CN111579618A - 基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统及方法，该检测系统包括预处理模块、自动进样模块、微生物燃料电池检测模块、中央控制系统模块和无线传输模块，所述各个模块内设置若干子系统。本发明采用MFC反应器作为BOD检测的核心部件，利用MFC阳极室中产电微生物对水样中有机物浓度变化的敏感性和特异性，通过采集MFC反应器的输出电信号，代入相应数学模型中计算，实现待测水样中BOD值的在线、实时、快速检测；通过设置多个通道，提高检测数据的准确率和系统运行的稳定性；无线传输模块也可满足水质远程监控要求。
Description
技术领域
本发明属于污水水质监测的技术领域，具体涉及一种基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统及方法。
背景技术
生化需氧量(BOD)是指在一定条件下，微生物分解存在于水中的可生化降解有机物所进行的生物化学反应过程中所消耗的溶解氧的数量(mg/L)，其值越高，说明水中有机污染物越严重。BOD作为一项最重要的环境监测常规指标，其测定对水污染控制及对水环境的功能评价具有非常重要的意义。
在BOD的测量中，通常规定使用20℃、5天的测试条件，并将结果以氧的浓度mg/L表示，记为五日生化需氧量，符号BOD5。然而，这种传统的五日生化法(BOD5)因为耗时长、技术要求高且结果重现性差的缘故，越来越不能适应快速检测的要求。
微生物燃料电池(microbial fuel cell，简称MFC)是一种以特殊微生物为催化剂，可直接将水样中可降解有机物中的化学能转化为电能的装置。当MFC的生物阳极所处的水环境发生变化时，附着在阳极上的微生物的活性也会随之发生改变，因此，可以通过记录MFC传感器外电路上的电信号变化，来反映水质的变化。
研究表明，MFC反应器的输出电信号值与其阳极室进水中BOD浓度存在良好的线性相关性，因此，可以借助MFC反应器来实现水样中BOD值的在线、快速测定。
同时在实际应用中，对于实际水体的监测，往往面临着涉及范围广、所需布点多，需人工值守等问题。因此，为更好地满足实际水体监测的便捷性，实现数据的远程传输和数据远程查看、水质远程预警等功能也十分重要。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统及方法，解决现有BOD检测方法时效性差、操作复杂等问题，实现BOD的在线、快速检测，并且能够做到远程预警通知。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，包括预处理模块、自动进样模块、微生物燃料电池检测模块、中央控制系统模块和无线传输模块；
所述预处理模块包括自动采样系统、干扰离子调节系统和水样消毒系统；
所述自动采样系统，用于定量采集待测水样，自动、定时地将待测水体泵入检测系统中；所述干扰离子调节系统，用于降低水样中干扰离子的浓度；
所述水样消毒系统，用于灭活待测水样中存在的各类杂菌和致病菌；
所述自动进样模块包括自动稀释系统、溶解氧去除系统、水样预热系统和自动进样系统；
所述自动稀释系统，用于对超过系统可测量浓度范围的待测水样按比例进行稀释，使其符合检测浓度要求；
所述溶解氧去除系统，用于确保微生物燃料电池阳极室内严格厌氧环境，减少因水样中溶解氧浓度过量而对阳极生物膜造成的伤害，保证检测结果的准确性和系统运行的稳定性；
所述水样预热系统，用于对待测水样进行预热，使其在进入微生物燃料电池检测模块时的溶液温度已达预设标准，缩短其在测量池内的加热时间，提高测量结果的准确性和稳定性；
所述自动进样系统，用于将预处理完全的待测水样定量地输送至微生物燃料电池阳极室中进行检测；
所述微生物燃料电池检测模块包括MFC检测系统、恒温控制系统、数据采集系统和反应器自动清洗系统；
所述MFC检测系统，用于对待测水样中BOD浓度的测量；
所述恒温控制系统，用于保证微生物燃料电池能够在适当的温度条件下稳定运行；
所述数据采集系统，用于采集微生物燃料电池阴、阳极两端输出的电信号变化值；
所述反应器自动清洗系统，用于对每次检测后的微生物燃料电池阳极室和阴极室进行清洗，确保每次测量结果不受上一次测量的影响；
