CN104458846B - 一种用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法，所述微生物燃料电池包括阳极室和阴极室，阳极室的电极和阴极室的电极分别与外部的电压采集系统相连；所述方法包括以下步骤：首先，对微生物燃料电池的阳极室和阴极室分别进行培养；然后将待测高盐度废水输入到微生物燃料电池的阳极室中，读取外部的电压采集系统检测到的微生物燃料电池产生的电压，得出该待测高盐度废水的化学需氧量。该方法耗时短，不受氯离子干扰，无二次污染，测量结果误差小。
Description
技术领域
本发明涉及生物电化学领域，尤其涉及检测高盐度废水化学需氧量的方法。
背景技术
化学需氧量(简称COD)是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。废水、废水处理厂出水和受污染的水中，能被强氧化剂氧化的物质的量，在河流污染和工业废水性质的研究以及废水处理厂的运行管理中，是一个重要的而且能较快测定的有机物污染参数。
现在检测高盐度废水的化学需氧量的方法主要为重铬酸钾法和快速消解分光光度法。这两者的基本原理相同，即在水样中加入已知量的重铬酸钾溶液，并在强酸介质下以银盐作催化剂对还原性物质进行氧化消解测量。这两种方法的缺点为耗时长，存在氯离子的干扰，尤其氯离子含量较高的情况下，氯离子被氧化，使测量结果偏高，并且与银盐作用生成沉淀，影响测量结果，测出的COD误差很大。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于提供一种耗时短，不受氯离子干扰，测量结果误差小的用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法，所述微生物燃料电池包括阳极室和阴极室，阳极室的电极和阴极室的电极分别与外部的电压采集系统相连；所述方法包括以下步骤：首先，对微生物燃料电池的阳极室和阴极室分别进行培养；然后将待测高盐度废水输入到微生物燃料电池的阳极室中，读取外部的电压采集系统检测到的微生物燃料电池产生的电压，根据下式得出该待测高盐度废水的化学需氧量：
y=k*x，其中y为微生物燃料电池产生的电压，x为待测高盐度废水的化学需氧量；k的取值范围为0.51~0.55。
进一步，所述微生物燃料电池还包括进水蓄水池、出水蓄水池和蠕动泵；所述阳极室具有进水口和出水口，蠕动泵的软管一端接入进水蓄水池中，另一端接入阳极室的进水口中，蠕动泵用于将进水蓄水池的液体输入至阳极室中；阳极室的出水口接入出水蓄水池中，用于将阳极室的液体排入出水蓄水池中；所述对微生物燃料电池的阳极室进行培养包括启动阶段和运行阶段；启动阶段的步骤为：阳极室采用一化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行厌氧序批次培养，培养3个月后，用该高盐度废水样本进行厌氧连续流式培养：将该高盐度废水样本装入进水蓄水池中，通过蠕动泵连续将进水蓄水池中的高盐度废水样本输入到阳极室中，阳极室中超量的高盐度废水样本从出水口排入出水蓄水池中，直至微生物燃料电池产生稳定的电压，停止对该高盐度废水样本进行培养；运行阶段的步骤为：阳极室采用多种不同化学需氧量浓度的高盐度废水样本分别进行厌氧连续流式培养：当用一化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行培养，微生物燃料电池产生稳定的电压后，结束用该高盐度废水样本进行培养，更换另一种不同化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行培养。
进一步，所述高盐度废水样本均为盐度为20~22g/L的榨菜废水，其中，启动阶段中采用的高盐度废水样本的化学需氧量浓度为290mg/L，运行阶段采用的多种高盐度废水样本的化学需氧量浓度分别为290mg/L ，230mg/L，210mg/L，160mg/L，145mg/L，120mg/L，110mg/L。
