这种方法具有一定的优势，如作为一个普遍适用的方法能测量大多数污水样品，此外，不需要昂贵的设备。然而它不仅耗时（5 d）较长，而且要求有很好的经验和技术才能获得重复结果。因而，它不适合在线检测BOD。

因此，人们探索和研究了各种可以快速测量BOD的替代方法，特别是生物传感器。

大多数的BOD生物传感器是依靠一个合适的转换器来测量细胞的呼吸活动。最近的报道包括使用溶解氧探头、二氧化碳分析仪、光学传感器、发光细菌及微生物燃料电池等，其中将溶解氧探头和生物膜（含生物识别元件）相结合基于溶解氧监测的BOD生物传感器的研究和应用最为广泛。

虽然基于溶解氧探头BOD生物传感器的响应信号与BOD浓度之间具有良好的相关性，但这类传感器存在许多问题，如线性范围窄、溶解氧探头昂贵、膜污染造成稳定性差及需要对溶解氧探头定期清洗和替换，从而在一定程度上限制了其使用。

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一个以微生物作为催化剂氧化有机物并产生电流的装置。MFC产生的最大电流和库仑量与样品中BOD的浓度在一定范围存在较好的线性关系，因而可以作为BOD生物传感器。

目前已开发各种MFC型的BOD生物传感器，并用于离线或在线测定BOD。MFC型BOD生物传感器拥有许多优点，包括稳定周期长、维护要求低、抗重金属及广泛的特异性等。然而，该系统的缺点是在运行过程中需要不断地向阴极提供氧气，因为氧气可以从阴极室扩散进入阳极室，从而降低库仑效率和抑制阳极厌氧微生物的生长，最终会导致传感器的灵敏度下降、线性范围变窄及检测限高。此外，氧气在阴极的还原效率较低，不仅降低了传感器的灵敏度，而且也使传感器的检测时间较长。

因此，有必要研究和开发BOD检测的新方法。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种快速测定生化需氧量的装置及方法，本发明具有灵敏度高、线性范围宽及检测时间短等优点，可用于在线或离线测定污水中的BOD值。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置，其特征在于：所述装置采用微生物电解池结构，包括微生物电解池、数据采集系统及记录单元；所述微生物电解池为单室微生物电解池或双室微生物电解池；所述微生物电解池以导电惰性材料为阳极电极、导电惰性材料为阴极电极，阳极电极和阴极电极间通过钛丝、恒电位仪及电阻连接；数据采集系统与电阻并联，记录单元和数据采集系统相连接。

优选地，本发明微生物电解池为双室微生物电解池，阳极电极和阴极电极之间设置有分隔膜，所述分隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜。

进一步优选地，本发明阳极电极所用导电惰性材料为石墨毡、泡沫石墨、碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳或铂电极；阴极电极所用导电惰性材料为铂片、铂网、石墨毡、泡沫石墨、碳布、网状玻璃碳、石墨板、不锈钢、钛板、钛网，以及上述材料的镀铂和涂铂催化剂材料。

更具体地，本发明所述微生物电解池包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室之间由质子交换膜分隔，阴极室内设置有镀铂钛网阴极电极，阳极室内设置有石墨毡阳极电极，阴极电极和阳极电极之间通过钛丝、恒电位仪及电阻连接，其中恒电位仪高电位端通过钛丝与电阻相连，电阻通过钛丝与阳极电极，恒电位仪的低电位端通过钛丝与阴极电极相连，电阻两端连接一个用于测定电阻两端电压的数据采集系统。

本发明所述记录单元为一个记录与显示装置，数据采集系统连接记录与显示装置。

本发明阴极室和阳极室分别由一块聚甲基丙烯酸甲酯板构成，每块板中间雕刻形成一个空腔分别为阴极室和阳极室，设置有阴极室和阳极室的两块聚甲基丙烯酸甲酯板上下端分别由不锈钢螺丝固定连接，阴极室和阳极室分别设置有进样口，镀铂钛网阴极电极和石墨毡阳极电极分别固定在阴极室和阳极室内，阴极室和阳极室之间由质子交换膜分隔，质子交换膜和阴极室和阳极室的连接处分别安装有硅胶密封垫。