所述中央控制系统模块，用于负责各个系统的稳定运行，发送操作指令，使整个在线检测系统处于高度自动化状态；所述中央控制系统中数据处理模型为：以“一元线性回归方程”为主，“非线性回归方程”为辅的混合数据处理模型，对处于系统正常检测浓度范围内的水样，依据一元线性回归方程进行浓度计算，对高于系统正常检测浓度范围的水样，则通过非线性回归曲线进行数据拟合和处理；
所述无线传输模块，用于所有数据的远程通信传输，实现水质远程监控和在线实时预警。
作为优选的技术方案，所述干扰离子调节系统，通过向待测水样中投加适量药剂，将水样中存在的对微生物有毒害作用以及对检测结果有干扰的离子浓度调节至可接受的范围；其中重金属离子的含量均需控制在0～0.1mol/L、铵根离子浓度需控制在0～50mg/L、硝酸根离子的浓度需控制在0～20mg/L、氯离子浓度需控制在0～400mg/L、硫酸根离子浓度需控制在0～150mg/L。
作为优选的技术方案，所述水样消毒系统的消毒方法是用波长为254nm的紫外线照射水样。
作为优选的技术方案，所述自动稀释系统采用弯管稀释方法，根据预先计算好的待测水样稀释比，通过计量泵抽取适量体积的待测水样，然后再加入适量的磷酸盐缓冲溶液，两者一起通入弯管中混合稀释均匀；
所述自动稀释系统包括稀释器，所述稀释器的主体结构是一段或几段长度不同的弯管，通过选择不同长度的弯管，实现水样不同比例的稀释要求；弯管设置在恒温器中，实现水样在稀释过程中同时进行预热的目的；所述稀释剂选用磷酸盐缓冲溶液，pH值为6.5～7.5。
作为优选的技术方案，所述溶解氧去除系统采用氮气吹脱溶解氧的方法，氮气吹脱时间至少0.5小时。
作为优选的技术方案，所述MFC检测系统的微生物燃料电池为双室空气阴极结构，阳极室和阴极室用Nafion117质子交换膜隔开；阳极室保持厌氧环境，控制溶解氧浓度不大于0.1mg/L；阳极和阴极之间用20～1000Ω的精密电阻相连接；阳极材料为碳毡，阴极材料为碳布；阴极催化剂为20％的Pt/C催化剂；
所述MFC反应器的阳极生物膜由待测水样培养富集而成；
所述MFC反应器主体结构采用有机玻璃耗材，整体构形为方形，中间截面为圆角方形，阳极腔室的液体出口采用高开孔位设计，确保不残留空气柱；腔室底部设计有自排渣口，底部液体进口的开口位置高于排渣口，高度差可设为2mm；
所述MFC反应器进水采用下进上出的方式，进出水口均设置在侧面；
所述MFC反应器的阳极室和阴极室采用非对称性设计，阳极室宽度设计为1.5cm，阴极室宽度则略小于阳极室宽度，设计为1.0cm；
所述的MFC检测系统中设置了至少三套微生物燃料电池传感器，其中两套传感器用于日常测量，另外预留一套传感器备用；
通过MFC检测系统中设置的至少两套实时检测通道采集的至少两个电信号，通过无线传输模块可以在手机客户端实现检测数据的分别处理，生成相应的水质监测信息；
所述电信号由数据采集系统采集后，将通过所述无线数据传输模块，经由所述基站中转，传送至所述云服务器中，最后传输至所述手机客户端；
所述的MFC检测系统中为保证MFC传感器在经过长时间运行后，仍然能够维持性能的稳定，通过将待测水体更换为性能恢复水体，从而实现对MFC传感器阳极生物膜的性能恢复，所述性能恢复水体为由磷酸盐缓冲溶液和乙酸钠溶液按比例配制成的混合水体。
作为优选的技术方案，所述恒温控制系统采用电控方式实现温度的准确控制，温度控制精度不超过±3℃，恒温控制系统温度保持在30±5℃范围。
作为优选的技术方案，所述反应器自动清洗系统采用充氮气排液的方法，设置清洗时长为2～5min，清洗次数为2～3次，根据反应器输出电信号的稳定程度判断清洗效果；所述清洗液为磷酸盐缓冲溶液pH值为6.5～7.5。
作为优选的技术方案，还包括预检模块，所述预检模块用于预先判断待测水样中BOD的值，确定水样稀释比，同时，检测水样中存在的干扰离子的含量，判断是否在可接受浓度范围内，并指导干扰离子调节系统中的加药量；
所述预先判断待测水样中BOD的值，是通过测定水样中COD值的大小，结合待测水样中B/C比的经验参数，判断水样中BOD的值。
本发明还提供一种基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统的检测方法，包括下述步骤：
第一步，水样预检，通过在系统外部测定待测水样的COD值，再进一步估算待测水样中BOD浓度范围；
