CN104062345A

CN104062345A - 基于微生物电解池技术在线测定生化需氧量的装置

Info

Publication number: CN104062345A
Application number: CN201410298473.4A
Authority: CN
Inventors: 李侠; 蒋海明; 兰孝文; 张金山
Original assignee: Inner Mongolia University of Science and Technology
Current assignee: Inner Mongolia University of Science and Technology
Priority date: 2014-06-28
Filing date: 2014-06-28
Publication date: 2014-09-24

Abstract

本发明公开了一种基于微生物电解池技术在线测定生化需氧量的装置，包括微生物电解池；恒电位仪；连接管；液体输送泵；水力旋流器；样品自动稀释器；静态混匀器；在线脱气机；储液罐；恒温箱；计算机和控制系统；计算机和控制系统分别和微生物电解池传感器连接；微生物电解池通过连接管与液体输送泵、水力旋流器、样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机和储液罐连接。本发明装置由于消除了氧气的影响，因而具有灵敏度高、检测时间短、线性范围宽、检测下限浓度低及操作简单等优点，可在线测定生化需氧量，大大提高了监测水平。

Description

基于微生物电解池技术在线测定生化需氧量的装置

技术领域

本发明涉及一种生化需氧量测定装置，具体涉及一种生化需氧量在线测定的装置。

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（5d）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，提供一种生化需氧量在线测定装置，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：

本发明提供了一种生化需氧量在线测定装置，其特征在于：包括微生物电解池，用于测定生化需氧量的生物传感器；连接管；液体输送泵；水力旋流器；样品自动稀释器；静态混匀器；在线脱气机；恒电位仪；储液罐；恒温箱；电阻；数据采集系统，用于采集微生物电解池的输出信号；计算机和控制系统，用于控制整个装置的运行；计算机和控制系统分别和微生物电解池、液体输送泵、样品自动稀释器、在线脱气机、恒温箱及数据采集系统连接；数据采集系统与电阻并联。

微生物电解池通过连接管与液体输送泵、水力旋流器、样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机及缓冲液储液罐连接。

优选地，本发明微生物电解池为双室微生物电解池，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间设置有分隔膜，所述分隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜或双极膜；阳极室和阴极室内分别放置阳极电极和阴极电极；所述微生物电解池以惰性镀铂导电材料或铂材料为阴极电极、导电惰性材料（碳布、碳纸、石墨毡、网状玻璃碳或碳纤维刷）为阳极电极；阳极电极和阴极电极间通过钛丝、导线、恒电位仪及电阻连接；微生物电解池阳极室的阳极电极表面附着有电活性微生物。

阳极室通过连接管与液体输送泵、样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机、储液罐及采样泵连接。

阴极室通过连接管及液体输送泵和储液罐连接。

所述电活性微生物为异化金属还原菌，包括Clostridium beijerincki、Geobacter melallireducens、Geobacter sulfurreducens、Geothrix fermentans、Rhodoferax ferrireducens、Shewanella algae、Shewanella putrefaciens CN32、Thermoterrabacterium ferrireducens及Shewanella oneidensis等几种微生物的混合物。

所述电活性微生物可以以活性污泥、厌氧消化污泥、水底沉积物和/或污水为接种物富集获得。

所述的电活性微生物包括富营养生物与贫营养生物两大类；富营养功能微生物富集时可以以活性污泥、厌氧消化污泥、水底沉积物及污水为接种物、高浓度BOD溶液（BOD浓度大于10 mg/L）为培养基（如污水或人工配制的高浓度BOD模拟废水）富集；贫营养功能微生物富集时可以以活性污泥、厌氧消化污泥、水底沉积物和/或污水为接种物、低浓度BOD（BOD浓度小于10 mg/L）溶液为培养基（如地表水或人工配制的低浓度BOD模拟废水）富集，且在培养基或样品中加入呼吸抑制剂叠氮化钠。

一种生化需氧量在线测定装置，其特征在于：恒电位仪低电位端通过导线与电阻相连，电阻通过钛丝与阴极电极相连，恒电位仪的高电位端通过钛丝与阳极电极相连，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。