进一步，所述对微生物燃料电池的阳极室进行培养的运行阶段中，当用一化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行培养，微生物燃料电池产生稳定的电压时，72小时后再更换另一种不同化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行培养；所述蠕动泵的工作流速为0.748ml/min。
进一步，所述“将待测高盐度废水输入到微生物燃料电池的阳极室中”具体为将待测高盐度废水加入进水蓄水池中，用蠕动泵将进水蓄水池的待测高盐度废水输入至阳极室中。
进一步，所述微生物燃料电池还包括与阴极室连接的真空泵，真空泵用于向阴极室输入空气；所述对微生物燃料电池的阴极室进行培养的步骤为：将盐度均为20~22g/L，化学需氧量浓度为290mg/L高盐度废水样本加入阴极室中进行培养，直至微生物燃料电池产生的电压降至80mv时，用同样盐度和化学需氧量浓度的新的高盐度废水样本更换阴极室的旧的高盐度废水样本，继续培养；阴极室培养时间为1~2个月。
进一步，所述微生物燃料电池的阳极室和阴极室之间用质子交换膜隔开，阳极室和阴极室均用树脂玻璃制成，其长宽高尺寸均为5.0 cm×5.5 cm×6.5 cm，有效容积均为150 ml。
进一步，阳极室的电极和阴极室的电极均采用碳布制成，其长宽尺寸均为4.5 cm×5 cm，有效面积均为20.25 cm2。
进一步，所述电压采集系统包括多路采集模块，多路采集模块具有两个采集端口；所述阳极室的电极和阴极室的电极之间连接有一与微生物燃料电池并联的外电阻，且阳极室的电极和阴极室的电极分别连接至多路采集模块的两个采集端口连接；所述外电阻的阻值为500Ω。
进一步，所述电压采集系统还包括与所述多路采集模块相连接的计算机，用于记录多路采集模块检测到的数据。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供的用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法，与传统方法需要取样、加药、消解、测定等一系列步骤相比，只需通过电压即可得到COD浓度，减少人力浪费，耗时短。与传统方法相比，不受氯离子干扰，无二次污染，测量结果误差小。
2、本发明提供的用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法，可根据电压快速推算出COD浓度，提供一种新的检测COD方法，与传统方法相比，更快捷、方便，并解决了氯离子干扰的问题。
附图说明：
图1为本发明提供的微生物燃料电池及其对外连接的结构框图。
图2为本实施例中阳极室培养时，启动阶段的厌氧序批次培养的最后一个周期中，微生物燃料电池产生电压与时间的关系图。
图3为本实施例中微生物燃料电池产生的电压与待测高盐度废水的化学需氧量的关系图。
图4为实施例中阳极室培养的运行阶段中，更换不同化学需氧量浓度的高盐度废水样本时，微生物燃料电池再次产生稳定电压的时间与高盐度废水样本的化学需氧量浓度的关系图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
实施例：
一种用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法，如图1所示，所述微生物燃料电池包括阳极室1和阴极室2，阳极室1的电极和阴极室2的电极分别与外部的电压采集系统5相连；所述方法包括以下步骤：首先，对微生物燃料电池的阳极室和阴极室分别进行培养；然后将待测高盐度废水输入到微生物燃料电池的阳极室中，读取外部的电压采集系统检测到的微生物燃料电池产生的电压，根据下式得出该待测高盐度废水的化学需氧量：
y=k*x，其中y为微生物燃料电池产生的电压，x为待测高盐度废水的化学需氧量；k的取值范围为0.51~0.55。具体实施时，k优选为0.53。
本发明的工作原理为：阳极室内的微生物降解高盐度废水中的有机物，并将电子传递到阳极室的电极，再通过外接线路传递到阴极室的电极，由外部的电压采集系统检测到的微生物燃料电池产生的电压，得出该待测高盐度废水的化学需氧量。