第二步，水样预处理，根据上述水样预检结果，对符合检测要求的待测水样由所述自动采样系统定量采集水样后，依次经过所述干扰离子调节系统、所述水样消毒系统，完成对待测水样中干扰离子浓度调节和致病菌灭活的预处理过程；
第三步，自动进样，上述预处理之后流出的水样，根据第一步预检结果判断是否需要进行稀释，若需要则进入所述自动稀释系统中对水样按比例稀释，若不需要则进入后续系统，依次流经所述溶解氧去除系统、所述水样预热系统，实现水样中溶解氧去除和水样加热，再由自动进样系统向所述微生物燃料电池传感器的阳极进水管道通入定量待测水样；
第四步，数据检测，向微生物燃料电池传感器的阳极室通入待测水样后，由数据采集系统采集传感器产生的电信号，传送至所述中央控制系统中储存；
第五步，数据处理与传输，传送至中央控制系统的电信号经内部处理器运算处理后，数据处理结果依次通过基站、云服务器，传输至所述手机客户端。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明采用MFC反应器作为BOD检测的核心部件，借助MFC阳极室中微生物对水样中有机物浓度变化的敏感性和特异性，通过采集MFC反应器输出的电信号，以“一元线性回归方程”为主，“非线性回归方程”为辅的混合数据处理模型，旨在为应对水质成分剧烈变化的情况下，通过结合不同的数据分析模型，以期获得相对稳定、准确的测量结果。其中一元线性回归模型建立步骤包括：
①选取一元线性回归模型的变量；
②绘制计算表和拟合散点图；
③计算变量间的回归系数及其相关的显著性；
④回归分析结果的应用。
非线性回归模型建立步骤包括：
①根据散点图确认非线性回归方程模型；
②通过变量代换，将非线性回归方程转换为线性回归方程；
③依据线性回归方程求解相关变量；
④再转换为非线性回归方程。
(2)本发明在进行实际水样检测前均需进行水样预检，通过水样预检，提前判断水样BOD值，进而确定待测水样可能的稀释比，避免对MFC反应器阳极微生物造成冲击，提高MFC反应器的使用寿命和检测结果的准确度，同时，也能指导后续的水样预处理工作。
(3)本发明在微生物燃料电池检测系统中设置至少三套MFC反应器，其中日常使用两套，预留一套备用，通过设置多个检测通道，可以提高检测数据的准确率和系统运行的稳定性。另外，通过将待测水体更换为性能恢复水体，可以实现对MFC传感器阳极生物膜的性能恢复，保证MFC传感器的长期稳定运行。
(4)本发明还设计了无线传输模块，可以实现检测数据的远程传输，通过开发相应的手机客户端，能够实现水质的远程监控和预警。
附图说明
图1为本发明一个实施例中基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统结构示意图。
图2为个实施例中基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统的组成原理图。
图3为微生物燃料电池阳/阴极板结构示意图。
图4为本发明的结构示意图；
附图标号说明如下：
1-待测水样；2-采样泵；3-待测水样过滤器；4-UV灯；5-第一进样控制阀；6-加药罐；7-药剂选择阀；8-加药泵；9-加药控制阀；10-第一水样储存罐；11-水质参数传感器；12-第二进样控制阀；13-溶液三通阀；14-进样泵；15-氮气发生装置；16-气体流量计；17-恒温器；18-水样稀释混合装置；19-缓冲溶液储存罐；20-鼓风机；21-第一缓冲溶液控制阀；22-缓冲溶液进样泵；23-第二缓冲溶液控制阀；24-第二水样储存罐；25-第一溶解氧传感器；26-第三进样控制阀；27-微生物燃料电池；28-第二溶解氧传感器；29-外电阻；30-电信号采集仪；31-废液罐；32-中央控制系统；33-基站；34-云服务器；35-手机客户端。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
请参见图1和图2，本实施例基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，采用模块化的设计思路，整套检测系统细分为五个基本模块，包括：预处理模块、自动进样模块、微生物燃料电池检测模块、中央控制系统模块和无线传输模块，所述预处理模块、自动进样模块、微生物燃料电池检测模块、中央控制系统模块和无线传输模块顺序连接，每个模块中插入若干个不同的子系统，最后组合成一套完整的在线检测系统；通过本实施例的自动检测系统，以解决现有BOD检测方法时效性差、操作复杂等问题，实现BOD的在线、快速检测，并且能够做到远程预警通知推送。