所述的生化需氧量在线测定装置，其特征在于：恒电位仪输出的直流电压范围为0.2~3.0 V。

所述的生化需氧量在线测定装置，其特征在于：进入微生物电解池阳极室的样品溶液的流量范围为0.1~100 mL/min。

所述的生化需氧量在线测定装置，其特征在于：装置上的所有输送泵、采样泵、样品自动稀释器、在线脱气机、恒温箱及数据采集系统均和计算机控制系统连接；数据采集系统和电阻并联，用于采集电阻两端的电压。

所述的生化需氧量在线测定装置，其特征在于：所述微生物电解池安装于一个恒温箱内。

一种生化需氧量在线测定装置，其特征在于：测定生化需氧量时，将含生化需氧量的样品脱氧气后连续不断地输入到微生物电解池阳极室中，测定由微生物电解池产生的最大电流，再根据微生物电解池产生的最大电流大小与生化需氧量浓度之间的相关性来确定样品中生化需氧量值。

本发明由于消除了氧气的影响，因而具有灵敏度高、检测下限浓度低、检测时间短、线性范围宽、检测下限浓度低及操作简单等优点，可在线测定生化需氧量。本发明方法具有快捷灵敏，检测时间短，大大提高了监测水平，并且具有较大的社会效益，是常规监测手段所无法达到的。

附图说明

图 1 为生化需氧量在线测定装置的结构示意图。

图 2 为实施例1的结果图。

图 3 为实施例1的结果图。

通过下面的详细说明并结合附图，可以更清楚地理解本发明的上面的及其他的目的、特征和优点。

具体实施方式

实施例 1

1. 用于在线测定生化需氧量装置的结构及微生物电解池感应器的设计与组装

图1是用于生化需氧量在线测定装置的一个图解说明，所述装置包括：连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、样品自动稀释器9、连接管10、储液罐11、连接管12、蠕动泵13、连接管14、静态混匀器15、连接管16、在线脱气机17、连接管18、微生物电解池19、排液管20、导气管21、导气管22、恒温箱23、储液罐24、连接管25、蠕动泵26、连接管27、排液管28、钛丝29、电阻30、导线31、恒电位仪32、钛丝33、数据采集系统34及计算机和控制部分35。

以下对具有上述结构的用微生物电解池来在线测定生化需氧量装置的工作原理进行说明。

装置中恒电位仪32的高电位端通过钛丝31与微生物电解池19的阳极电极相连，低电位端通过导线31、电阻30及钛丝29与微生物电解池19的阴极电极相连，恒电位仪32的直流输出电压设为0.9 V，从而促使在微生物电解池19阳极室中发生有效的生物电化学反应。

计算机和控制部分35分别对采样泵2、蠕动泵7、样品自动稀释器9、蠕动泵13、在线脱气机17、恒温箱23、蠕动泵26及数据采集系统34进行控制。

待测样品通过连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、样品自动稀释器9、连接管10进入静态混匀器15；同时储液罐11中的磷酸盐缓冲液经连接管12、蠕动泵13及连接管14也进入静态混匀器15；待测样品和磷酸盐缓冲液经静态混匀器15混匀后经连接管16、在线脱气机17及连接管18从微生物电解池19的阳极室的侧底部进入阳极室，流经阳极室后通过排液管20从阳极室的侧顶部排出；与此同时，纯N₂分别通过导气管21和导气管22分别进入微生物电解池19的阳极室和阴极室。阳极室里有阳极电极及附着在阳极电极表面能代谢有机物产生电子和质子的电活性微生物（微生物催化剂）。