所述微生物燃料电池还包括进水蓄水池、出水蓄水池和蠕动泵3；所述阳极室具有进水口和出水口，蠕动泵3的软管一端接入进水蓄水池中，另一端接入阳极室的进水口中，蠕动泵用于将进水蓄水池的液体输入至阳极室中；阳极室的出水口接入出水蓄水池中，用于将阳极室的液体排入出水蓄水池中；所述对微生物燃料电池的阳极室进行培养包括启动阶段和运行阶段；如图2、4所示，启动阶段的步骤为：阳极室采用一化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行厌氧序批次培养，培养3个月后，用该高盐度废水样本进行厌氧连续流式培养：将该高盐度废水样本装入进水蓄水池中，通过蠕动泵连续将进水蓄水池中的高盐度废水样本输入到阳极室中，阳极室中超量的高盐度废水样本从出水口排入出水蓄水池中，直至微生物燃料电池产生稳定的电压，停止对该高盐度废水样本进行培养；运行阶段的步骤为：阳极室采用多种不同化学需氧量浓度的高盐度废水样本分别进行厌氧连续流式培养：当用一化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行培养，微生物燃料电池产生稳定的电压后，结束用该高盐度废水样本进行培养，更换另一种不同化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行培养。
所述高盐度废水样本均为盐度为20~22g/L的榨菜废水，其中，启动阶段中采用的高盐度废水样本的化学需氧量浓度为290mg/L，运行阶段采用的多种高盐度废水样本的化学需氧量浓度分别为290mg/L ，230mg/L，210mg/L，160mg/L，145mg/L，120mg/L，110mg/L。榨菜废水是在结合本土特征后选用的，三峡库区榨菜已有一百多年的历史，被誉为世界三大名腌菜之一。由于榨菜在制作过程中需要加入大量的盐进行腌制，因此，榨菜废水自身就是一种高盐度废水，且容易获得，用于做微生物燃料电池的培养液，具有成本低，容易实现等优点。具体实施时，榨菜废水的化学指标优选为盐度为20.67g/L，总氮为50.1mg/L，PH为7。
所述对微生物燃料电池的阳极室进行培养的运行阶段中，当用一化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行培养，微生物燃料电池产生稳定的电压时，72小时后再更换另一种不同化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行培养；所述蠕动泵的工作流速为0.748ml/min。由于电压稳定需要持续一段时间，因此等待72小时再更换榨菜废水是为了更准确地得到稳定的电压值，减小检测误差。蠕动泵的工作流速为0.748ml/min使得测出的电压和化学需氧量的相关性更好，测出的化学需氧量结果更准确。
图2为本实施例中阳极室培养时，启动阶段的厌氧序批次培养的最后一个周期中，微生物燃料电池产生电压与时间的关系图。由于微生物燃料电池的启动阶段进行了3个月的序批式培养，能够驯化微生物。所以到启动阶段的厌氧序批次培养的最后一个周期，微生物燃料电池输出电压能够快速上升，几乎在1天内，电压到达高峰，为192 mv，然后电压维持一个相对稳定的阶段，输出电压值为182 mv~184 mv，持续稳定一段时后，输出电压开始下降，降至50 mv以下，该周期结束。启动阶段之所以选用先通过序批式驯化培养后，再采用连续流培养的方法，是因为序批式培养主要培养微生物燃料电池中的微生物，在一个相对稳定的状态下能够更快速地进行培养。连续流培养是因为运行阶段为连续流运行，因此需要使微生物燃料电池尽快适应连续流，从而使微生物燃料电池在检测待测高盐度废水时，能够更加快速反应产电的变化。
图4中为阳极室培养的运行阶段中，更换不同化学需氧量浓度的高盐度废水样本时，微生物燃料电池再次产生稳定电压的时间（即响应时间）与高盐度废水样本的化学需氧量浓度的关系图。当COD浓度在120 mg/L以下时， MFCs（即微生物燃料电池）响应时间也小于50min；当COD浓度在120 mg/L ~290 mg/L之间，MFCs响应时间为0.8h~4h。由此可知，MFCs对榨菜废水感应灵敏，更换不同浓度的榨菜废水，电压的响应时间为0.8 h~4 h。