在本申请的一个实施例中，所述预处理模块包括自动采样系统、干扰离子调节系统和水样消毒系统三大系统；
所述自动采样系统，用于定量采集待测水样，自动、定时地将待测水体泵入检测系统中。
所述干扰离子调节系统，用于降低水样中干扰离子的浓度，主要是为了避免待测水样中含有的杂质离子，如铵根离子，氯离子，硫酸根离子，Cu2+、等重金属离子等，干扰微生物的生长，减小系统误差，提高检测结果的准确性，依靠加药泵、加药控制阀等选取适量的药剂对水样中存在的杂质离子的含量进行调节。更为具体的：干扰离子调节系统通过向待测水样中投加适量药剂，将水样中存在的重金属离子(包括Cu2+、Pb2+、Cd2+)、铵根离子、硝酸根离子、氯离子和硫酸根离子的浓度调节至可接受的范围。其中重金属离子(包括Cu2+、Pb2 +、Cd2+)的含量均需控制在0～0.1mol/L、铵根离子浓度需控制在0～50mg/L、硝酸根离子的浓度需控制在0～20mg/L、氯离子浓度需控制在0～400mg/L、硫酸根离子浓度需控制在0～150mg/L
所述水样消毒系统，用于灭活待测水样中可能存在的各类杂菌和致病菌等，以减少对MFC反应器阳极生物膜产生影响，所述的消毒方法是用波长为254nm的紫外线照射水样。
在本申请的一个实施例中，所述自动进样模块包括自动稀释系统、溶解氧去除系统、水样预热系统和自动进样系统四大系统；
所述自动稀释系统，用于对超过系统可测量浓度范围的待测水样按比例进行稀释，使其符合检测浓度要求，采用弯管稀释方法，根据预先计算好的待测水样稀释比，通过计量泵抽取适量体积的待测水样，然后再加入适量的磷酸盐缓冲溶液(pH值为6.5～7.5)，两者一起通入弯管中混合稀释均匀。所述稀释器的主体结构是一段或几段长度不同的弯管，通过选择不同长度的弯管，实现水样不同比例的稀释要求。弯管设置在恒温器中，实现水样在稀释过程中同时进行预热的目的。
所述溶解氧去除系统，用于确保微生物燃料电池阳极室内严格厌氧环境，减少因水样中溶解氧浓度过量而对阳极生物膜造成的伤害，保证检测结果的准确性和系统运行的稳定性。所述溶解氧去除系统，采用氮气吹脱的方法去除溶解氧，优选地氮气吹脱时间为0.5小时。
所述水样预热系统，用于对待测水样进行预热，使其在进入微生物燃料电池检测模块时溶液温度已达预设标准，缩短其在测量池内的加热时间，提高测量结果的准确性和稳定性。
所述自动进样系统，用于将预处理完全的待测水样定量地输送至微生物燃料电池阳极室中进行检测。
更为具体的，自动采样系统的工作流程是：当自动采样器接收到中央控制系统的取样指令后，开启采样泵，根据预先设定好的取样量，通过插入到取样池中取样管，自动、定时地将待测水样泵入待测水样储水瓶中备用。在将待测水样泵入储水瓶前需要依次先经过水样过滤器，除去水样中的大颗粒悬浮杂质；然后再经过紫外灯照射，除去水样中可能存在的杂菌或致病菌等；最后进入储水瓶中。
所述微生物燃料电池检测模块包括MFC检测系统、恒温控制系统、数据采集系统和反应器自动清洗系统四大部分；所述MFC检测系统，用于对待测水样中BOD浓度的测量。所述恒温控制系统，用于保证微生物燃料电池能够在适当的温度条件下稳定运行。所述数据采集系统，用于采集微生物燃料电池阴、阳极两端输出的电信号变化值。所述反应器自动清洗系统，用于对每次检测后的微生物燃料电池阳极室和阴极室进行清洗，确保每次测量结果不受上一次测量的影响。
请参见图3，所述MFC检测系统采用微生物燃料电池，所述微生物燃料电池为双室空气阴极结构，阳极室和阴极室用Nafion117质子交换膜隔开；阳极室保持厌氧环境，控制溶解氧浓度不大于0.1mg/L；阳极和阴极之间用1000Ω的精密电阻相连接；阳极材料优选碳毡，阴极材料优选碳布；阴极催化剂为20％的Pt/C催化剂；阳极生物膜由待测水样培养富集而成；所述MFC反应器主体结构采用有机玻璃，整体构形为方形，中间截面采用圆角方形，液体出口采用高开孔位设计，保证不残留空气柱；腔室底部设计有自排渣口，底部液体进口开口位置高于与排渣口，高度差可设为2mm；所述MFC进水采用下进上出的方式，进出水口均设置在侧面；所述MFC的阳极室和阴极室采用非对称性设计，阳极室宽度设计为1.5cm，阴极室宽度则略小于阳极室宽度，设计为1.0cm。