与此同时，储液罐24中的磷酸盐缓冲液通过连接管25、蠕动泵26及连接管27从微生物电解池19的阴极室的侧底部进入阴极室，流经阴极室后通过排液管28从阴极室的侧顶部排出。阴极室里有铂阴极电极。也就是说，待测样品与磷酸盐缓冲液经脱氧后同时进入微生物电解池19的阳极室，而磷酸盐缓冲液脱氧后进入微生物电解池19的阴极室。此时，附着在微生物电解池19阳极电极表面的电活性微生物代谢有机质产生电子和质子；在恒电位仪32提供的直流外加电压的作用下，微生物代谢有机质产生的电子传递到阳极电极后经钛丝33、恒电位仪32、导线31、电阻30及钛丝29传递到微生物电解池19的阴极电极；微生物代谢有机质产生的质子经分隔膜从微生物电解池19的阳极室迁移到微生物电解池19阴极室的阴极电极表面附近，并与从阳极电极传递过来的电子在阴极电极表面结合形成氢气，从而产生电流。由数据采集系统34采集电阻30两端的电压后输入到计算机和控制部分35。

微生物电解池主要包括阳极室、阴极室、质子交换膜、石墨毡阳极电极、镀铂钛网阴极电极、硅胶密封圈及不锈钢螺丝（直径5 mm）固定螺丝。微生物电解池的阳极室和阴极室分别由一块聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板（60×100×20 mm）构成，每块板中间雕刻形成一个20×60×10 mm的空腔，且微生物电解池的阳极室和阴极室之间用质子交换膜（30×70 mm，Nafion^®117，Dupont Co., USA）隔开。阳极室和阴极室都分别设有进水管及出水管（直径3 mm）。阳极室中固定有石墨毡阳极电极（20×50×5 mm，GF series, Electro-synthesis Co., USA），而阴极室中固定有镀铂钛网阴极电极（18×50×2 mm，表面积约为25 cm²）。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后待用。质子交换膜在使用之前依次用3%（w/w）的过氧化氢水溶液、1 mol/L的硫酸水溶液及蒸馏水煮沸1 h，然后置于蒸馏水中待用。镀铂钛网阴极电极使用前用0.5 mol/L的硝酸溶液清洗。先将石墨毡阳极电极和镀铂钛网阴极电极分别固定在阳极室和阴极室内，然后依次分别将硅胶密封圈、质子交换膜、硅胶密封圈及阴极室置于阳极室上，再用不锈钢螺丝固定。镀铂钛网阴极电极与石墨毡阳极电极之间通过钛丝（直径0.3 mm）与恒电位仪和电阻（10.1 Ω）相连，其中恒电位仪的高电位端与石墨毡阳极电极相连，恒电位仪的低电位端与电阻相连，电阻与阴极电极相连，恒电位仪的直流输出电压设为0.9 V。电阻两端连接一个数据采集系统（myDAQ，上海恩艾仪器有限公司），用于测定电阻两端的电压。

2. 微生物电解池阳极电极表面富营养电活性微生物的富集

以污水处理厂的活性污泥为接种物、葡萄糖-谷氨酸模拟人工废水为营养液接种微生物电解池19的阳极室富集产电微生物。模拟人工废水（BOD=200 mg/L，50 mmol/L磷酸钠缓冲液，pH=7.0）通过连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、样品自动稀释器9及连接管10以1.8 mL/min的流量进入静态混匀器15；与此同时，储存罐11中磷酸钠缓冲液（0.5 mol/L，pH=7.0）以0.2 mL/min的流量经连接管12、蠕动泵13、连接管14及连接管10进入静态混匀器15，并与待测样品在在静态混匀器15中混合后经连接管16、在线脱气机17及连接管18从微生物电解池19的阳极室的侧底部进入阳极室，流经阳极室后经排液管20排出。纯N₂分别通过导气管21和导气管22以20 mL/min的流量分别进入微生物电解池19的阳极室和阴极室。与此同时，储液罐24中的磷酸钠缓冲液（50 mmol/L，pH=7.0）以0.5 mL/min的流量连续不断地经连接管25、蠕动泵26及连接管27输入到微生物电解池19的阴极室。同时每隔5 s用数据采集系统34（myDAQ，上海恩艾仪器有限公司）测定电阻30两端的电压，并将其保存到计算机和控制部分35。微生物电解池置于35ºC的恒温箱中保持温度恒定。经过5周的连续操作后，电阻30两端的电压稳定，说明在微生物电解池的阳极电极表面充分富集了电活性微生物，此时微生物电解池可以用来在线测定样品中的BOD。