所述“将待测高盐度废水输入到微生物燃料电池的阳极室中”具体为将待测高盐度废水加入进水蓄水池中，用蠕动泵将进水蓄水池的待测高盐度废水输入至阳极室中，蠕动泵的工作流速可以为0.748ml/min。如图3所示。COD浓度为290 mg/L，电压输出值为161mv~163 mv；COD浓度为230 mg/L，电压输出值为128 mv~132 mv；COD浓度为210 mg/L，电压输出值为116 mv~120 mv；COD浓度为163 mg/L，电压输出值为86 mv~88 mv；COD浓度为145mg/L，电压输出值为77 mv~80 mv；COD浓度为120 mg/L，电压输出值为66 mv~68 mv；COD浓度为110 mg/L，电压输出值为50 mv~52 mv；电压输出值发生明显的变化，从图3可观察到，输出电压与COD之间呈线性变化，COD浓度为110 mg/L ~290 mg/L之间，产电与COD之间的关系呈直线关系（相关系数为0.986）。直线方程如下：y=0.53x；其中，y为电压值，单位为mv；x为COD值，单位为mg/L。
通过此方程可以根据电压推算出高盐度废水中的COD值，与传统COD检测法相比，更快速、方便，且不受氯离子的干扰。
所述微生物燃料电池还包括与阴极室连接的真空泵4，真空泵4用于向阴极室输入空气；所述对微生物燃料电池的阴极室进行培养的步骤为：将盐度均为20~22g/L，化学需氧量浓度为290mg/L高盐度废水样本加入阴极室中进行培养，直至微生物燃料电池产生的电压降至80mv时，用同样盐度和化学需氧量浓度的新的高盐度废水样本更换阴极室的旧的高盐度废水样本，继续培养；阴极室循环培养周期为1~2个月。具体实施时，阴极室的高盐度废水样本也可以为榨菜废水。选择盐度均为20~22g/L，化学需氧量浓度为290mg/L高盐度废水样本培养阴极室，是因为盐度为20~22 g/L，微生物燃料电池内阻相对最小，产电相对最大，整个装置能够在最优条件下运行。当微生物燃料电池产生的电压降至80mv时，为低电压阶段，低电压代表微生物燃料电池中有机物浓度已不能满足微生物需求，故更换培养液。
所述微生物燃料电池的阳极室和阴极室之间用质子交换膜隔开，阳极室和阴极室均用树脂玻璃制成，其长宽高尺寸均为5.0 cm×5.5 cm×6.5 cm，有效容积均为150 ml。
阳极室的电极和阴极室的电极均采用碳布制成，其长宽尺寸均为4.5 cm×5 cm，有效面积为20.25 cm2。不同微生物燃料电池大小和电极面积都会影响产电，上述微生物燃料电池的阳极室和阴极室的尺寸大小的设定，使得微生物燃料电池产电较高。
所述电压采集系统包括多路采集模块，多路采集模块具有两个采集端口；所述阳极室的电极和阴极室的电极之间连接有一与微生物燃料电池并联的外电阻6，且阳极室的电极和阴极室的电极分别连接至多路采集模块的两个采集端口连接；所述外电阻6的阻值为500Ω。所述电压采集系统还包括与所述多路采集模块相连接的计算机，用于记录多路采集模块检测到的数据。由空气中的氧气作为阴极的电子受体，再与外电阻相连，由电压采集系统记录下电压值。具体实施时，多路采集模块采用常见的PISO-813多路数据采集系统。电压采集系统可以每1min记录一次数据，整个检测过程在室温下运行。该微生物燃料电池不仅可用作检测COD，同时它也能处理阳极室和阴极室中的污水。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法，其特征在于，所述微生物燃料电池包括阳极室和阴极室，阳极室的电极和阴极室的电极分别与外部的电压采集系统相连；所述方法包括以下步骤：首先，对微生物燃料电池的阳极室和阴极室分别进行培养；然后将待测高盐度废水输入到微生物燃料电池的阳极室中，读取外部的电压采集系统检测到的微生物燃料电池产生的电压，根据下式得出该待测高盐度废水的化学需氧量：
y=k*x，其中y为微生物燃料电池产生的电压，x为待测高盐度废水的化学需氧量；k的取值范围为0.51~0.55；