更进一步的，在本实施例中，所述系统中MFC反应器至少设置两套，根据实际需求可设置多套反应器。通过MFC检测系统中设置的至少两套实时检测通道采集的至少两个电信号，通过无线传输模块可以在手机客户端实现检测数据的分别处理，生成相应的水质监测信息。
所述电信号由数据采集系统采集后，将通过所述无线数据传输模块，经由所述基站中转，传送至所述云服务器中，最后传输至所述手机客户端；
所述的MFC检测系统中为保证MFC传感器在经过长时间运行后，仍然能够维持性能的稳定，通过将待测水体更换为性能恢复水体，从而实现对MFC传感器阳极生物膜的性能恢复，所述性能恢复水体为由磷酸盐缓冲溶液和乙酸钠溶液按比例配制成的混合水体。
所述恒温控制系统，所述恒温控制系统采用电控方式实现温度的准确控制，温度控制精度不超过±3℃，恒温控制系统温度保持在30±5℃范围。
所述数据采集系统，用于采集微生物燃料电池阴、阳极两端输出的电信号变化值。
所述反应器自动清洗系统，包括注入清洗液和排液两个步骤，采用充氮气排液的方法，设置清洗时长为2～5min，清洗次数为2～3次，根据反应器输出电信号的稳定程度判断清洗效果，所述清洗液为磷酸盐缓冲溶液(pH值为6.5～7.5)。
所述中央控制系统模块主要负责各个系统的稳定运行，发送操作指令，使整个系统处于自动运行状态，是系统的主控模块，包括硬件部分和软件部分；利用编程软件设计一整套系统控制流程，通过软件控制，使整个系统处于自动化运行状态，实现被测样品的自动采样、样品预处理、自动进样、实时数据采集和计算、反应器自动清洗以及系统参数实时监控、数据无线传输等功能。中央控制系统与数据采集及处理系统共用一个软件系统。检测步骤具体为：
第一步，水样预检，通过所述水样预检系统测定待测水样的COD值，再进一步估算待测水样中BOD浓度范围；
第二步，水样预处理，根据上述水样预检结果，对符合检测要求的待测水样由所述自动采样系统定量采集水样后，依次经过所述干扰离子调节系统、所述水样消毒系统，完成对待测水样中干扰离子浓度调节和致病菌灭活的预处理过程；
第三步，自动进样，上述预处理之后流出的水样，根据第一步预检结果判断是否需要进行稀释，若需要则进入所述自动稀释系统中对水样按比例稀释，若不需要则进入后续系统，依次流经所述溶解氧去除系统、所述水样预热系统，实现水样中溶解氧去除和水样加热，再由自动进样系统向所述微生物燃料电池传感器的阳极进水管道通入定量待测水样；
第四步，数据检测，向微生物燃料电池传感器的阳极室通入待测水样后，由数据采集系统采集传感器产生的电信号，传送至所述中央控制系统中储存；
第五步，数据处理与传输，传送至中央控制系统的电信号经内部处理器运算处理后，数据处理结果依次通过基站、云服务器，传输至所述手机客户端。
所述无线传输模块用于所有数据的远程通信传输，以达到水质远程监控和在线实时预警的目的，包括信号传输天线、数据接收基站、云服务器和手机客户端四个部分。
在本申请中，所述系统实际运行时，水样在实际检测前和系统长期连续运行后均需要进行标准曲线的校准，一是系统开机启动时进行自动校准，二是，在多次测量结束后进行标准曲线漂移校准，优选连续测量次数为五次及五次以上。
在本申请的另一个实施例中，所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统实际运行时，水样在进行检测前需进行预检，用于预先判断待测水样中BOD的值，确定水样稀释比，同时，检测水样中存在的重金属离子(包括Cu2+、Pb2+、Cd2+)、氨根离子、硝酸根离子、氯离子和硫酸根离子的含量，判断是否在可接受浓度范围，指导干扰离子调节过程中的加药量等。
设置水样预检目的是为了能够预先确定待测水样中BOD的可能浓度范围，然后与MFC的测量限值比较，确保进入检测模块的待测水样浓度不超过传感器测定的线性范围，可以较好地减少误差，以及减少对MFC中阳极微生物的冲击。
通过预先测定水样COD值，结合待测水样BOD/COD的经验参数，来对待测水样中BOD值进行预估，大致判断水样的BOD值。经过该预检系统的浓度预判之后，再通相关计算和比较，得出稀释比，由水样自动稀释系统对待测水样进行稀释后，再进入MFC中进行测量(系统内部通过编程预先设定了几种类型的稀释比，实际操作中可选择系统提示的建议稀释比来进行水样稀释，也可以选择预设的稀释比稀释)。