更进一步地，本发明镀铂钛网阴极电极使用前用0.5 mol/L的硝酸溶液清洗；石墨毡阳极电极在使用之前先用丙酮浸泡过夜，干燥后用1 mol/L的盐酸浸泡24 h，然后再用蒸馏水冲洗至中性；质子交换膜在使用之前依次用3%（w/w）的过氧化氢溶液、1 mol/L的硫酸溶液及蒸馏水煮沸1 h，然后置于蒸馏水中待用。

本发明同时提供了一种基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的方法，所述方法为利用微生物电解池进行快速测定，将含BOD的样品加入到微生物电解池中，测定由微生物电解池产生的电化学信号，再根据电化学信号大小与BOD浓度之间的相关性来确定样品中BOD值；所述电化学信号包括最大电流和库仑量。

具体步骤为：

1）、安装好微生物电解池；

2）、微生物电解池阳极电化学活性微生物的富集：

以质量比为1:1的葡萄糖-谷氨酸模拟人工废水或废弃生物质（用磷酸钠缓冲液调pH=7.0）为微生物培养液，以污水、厌氧环境中的沉积物或污水处理厂的厌氧消化污泥或活性污泥为接种物，培养液用纯氮气曝气脱氧后与接种物按体积比为8:2混合加到微生物电解池阳极室中；阴极溶液为50 mmol/L、pH=7.0磷酸钠缓冲液；

在微生物电解池两个电极之间由恒电位仪施加一个0.7 V的直流电压，同时微生物电解池阳极室和阴极室分别通20 mL/min的纯氮气，观察微生物电解池产生的电化学信号随时间的变化；同时根据电化学信号变化定期更换微生物电解池阳极室和阴极室中的液体，直到微生物电解池产生的最大电化学信号稳定；

3）、微生物电解池电化学信号与BOD浓度关系确定：

微生物电解池阳极充分富集了电化学活性微生物后，配制一系列含不同BOD浓度的葡萄糖-谷氨酸模拟人工废水作为实验的测试溶液，以确定微生物电解池产生的电化学信号与BOD浓度的关系，并做成标准曲线图；

4）、样品中BOD测定：

将待测样品进行去除颗粒固体物、调pH值及脱氧等预处理后注入到微生物电解池的阳极室，测定微生物电解池产生的电化学信号；根据微生物电解池电化学信号与BOD浓度的关系确定样品中的BOD值。

本发明方法中，微生物电解池的直流外加电压由恒电位仪提供，电压为0.3~1.2 V；微生物电解池的操作温度为20~40oC。

本发明使用的微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell，MEC）是以微生物催化氧化有机物，在外加直流电压下将有机物中的化学能直接转化为氢能的装置。MEC的基本工作原理为：在厌氧环境下，MEC阳极室中的微生物催化氧化有机物并产生电子和H⁺；产生的电子直接或间接传递至阳极电极，然后经外电路传递至阴极电极，同时H⁺经质子交换膜迁移至阴极室；在外加直流电压作用下H⁺与电子在阴极电极表面结合生成氢气，并产生电流。由于生成氢气所需要的电子是由微生物氧化有机物产生，因此MEC产生的库仑量或最大电流与有机物的浓度在一定范围内成正比。因而MEC型BOD生物传感器除拥有稳定性好、维护要求低、抗重金属及广泛的特异性等优点外，还具有灵敏度高、线性范围宽、检测限低及检测时间短等优点。