3. 中高BOD浓度样品中BOD浓度测定

分别配制一系列不同BOD浓度的模拟人工废水（10 mg/L、25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L），并让样品依次通过连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、样品自动稀释器9、连接管10、静态混匀器15、连接管16、在线脱气机17及连接管18，以1.8 mL/min的流量进入微生物电解池19的阳极室；与此同时，储液罐11中磷酸钠缓冲液（0.5 mol/L，pH=7.0）以0.2 mL/min的流量经连接管12、蠕动泵13、连接管14及连接管10进入静态混匀器15，并与待测样品在在静态混匀器15中混合后经连接管16、在线脱气机17及连接管18从微生物电解池17的阳极室的侧底部进入阳极室。与此同时，储液罐24中的磷酸钠缓冲液（50 mmol/L，pH=7.0）以0.5 mL/min的流量连续不断地经连接管25、蠕动泵26及连接27输入到微生物电解池19的阴极室。同时每隔5 s用数据采集系统34（myDAQ，上海恩艾仪器有限公司）测定电阻30两端的电压，并将其保存到计算机和控制部分35。实验结果如图2和图3所示，BOD浓度与最大电流在0~100 mg/L的范围内呈线性关系，测定时间小于15 min。

实施例 2

实施例2的装置同实施例1。

2. 微生物电解池阳极电极表面贫营养电活性微生物的富集

葡萄糖-谷氨酸模拟人工废水培养基（BOD=5.0 mg/L ，pH=7.0）配制同实施例1，然后在配好的模拟人工废水培养基中加入叠氮化钠至1 mmol/L（最终叠氮化钠溶液浓度）。

以河底沉积物为接种物、葡萄糖-谷氨酸模拟人工废水为营养液接种微生物电解池19的阳极室富集产电微生物。模拟人工废水通过连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、样品自动稀释器9及连接管10以4 mL/min的流量进入静态混匀器15；与此同时，储存罐11中磷酸钾缓冲液（0.5 mol/L，pH=7.0）以0.4 mL/min的流量经连接管12、蠕动泵13、连接管14及连接管10进入静态混匀器15，并与待测样品在在静态混匀器15中混合后经连接管16、在线脱气机17及连接管18从微生物电解池19的阳极室的侧底部进入阳极室，流经阳极室后经排液管20排出。纯N₂分别通过导气管21和导气管22以20 mL/min的流量分别进入微生物电解池19的阳极室和阴极室。与此同时，储液罐24中的磷酸钠缓冲液（50 mmol/L，pH=7.0）以0.5 mL/min的流量连续不断地经连接管25、蠕动泵26及连接管27输入到微生物电解池19的阴极室。同时每隔5 s用数据采集系统34（myDAQ，上海恩艾仪器有限公司）测定电阻30两端的电压，并将其保存到计算机和控制部分35。微生物电解池置于35ºC的恒温箱中保持温度恒定。经过5周的连续操作后，电阻30两端的电压稳定，说明在微生物电解池的阳极电极表面充分富集了电活性微生物，此时微生物电解池可以用来在线测定样品中的BOD。

3. 低浓度BOD（如地表水）样品中BOD浓度测定

分别配制一系列不同BOD浓度的模拟人工废水（0 mg/L、0.5 mg/L、1 mg/L、1.5 mg/L、2.5 mg/L、3.5 mg/L、5.0 mg/L、6.5 mg/L、8.0 mg/L、10 mg/L、12 mg/L及14 mg/L）（pH=7.0），并让样品依次通过连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、样品自动稀释器9、连接管10、静态混匀器15、连接管16、在线脱气机17及连接管18，以4.0 mL/min的流量进入微生物电解池19的阳极室；与此同时，储液罐11中磷酸钾缓冲液（0.5 mol/L，pH=7.0）和叠氮化钠（11 mmol/L）混合溶液以0.4 mL/min的流量经连接管12、蠕动泵13、连接管14及连接管10进入静态混匀器15，并与待测样品在在静态混匀器15中混合后经连接管16、在线脱气机17及连接管18从微生物电解池17的阳极室的侧底部进入阳极室。与此同时，储液罐24中的磷酸钠缓冲液（50 mmol/L，pH=7.0）以0.5 mL/min的流量连续不断地经连接管25、蠕动泵26及连接27输入到微生物电解池19的阴极室。同时每隔5 s用数据采集系统34（myDAQ，上海恩艾仪器有限公司）测定电阻30两端的电压，并将其保存到计算机和控制部分35。实验结果表明BOD浓度与最大电流在0~10 mg/L的范围内呈线性关系，测定时间小于15 min。