同时，在水样预检过程中还需检测水样中重金属(包括Cu2+、Pb2+、Cd2+)、铵根离子、氯离子、硫酸根离子的含量，对照参数设定值判断是否在可接受的范围，并可根据相关结果指导加药量。
请参见图4，为了更为具体的阐述本发明的技术方案，以实际的结构图来说明本发明的技术方案：
基于上述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，本实施例具体的检测系统包括：采样泵2、待测水样过滤器3、UV灯4、第一进样控制阀5、加药罐6、药剂选择阀7、加药泵8、加药控制阀9、第一水样储存罐10、水质参数传感器11、第二进样控制阀12、溶液三通13、进样泵14、氮气发生装置15、气体流量计16、恒温器17、水样稀释混合装置18、缓冲溶液储存罐19、鼓风机20、第一缓冲溶液控制阀21、缓冲溶液进样泵22、第二缓冲溶液控制阀23、第二水样储存罐24、第一溶解氧传感器25、第三进样控制阀26、微生物燃料电池27、第二溶解氧传感器28、外电阻29、电信号采集仪30、废液罐31、中央控制系统32、基站33、云服务器34、手机客户端35。
基于上述检测系统，本实施例的检测方法具体如下：
(1)标准曲线绘制：
①取适量待测水体水样(已知BOD值)，通入系统中，用50mM的磷酸盐缓冲溶液对水样进行稀释，稀释比例依次为10％、20％、30％、40％、50％，混合均匀；
②依次进样，分别测出MFC外电路输出电压U0(或电流I0),若测量数据为电压值，则还需要依据欧姆定律求出电流值，并用积分的办法计算从进样到电压下降至峰值电压的5％期间收集的库仑电量(库仑量与BOD浓度在一定范围内存在线性关系)；
③用五种稀释比下的溶液BOD浓度值，对应库伦量，绘制标准曲线。
(2)样品测定：
①在中央控制系统32的程序控制下，采样泵2提取适量的待测水样1，先经过待测水样过滤器3除去水样中含有的大颗粒悬浮物等杂质，然后，再经过UV灯4的照射，除去水样中可能存在的杂菌和致病菌后，将水样输送至第一水样储存罐10中储存；
②通过设置于第一水样储存罐10中的水质参数传感器11(pH传感器/ORP传感器)反馈回的水质参数的数据，在中央控制系统32的程序控制下，药剂选择阀7选取对应的药品溶液，并通过加药泵8将适量的药剂输送至第一水样储存罐10中，以调节待测水样中干扰离子的浓度；中央控制系统32再根据水质参数传感器11加药后反馈回的数据判断水样预处理是否合格；
③根据待测水样预检结果，通过控制进样泵14将预处理合格后的水样从第一水样储存罐10中输送至水样稀释混合装置18中，同时，也从缓冲溶液储存罐19中抽取对应比例的磷酸盐缓冲溶液(pH值为6.5～7.5)进入水样稀释混合装置18中，待水样稀释混合均匀后，将混合溶液输送至第二水样储存罐24中储存；
④通过内置于第二水样储存罐24中的第一溶解氧传感器25反馈的混合溶液中溶氧的数据，中央控制系统32通过控制氮气发生装置15的开关，以及气体流量计16的大小，采用氮气吹脱的方式，严格控制待测水样中溶氧的浓度不超过0.1mg/L；
⑤待水样中各项参数均符合检测要求后，中央控制系统32按设定好的程序，将混合好的溶液按一定的体积自动泵入微生物燃料电池27的阳极室内，与此同时，在中央控制系统32的控制下，鼓风机20会对缓冲溶液进行一定程度曝气，增加溶液中溶解氧的浓度，然后再通过泵将适量的缓冲溶液从缓冲溶液存储罐19中泵入微生物燃料电池27的阴极室中；
⑥通过电信号采集仪30采集微生物燃料电池27外电阻29两端的电压数据，中央控制系统32通过将电压数据转换成相应的电流数据，并计算实时的库仑电量累积值，最后，将电量值代入标准曲线中来求出相应的BOD值；
⑦一次测量结束后，通过向微生物燃料电池27的阳极室和阴极室中分别充入氮气，将微生物燃料电池27中的溶液全部排入废液罐31中，并通入缓冲溶液清洗阳极室和阴极室，待电压信号恢复至基线状态后，方可进行下一次的测量；
⑧重复①～⑦的操作步骤进行下一次的水样测量。
(3)数据处理与传输：
①由电信号采集仪30收集的电信号数据(可以是输出电流值，也可以是输出电压值，若是输出电压值则还需要根据欧姆定律将其转换成电流值)会实时传送至中央控制系统32中，然后在中央控制系统32中内置的数据分析程序控制下，计算实时的库仑电量累积值，并将电量值代入预先标定好的标准曲线中求出相应的BOD值；
②通过MFC检测系统中设置的至少两套实时检测通道采集的至少两个电信号，通过无线传输模块可以在手机客户端35中实现检测数据的分别处理，同时生成相应的水质监测信息；