与现有BOD测定方法相比较，本发明具有以下优势：

（1）稳定性好、维护要求低、抗重金属及广泛的特异性。

（2）灵敏度高、线性范围宽及检测时间短。

附图说明

图 1 为本发明的微生物电解池工作原理示意图。

图 2 为本发明的快速测定生化需氧量的装置结构示意图。

图 3 （A）和图3（B）为本发明实施例1中微生物电解池的最大电流与BOD浓度的关系。

图 4 为本发明实施例1中微生物电解池的库仑量与BOD浓度的关系。

图 5 为本发明实施例1中基于微生物电解池技术的BOD生物传感的稳定性。

具体实施方式

实施例1

1. 测定装置的制备：

测定装置的结构如图2所示，包括：恒电位仪1、阴极室2、镀铂钛网阴极电极3（38×50×2 mm，表面积约为50 cm²）、质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）4、数据采集系统5、电阻6、阴极室7、石墨毡阳极电极8（40×50×5 mm, GF series, Electro-synthesis Co., USA）、硅胶密封垫9、进样口10、进样口11、不锈钢螺丝12、钛丝13、钛丝14、钛丝15、导线16、导线17及记录与显示装置18。

阴极室2和阳极室7分别由一块聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板（80×100×20 mm）构成，每块板中间雕刻形成一个40×60×12 mm的空腔。在微生物电解池的阴极室2和阳极室7中分别设有进样口11、10。

微生物电解池阴极室2和阳极室7之间用质子交换膜4（Nafion^?117，Dupont Co., USA）隔开。镀铂钛网阴极电极3使用前用0.5 mol/L的硝酸溶液清洗。石墨毡阳极电极8在使用之前先用丙酮浸泡过夜，干燥后用1 mol/L的盐酸浸泡24 h，然后再用蒸馏水冲洗至中性后待用。质子交换膜4在使用之前依次用3%（w/w）的过氧化氢水溶液、1 mol/L的硫酸溶液及蒸馏水煮沸1 h，然后置于蒸馏水中待用。先将镀铂钛网阴极电极3 和石墨毡阳极电极8分别固定在阴极室2和阳极室7内，然后依次分别将硅胶密封垫9、质子交换膜4、硅胶密封垫9及阴极室2置于阳极室7上，再用不锈钢螺丝12固定。

镀铂钛网阴极电极3与石墨毡阳极电极8之间通过钛丝13（直径0.3 mm）、钛丝14及钛丝15与恒电位仪1和电阻6（10.1 Ω）相连，其中恒电位仪1的高电位端通过钛丝14与电阻6相连，电阻6通过钛丝13与石墨毡阳极电极8相连，恒电位仪1的低电位端通过钛丝15与镀铂钛网阴极电极3相连，电阻6两端分别通过导线16和导线17与数据采集系统5连接，用于测定电阻6两端的电压。数据采集系统5连接记录与显示装置18。

本发明使用的微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell，MEC）是以微生物催化氧化有机物，在外加电压下将有机物中的化学能直接转化为氢能的装置。

如图1所示，MEC的基本工作原理为：在厌氧环境下，MEC阳极室中的微生物催化氧化有机物并产生电子和H⁺；产生的电子直接或间接传递至阳极电极，然后经外电路传递至阴极电极，同时H⁺经质子交换膜迁移至阴极室；在外加电压作用下H⁺与电子在阴极电极表面结合生成氢气，并产生电流。由于生成氢气所需要的电子是由微生物氧化有机物产生，因此MEC产生的库仑量或最大电流与有机物的浓度在一定范围内成正比。因而MEC型BOD生物传感器除拥有稳定性好、维护要求低、抗重金属及广泛的特异性等优点外，还具有灵敏度高、线性范围宽、检测限低及检测时间短等优点。