Claims

1.一种生化需氧量在线测定装置，其特征在于：包括微生物电解池，用于测定生化需氧量的生物传感器；连接管；液体输送泵；水力旋流器；样品自动稀释器；静态混匀器；在线脱气机；恒电位仪；储液罐；恒温箱；电阻；数据采集系统，用于采集微生物电解池的输出信号；计算机和控制系统，用于控制整个装置的运行；计算机和控制系统分别和微生物电解池、液体输送泵、样品自动稀释器、在线脱气机、恒温箱及数据采集系统连接；数据采集系统与电阻并联；

2.如权利要求1所述的生化需氧量在线测定装置，其特征在于：所述微生物电解池为双室微生物电解池，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间设置有分隔膜，所述分隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜或双极膜；阳极室和阴极室内分别放置阳极电极和阴极电极；所述微生物电解池以惰性镀铂导电材料或铂材料为阴极电极、导电惰性材料为阳极电极；阳极电极和阴极电极间通过钛丝、导线、恒电位仪及电阻连接；微生物电解池阳极室的阳极电极表面附着有电活性微生物；所述导电惰性材料为碳布、碳纸、石墨毡、网状玻璃碳或碳纤维刷；

阳极室通过连接管与液体输送泵、样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机、储液罐及采样泵连接；

阴极室通过连接管及液体输送泵和储液罐连接；

所述电活性微生物为异化金属还原菌，包括Clostridium beijerincki，Geobacter melallireducens、Geobacter sulfurreducens、Geothrix fermentans、Rhodoferax ferrireducens、Shewanella algae、Shewanella putrefaciens CN32、Thermoterrabacterium ferrireducens及Shewanella oneidensis中一种以上微生物的混合物；

所述电活性微生物可以以活性污泥、厌氧消化污泥、水底沉积物及污水为接种物富集获得；

所述的电活性微生物包括富营养生物与贫营养生物两大类；富营养功能微生物富集时可以以活性污泥、厌氧消化污泥、水底沉积物和/或污水为接种物、BOD浓度大于10 mg/L的高浓度BOD溶液为培养基富集；贫营养功能微生物富集时可以以活性污泥、厌氧消化污泥、水底沉积物和/或污水为接种物、BOD浓度小于10 mg/L的低浓度BOD溶液为培养基富集，且在培养基或样品中加入呼吸抑制剂叠氮化钠。

3.如权利要求1所述的生化需氧量在线测定装置，其特征在于：恒电位仪低电位端通过导线与电阻相连，电阻通过钛丝与阴极电极相连，恒电位仪的高电位端通过钛丝与阳极电极相连，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。

4.如权利要求1所述的生化需氧量在线测定装置，其特征在于：恒电位仪输出的直流电压范围为0.2~3.0 V。

5.如权利要求1所述的生化需氧量在线测定装置，其特征在于：进入微生物电解池阳极室的样品溶液的流量范围为0.1~100 mL/min。

6.如权利要求1所述的生化需氧量在线测定装置，其特征在于：装置上的所有输送泵、采样泵、样品自动稀释器、在线脱气机、恒温箱及数据采集系统均和计算机控制系统连接；数据采集系统和电阻并联，用于采集电阻两端的电压。

7.如权利要求2所述的生化需氧量在线测定装置，其特征在于：所述微生物电解池安装于一个恒温箱内。

8.一种生化需氧量在线测定装置，其特征在于：测定生化需氧量时，将含生化需氧量的样品脱氧气后连续不断地输入到微生物电解池阳极室中，测定由微生物电解池产生的最大电流，再根据微生物电解池产生的最大电流大小与生化需氧量浓度之间的相关性来确定样品中生化需氧量值。