③电信号由数据采集系统采集后，将通过无线数据传输模块中的信号传输天线，将电信号等数据传输至数据接收基站33中，并经由所述基站33中转，进一步传送至所述云服务器34中，最后传输至所述手机客户端35。
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一组件。说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”；“大致”是指本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，包括预处理模块、自动进样模块、微生物燃料电池检测模块、中央控制系统模块和无线传输模块；
所述预处理模块包括自动采样系统、干扰离子调节系统和水样消毒系统；
所述自动采样系统，用于定量采集待测水样，自动、定时地将待测水体泵入检测系统中；所述干扰离子调节系统，用于降低水样中干扰离子的浓度；
所述水样消毒系统，用于灭活待测水样中存在的各类杂菌和致病菌；
所述自动进样模块包括自动稀释系统、溶解氧去除系统、水样预热系统和自动进样系统；
所述自动稀释系统，用于对超过系统可测量浓度范围的待测水样按比例进行稀释，使其符合检测浓度要求；
所述溶解氧去除系统，用于确保微生物燃料电池阳极室内严格厌氧环境，减少因水样中溶解氧浓度过量而对阳极生物膜造成的伤害，保证检测结果的准确性和系统运行的稳定性；
所述水样预热系统，用于对待测水样进行预热，使其在进入微生物燃料电池检测模块时的溶液温度已达预设标准，缩短其在测量池内的加热时间，提高测量结果的准确性和稳定性；
所述自动进样系统，用于将预处理完全的待测水样定量地输送至微生物燃料电池阳极室中进行检测；
所述微生物燃料电池检测模块包括MFC检测系统、恒温控制系统、数据采集系统和反应器自动清洗系统；
所述MFC检测系统，用于对待测水样中BOD浓度的测量；
所述恒温控制系统，用于保证微生物燃料电池能够在适当的温度条件下稳定运行；
所述数据采集系统，用于采集微生物燃料电池阴、阳极两端输出的电信号变化值；
所述反应器自动清洗系统，用于对每次检测后的微生物燃料电池阳极室和阴极室进行清洗，确保每次测量结果不受上一次测量的影响；
所述中央控制系统模块，用于负责各个系统的稳定运行，发送操作指令，使整个在线检测系统处于高度自动化状态；所述中央控制系统中数据处理模型为：以“一元线性回归方程”为主，“非线性回归方程”为辅的混合数据处理模型，对处于系统正常检测浓度范围内的水样，依据一元线性回归方程进行浓度计算，对高于系统正常检测浓度范围的水样，则通过非线性回归曲线进行数据拟合和处理；
所述无线传输模块，用于所有数据的远程通信传输，实现水质远程监控和在线实时预警。
2.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，所述干扰离子调节系统，通过向待测水样中投加适量药剂，将水样中存在的对微生物有毒害作用以及对检测结果有干扰的离子浓度调节至可接受的范围；其中重金属离子的含量均需控制在0～0.1mol/L、铵根离子浓度需控制在0～50mg/L、硝酸根离子的浓度需控制在0～20mg/L、氯离子浓度需控制在0～400mg/L、硫酸根离子浓度需控制在0～150mg/L。
3.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，所述水样消毒系统的消毒方法是用波长为254nm的紫外线照射水样。
4.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，所述自动稀释系统采用弯管稀释方法，根据预先计算好的待测水样稀释比，通过计量泵抽取适量体积的待测水样，然后再加入适量的磷酸盐缓冲溶液，两者一起通入弯管中混合稀释均匀；
所述自动稀释系统包括稀释器，所述稀释器的主体结构是一段或几段长度不同的弯管，通过选择不同长度的弯管，实现水样不同比例的稀释要求；弯管设置在恒温器中，实现水样在稀释过程中同时进行预热的目的；所述稀释剂选用磷酸盐缓冲溶液，pH值为6.5～7.5。
5.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，所述溶解氧去除系统采用氮气吹脱溶解氧的方法，氮气吹脱时间至少0.5小时。