2.测定装置的操作运行：

以污水处理厂的厌氧活性污泥和初沉溢流液为接种物、模拟人工废水为底物接种微生物电解池富集产电微生物。微生物电解池阳极室7含体积比为8:2的葡萄糖-谷氨酸模拟人工废水（BOD=200 mg/L，50 mmol/L磷酸钠缓冲液，pH=7.0）和接种物的混合液，并不断充氮气（20 mL/min）以使阳极室7保持无氧状态。阴极室2含有50 mmol/L磷酸钠缓冲液（pH=7.0），且不断充氮气（20 mL/min）以使阴极室2保持无氧状态。微生物电解池为批次操作，每次实验结束后阳极室7和阴极室2分别用BOD浓度为200 mg/L的人工废水（20 mL）和50 mmol/L的磷酸钠缓冲液（20 mL）更换。恒电位仪1的电压固定为0.7 V，每隔5 s用数据采集系统5采集电阻两端的电压，并将其保存到记录单元18中。微生物电解池置于35oC的恒温水浴锅中保持温度恒定。经过4周的连续操作后，电阻两端的最大电压稳定，说明微生物电解池阳极电极表面充分富集了电化学活性微生物，此时该装置可以用来测定溶液中的BOD值。

3. 微生物电解池电化学信号与BOD浓度关系确定：

待微生物电解池产生的最大电压稳定后，配制了一系列含不同BOD浓度（10~400 mg/L）的葡萄糖-谷氨酸模拟人工废水作为实验的测试溶液，以确定微生物电解池产生的电化学信号与BOD浓度的关系。图3（A）和图3（B）为微生物电解池产生的最大电流与BOD浓度的关系。由图3（A）可知：微生物电解池产生的最大电流与BOD浓度在10~100 mg/L范围内成线性关系（相关系r²=0.99）。模型拟合表明，微生物电解池产生的最大电流与BOD浓度在10~400 mg/L范围内符合Monod方程（相关系数r²=0.988），如图3（B）所示。此外，微生物电解池产生的库仑量和BOD浓度在10~400 mg/L的范围内呈良好的线性关系（相关系数r² =0.999），如图4所示。

4. 传感器的测量时间：

利用最大电流模式时，BOD浓度在10~400 mg/L浓度范围内，测量时间（从进样到最大电流所需时间）约为10 min（10 mg/L为5.2±0.6 min，400 mg/L为9.9±0.3 min），此模式可用于在线检测。当利用库仑量模式时，两个低浓度样品（BOD浓度为10 mg/L和25 mg/L）的测量时间少于80 min，BOD值为200 mg/L时的测量时间为2 h，样品的BOD值为400 mg/L时的测量时间为5 h。

5. 传感器的稳定性：

以葡萄糖-谷氨酸模拟人工废水标准溶液（BOD=200 mg/L）为分析测试样品，微生物电解池每天进样6次，连续运行了12天，其结果如图5所示。由图5可知：在整个测试期间内传感器产生的最大电流和库仑量基本保持稳定，说明传感器的稳定性好。以最大电流表示时，其相对标准偏差在±0.7~±5.8%之间，72个样品的最大电流平均值为12.43±0.64 mA，相对标准偏差为±5.2%。以库仑量表示时，日均库仑量在39.3~43.8 C范围内变化，相对标准偏差在±1.8~±10.3%之间。72个样品的平均库仑量为41.1±2.8 C，相对标准偏差为±6.8%。

6. 样品中BOD浓度测定：

分别配制了BOD浓度为50、150及250 mg/L的样品，用本发明方法测得的BOD值分别为52.9±3.6、149.0±9.4及249.5±12.7 mg/L，相对标准偏差小于±6%（以库仑量模式计算）。

据美国公共卫生协会（American Public Health Association，APHA）公布的有关《水和废水检验标准方法》中BOD₅法测定废水中的BOD值时的规定，测量的重复性在±15.4%以内都是可以接受的，而本研究中的BOD生物传感器的重复性的相对标准偏差都远小于这个值。因此，说明本发明方法的重复性很好。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置，其特征在于：所述装置采用微生物电解池结构，包括微生物电解池、数据采集系统及记录单元；所述微生物电解池为单室微生物电解池或双室微生物电解池；所述微生物电解池以导电惰性材料为阳极电极、导电惰性材料为阴极电极，阳极电极和阴极电极间通过钛丝、恒电位仪及电阻连接；数据采集系统与电阻并联，记录单元和数据采集系统相连接。