所述微生物燃料电池还包括进水蓄水池、出水蓄水池和蠕动泵；所述阳极室具有进水口和出水口，蠕动泵的软管一端接入进水蓄水池中，另一端接入阳极室的进水口中，蠕动泵用于将进水蓄水池的液体输入至阳极室中；阳极室的出水口接入出水蓄水池中，用于将阳极室的液体排入出水蓄水池中；所述对微生物燃料电池的阳极室进行培养包括启动阶段和运行阶段；启动阶段的步骤为：阳极室采用一化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行厌氧序批次培养，培养3个月后，用该高盐度废水样本进行厌氧连续流式培养：将该高盐度废水样本装入进水蓄水池中，通过蠕动泵连续将进水蓄水池中的高盐度废水样本输入到阳极室中，阳极室中超量的高盐度废水样本从出水口排入出水蓄水池中，直至微生物燃料电池产生稳定的电压，停止对该高盐度废水样本进行培养；运行阶段的步骤为：阳极室采用多种不同化学需氧量浓度的高盐度废水样本分别进行厌氧连续流式培养：当用一化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行培养，微生物燃料电池产生稳定的电压后，结束用该高盐度废水样本进行培养，更换另一种不同化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行培养，所述高盐度废水样本均为盐度为20~22g/L的榨菜废水，其中，启动阶段中采用的高盐度废水样本的化学需氧量浓度为290mg/L，运行阶段采用的多种高盐度废水样本的化学需氧量浓度分别为290mg/L ，230mg/L，210mg/L，160mg/L，145mg/L，120mg/L，110mg/L；
所述微生物燃料电池还包括与阴极室连接的真空泵，真空泵用于向阴极室输入空气；所述对微生物燃料电池的阴极室进行培养的步骤为：将盐度均为20~22g/L，化学需氧量浓度为290mg/L高盐度废水样本加入阴极室中进行培养，直至微生物燃料电池产生的电压降至80mv时，用同样盐度和化学需氧量浓度的新的高盐度废水样本更换阴极室的旧的高盐度废水样本，继续培养；阴极室培养时间为1~2个月。
2.如权利要求1所述的用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法，其特征在于，所述对微生物燃料电池的阳极室进行培养的运行阶段中，当用一化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行培养，微生物燃料电池产生稳定的电压时，72小时后再更换另一种不同化学需氧量浓度的高盐度废水样本进行培养；所述蠕动泵的工作流速为0.748ml/min。
3.如权利要求1所述的用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法，其特征在于，所述“将待测高盐度废水输入到微生物燃料电池的阳极室中”具体为将待测高盐度废水加入进水蓄水池中，用蠕动泵将进水蓄水池的待测高盐度废水输入至阳极室中。
4. 如权利要求1所述的用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法，其特征在于，所述微生物燃料电池的阳极室和阴极室之间用质子交换膜隔开，阳极室和阴极室均用树脂玻璃制成，其长宽高尺寸均为5.0 cm×5.5 cm×6.5 cm，有效容积均为150 ml。
5. 如权利要求1所述的用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法，其特征在于，阳极室的电极和阴极室的电极均采用碳布制成，其长宽尺寸均为4.5 cm×5 cm，有效面积均为20.25 cm2。
6. 如权利要求1所述的用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法，其特征在于，所述电压采集系统包括多路采集模块，多路采集模块具有两个采集端口；所述阳极室的电极和阴极室的电极之间连接有一与微生物燃料电池并联的外电阻，且阳极室的电极和阴极室的电极分别连接至多路采集模块的两个采集端口连接；所述外电阻的阻值为500 Ω。
7.如权利要求6所述的用微生物燃料电池测高盐度废水化学需氧量的方法，其特征在于，所述电压采集系统还包括与所述多路采集模块相连接的计算机，用于记录多路采集模块检测到的数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |