CN107345930A - 一种在线监测水中氨氮浓度的生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境监测技术领域，特别公开了一种在线监测水中氨氮浓度的生物传感器。该生物传感器，包括通过连接模块连接的探头模块和数据处理显示模块，其特征在于：所述探头模块为多层管状结构，且由内向外依次为多孔阴极棒、Nafion涂层、碳基阳极、电活性生物膜、离子筛选膜和保护滤网；连接模块为内部包裹导线的可调伸缩杆，可调伸缩杆上下两端分别连接探头模块和数据处理显示模块，导线两端分别连接碳基阳极和多孔阴极棒；数据处理显示模块包括内部安装信号转换存储器的密封防水壳，密封防水壳上设置有LED显示屏，信号转换存储器两端与导线连接。本发明装置结构简单，造价低，维护简单，使用寿命长。
Description
（一）技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，特别涉及一种在线监测水中氨氮浓度的生物传感器。
（二）背景技术
近年，我国水体有机污染得到有效控制，氮素污染凸显为主要环境问题。目前我国氨氮排放量已远远超出受纳水体的环境容量，氨氮已超过COD成为影响地表水环境质量的首要指标。为此，我国将氨氮纳入污染物排放总量控制体系，作为主要污染物实施总量控制。根据《中国环境状况公报》，我国目前每年氨氮排放总量超过几百万吨，地表水、地下水和海洋水体均不同程度地存在氨氮污染。氨氮污染控制刻不容缓，已成为亟待解决的重大环保课题。
对水中氨氮进行监测是控制水体氨氮污染的重要手段。目前市场上出现的氨氮监测仪按原理主要分为光度法和电极法两种。光度法主要基于纳氏试剂或水杨酸光度法，利用化学试剂与氨氮反应显色测定吸光度来，基于朗伯比尔定律定量水中氨氮浓度。光度法测定精度较高，但比色易受水中色度和浊度的影响，对仪器的预处理模块提出较高要求，显色剂保存时间短，显色反应所用化学试剂消耗量大，监测成本高，且显色剂多为有毒物质，易对环境造成二次污染。电极法的原理主要是调节水样pH 值在强碱性范围内，使水中的铵离子转化为以氨气，氨气透过氨气敏电极的疏水膜引起内充液pH 变化，通过电极电位的变化测定氨。氨气敏电极不受水体色度和浊度的影响，无需对水样进行预处理，但电极的易受污染，寿命较短。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种测定精度高、适用范围广、使用寿命长的在线监测水中氨氮浓度的生物传感器。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种在线监测水中氨氮浓度的生物传感器，包括通过连接模块连接的探头模块和数据处理显示模块，其特征在于：所述探头模块为两端通过顶固定密封圈和底固定密封圈封闭的多层管状结构，且由内向外依次为多孔阴极棒、Nafion涂层、碳基阳极、电活性生物膜、离子筛选膜和保护滤网，顶固定密封圈上设置有连通电活性生物膜空间的菌种接种口；连接模块为内部包裹导线的可调伸缩杆，可调伸缩杆上下两端分别连接探头模块和数据处理显示模块，导线两端分别连接碳基阳极和多孔阴极棒；数据处理显示模块包括内部安装信号转换存储器的密封防水壳，密封防水壳上设置有LED显示屏，信号转换存储器两端与导线连接。
本发明的更优技术方案为：
所述菌种接种口上设置有橡胶帽，对菌种接种口进行封闭，在使用前打开，用于添加生物菌种。
所述多孔阴极棒的材料为MnO2、Fe2O3和PbO2中的一种或多种，多孔阴极棒的孔径为0.1-0.3mm。
所述碳基阳极为碳布、碳毡、碳纸、石墨布和石墨毡中的一种，厚度为0.5-2mm。
所述电活性生物膜有厌氧氨氧化菌、氨氧化菌和反硝化细菌组成，厚度为150-300μm。
所述离子筛选膜为阳离子交换膜。
所述保护滤网的材质为硼硅微纤维，厚度为1-2mm，网孔直径为0.5-0.8mm。
所述可调伸缩杆由直径不同的不锈钢管套接组成，不锈钢管外表面涂有防腐聚丙烯涂层。
所述信号转换存储器包括信号转换电路、温度补偿电路、盐度补偿电路和数据存储器。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果：
（1）利用生物电化学反应测定水体中氨氮浓度，测定精度高，对环境无二次污染，适用于水体氨氮浓度的在线监测；
（2）装置结构简单，造价低，维护简单，使用寿命长。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明探头模块的横截面示意图。
图中，1底固定密封圈，2多孔阴极棒，3 Nafion涂层，4碳基阳极，5电活性生物膜，6离子筛选膜，7保护滤网，8菌种接种口，9顶固定密封圈，10橡胶帽，11可调伸缩杆，12导线，13信号转换存储器，14密封防水壳，15 LED显示屏，A探头模块，B连接模块，C数据处理显示模块。
（五）具体实施方式
附图为本发明的一种具体实施例。该实施例包括通过连接模块B连接的探头模块A和数据处理显示模块C，所述探头模块A为两端通过顶固定密封圈9和底固定密封圈1封闭的多层管状结构，且由内向外依次为多孔阴极棒2、Nafion涂层3、碳基阳极4、电活性生物膜5、离子筛选膜6和保护滤网7，顶固定密封圈9上设置有连通电活性生物膜5空间的菌种接种口8；连接模块B为内部包裹导线12的可调伸缩杆11，可调伸缩杆11上下两端分别连接探头模块A和数据处理显示模块C，导线12两端分别连接碳基阳极4和多孔阴极棒2；数据处理显示模块C包括内部安装信号转换存储器13的密封防水壳14，密封防水壳14上设置有LED显示屏15，信号转换存储器13两端与导线12连接。
所述菌种接种口8上设置有橡胶帽10；所述多孔阴极棒2的材料为MnO2、Fe2O3和PbO2中的一种或多种，多孔阴极棒2的孔径为0.1-0.3mm；所述碳基阳极4为碳布、碳毡、碳纸、石墨布和石墨毡中的一种，厚度为0.5-2mm；所述电活性生物膜5有厌氧氨氧化菌、氨氧化菌和反硝化细菌组成，厚度为150-300μm；所述离子筛选膜5为阳离子交换膜；所述保护滤网7的材质为硼硅微纤维，厚度为1-2mm，网孔直径为0.5-0.8mm；所述可调伸缩杆11由直径不同的不锈钢管套接组成，不锈钢管外表面涂有防腐聚丙烯涂层；所述信号转换存储器13包括信号转换电路、温度补偿电路、盐度补偿电路和数据存储器。
本发明的工作过程为：打开橡胶帽10，向菌种接种口8注入厌氧氨氧化菌、氨氧化菌和反硝化细菌混合液，在碳基阳极4表面形成电活性生物膜5，套上橡胶帽10。将探头模块A放入待监测水体，保护滤网7拦截水中的垃圾等杂物，氨氮经离子筛选膜6到达电活性生物膜表面5，电活性生物膜5上的电化学活性菌将氨氮降解，释放电子传递到碳基阳极4，碳基阳极4经导线12将电子传递到多孔阴极棒2表面，完成生物电化学反应。在此过程中，导线12产生电流，电流经信号转换存储器13处理转换，最终将水体中氨氮浓度数值显示在LED显示屏15。调节可调伸缩杆11长度，可监测不同深度水位的氨氮浓度。
Claims (9)
1.一种在线监测水中氨氮浓度的生物传感器，包括通过连接模块（B）连接的探头模块（A）和数据处理显示模块（C），其特征在于：所述探头模块（A）为两端通过顶固定密封圈（9）和底固定密封圈（1）封闭的多层管状结构，且由内向外依次为多孔阴极棒（2）、Nafion涂层（3）、碳基阳极（4）、电活性生物膜（5）、离子筛选膜（6）和保护滤网（7），顶固定密封圈（9）上设置有连通电活性生物膜（5）空间的菌种接种口（8）；连接模块（B）为内部包裹导线（12）的可调伸缩杆（11），可调伸缩杆（11）上下两端分别连接探头模块（A）和数据处理显示模块（C），导线（12）两端分别连接碳基阳极（4）和多孔阴极棒（2）；数据处理显示模块（C）包括内部安装信号转换存储器（13）的密封防水壳（14），密封防水壳（14）上设置有LED显示屏（15），信号转换存储器（13）两端与导线（12）连接。
2.根据权利要求1所述的在线监测水中氨氮浓度的生物传感器，其特征在于：所述菌种接种口（8）上设置有橡胶帽（10）。
3.根据权利要求1所述的在线监测水中氨氮浓度的生物传感器，其特征在于：所述多孔阴极棒（2）的材料为MnO2、Fe2O3和PbO2中的一种或多种，多孔阴极棒（2）的孔径为0.1-0.3mm。
4.根据权利要求1所述的在线监测水中氨氮浓度的生物传感器，其特征在于：所述碳基阳极（4）为碳布、碳毡、碳纸、石墨布和石墨毡中的一种，厚度为0.5-2mm。
5.根据权利要求1所述的在线监测水中氨氮浓度的生物传感器，其特征在于：所述电活性生物膜（5）有厌氧氨氧化菌、氨氧化菌和反硝化细菌组成，厚度为150-300μm。
6.根据权利要求1所述的在线监测水中氨氮浓度的生物传感器，其特征在于：所述离子筛选膜（6）为阳离子交换膜。
7.根据权利要求1所述的在线监测水中氨氮浓度的生物传感器，其特征在于：所述保护滤网（7）的材质为硼硅微纤维，厚度为1-2mm，网孔直径为0.5-0.8mm。
8.根据权利要求1所述的在线监测水中氨氮浓度的生物传感器，其特征在于：所述可调伸缩杆（11）由直径不同的不锈钢管套接组成，不锈钢管外表面涂有防腐聚丙烯涂层。
9.根据权利要求1所述的在线监测水中氨氮浓度的生物传感器，其特征在于：所述信号转换存储器（13）包括信号转换电路、温度补偿电路、盐度补偿电路和数据存储器。
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