2.如权利要求1所述的基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置，其特征在于：微生物电解池为双室微生物电解池，阳极电极和阴极电极之间设置有分隔膜，所述分隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜。

3.如权利要求2所述的基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置，其特征在于：阳极电极所用导电惰性材料为石墨毡、泡沫石墨、碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳或铂电极；阴极电极所用导电惰性材料为铂片、铂网、石墨毡、泡沫石墨、碳布、网状玻璃碳、石墨板、不锈钢、钛板、钛网，以及上述材料的镀铂和涂铂催化剂材料。

4.如权利要求3所述的基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置，其特征在于：所述微生物电解池包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室之间由质子交换膜分隔，阴极室内设置有镀铂钛网阴极电极，阳极室内设置有石墨毡阳极电极，阴极电极和阳极电极之间通过钛丝、恒电位仪及电阻连接，其中恒电位仪高电位端通过钛丝与电阻相连，电阻通过钛丝与阳极电极，恒电位仪的低电位端通过钛丝与阴极电极相连，电阻两端连接一个用于测定电阻两端电压的数据采集系统。

5.如权利要求4所述的基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置，其特征在于：所述记录单元为一个记录与显示装置，数据采集系统连接记录与显示装置。

6.如权利要求5所述的基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置，其特征在于：阴极室和阳极室分别由一块聚甲基丙烯酸甲酯板构成，每块板中间雕刻形成一个空腔分别为阴极室和阳极室，设置有阴极室和阳极室的两块聚甲基丙烯酸甲酯板上下端分别由不锈钢螺丝固定连接，阴极室和阳极室分别设置有进样口，镀铂钛网阴极电极和石墨毡阳极电极分别固定在阴极室和阳极室内，阴极室和阳极室之间由质子交换膜分隔，质子交换膜和阴极室和阳极室的连接处分别安装有硅胶密封垫。

7.如权利要求6所述的基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置，其特征在于：镀铂钛网阴极电极使用前用0.5 mol/L的硝酸溶液清洗；石墨毡阳极电极在使用之前先用丙酮浸泡过夜，干燥后用1 mol/L的盐酸浸泡24 h，然后再用蒸馏水冲洗至中性；质子交换膜在使用之前依次用3%的过氧化氢溶液、1 mol/L的硫酸溶液及蒸馏水煮沸1 h，然后置于蒸馏水中待用。

8.一种基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的方法，其特征在于，所述方法为利用微生物电解池进行快速测定，将含BOD的样品加入到微生物电解池中，测定由微生物电解池产生的电化学信号，再根据微生物电解池产生的电化学信号大小与BOD浓度之间的相关性来确定样品中BOD值；所述电化学信号包括最大电流和库仑量。

9.如权利要求8所述的基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的方法，其特征在于，具体步骤为：

1）、安装好微生物电解池；

2）、微生物电解池阳极电化学活性微生物的富集：

以质量比为1:1的葡萄糖-谷氨酸模拟人工废水或用磷酸钠缓冲液调pH=7.0的废弃生物质为微生物培养液，以污水、厌氧环境中的沉积物或污水处理厂的厌氧消化污泥或活性污泥为接种物，培养液用纯氮气曝气脱氧后与接种物按体积比为8:2混合加到微生物电解池阳极室中；阴极溶液为50 mmol/L、pH=7.0的磷酸钠缓冲液；

3）、微生物电解池电化学信号与BOD浓度关系确定：

4）、样品中BOD测定：

10.如权利要求9所述的基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的方法，其特征在于：微生物电解池的直流外加电压由恒电位仪提供，电压为0.3~1.2 V；微生物电解池的操作温度为20~40oC。