6.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，所述MFC检测系统的微生物燃料电池为双室空气阴极结构，阳极室和阴极室用Nafion117质子交换膜隔开；阳极室保持厌氧环境，控制溶解氧浓度不大于0.1mg/L；阳极和阴极之间用20～1000Ω的精密电阻相连接；阳极材料为碳毡，阴极材料为碳布；阴极催化剂为20％的Pt/C催化剂；
所述MFC反应器的阳极生物膜由待测水样培养富集而成；
所述MFC反应器主体结构采用有机玻璃耗材，整体构形为方形，中间截面为圆角方形，阳极腔室的液体出口采用高开孔位设计，确保不残留空气柱；腔室底部设计有自排渣口，底部液体进口的开口位置高于排渣口，高度差可设为2mm；
所述MFC反应器进水采用下进上出的方式，进出水口均设置在侧面；
所述MFC反应器的阳极室和阴极室采用非对称性设计，阳极室宽度设计为1.5cm，阴极室宽度则略小于阳极室宽度，设计为1.0cm；
所述的MFC检测系统中设置了至少三套微生物燃料电池传感器，其中两套传感器用于日常测量，另外预留一套传感器备用；
通过MFC检测系统中设置的至少两套实时检测通道采集的至少两个电信号，通过无线传输模块可以在手机客户端实现检测数据的分别处理，生成相应的水质监测信息；
所述电信号由数据采集系统采集后，将通过所述无线数据传输模块，经由所述基站中转，传送至所述云服务器中，最后传输至所述手机客户端；
所述的MFC检测系统中为保证MFC传感器在经过长时间运行后，仍然能够维持性能的稳定，通过将待测水体更换为性能恢复水体，从而实现对MFC传感器阳极生物膜的性能恢复，所述性能恢复水体为由磷酸盐缓冲溶液和乙酸钠溶液按比例配制成的混合水体。
7.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，所述恒温控制系统采用电控方式实现温度的准确控制，温度控制精度不超过±3℃，恒温控制系统温度保持在30±5℃范围。
8.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，所述反应器自动清洗系统采用充氮气排液的方法，设置清洗时长为2～5min，清洗次数为2～3次，根据反应器输出电信号的稳定程度判断清洗效果；所述清洗液为磷酸盐缓冲溶液pH值为6.5～7.5。
9.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，还包括预检模块，所述预检模块用于预先判断待测水样中BOD的值，确定水样稀释比，同时，检测水样中存在的干扰离子的含量，判断是否在可接受浓度范围内，并指导干扰离子调节系统中的加药量；
所述预先判断待测水样中BOD的值，是通过测定水样中COD值的大小，结合待测水样中B/C比的经验参数，判断水样中BOD的值。
10.根据权利要求1-9中任一项所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统的检测方法，其特征在于，包括下述步骤：
第一步，水样预检，通过在系统外部测定待测水样的COD值，再进一步估算待测水样中BOD浓度范围；
第二步，水样预处理，根据上述水样预检结果，对符合检测要求的待测水样由所述自动采样系统定量采集水样后，依次经过所述干扰离子调节系统、所述水样消毒系统，完成对待测水样中干扰离子浓度调节和致病菌灭活的预处理过程；
第三步，自动进样，上述预处理之后流出的水样，根据第一步预检结果判断是否需要进行稀释，若需要则进入所述自动稀释系统中对水样按比例稀释，若不需要则进入后续系统，依次流经所述溶解氧去除系统、所述水样预热系统，实现水样中溶解氧去除和水样加热，再由自动进样系统向所述微生物燃料电池传感器的阳极进水管道通入定量待测水样；
第四步，数据检测，向微生物燃料电池传感器的阳极室通入待测水样后，由数据采集系统采集传感器产生的电信号，传送至所述中央控制系统中储存；
第五步，数据处理与传输，传送至中央控制系统的电信号经内部处理器运算处理后，数据处理结果依次通过基站、云服务器，传输至所述手机客户端。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112419862A (zh) * | 2020-11-12 | 2021-02-26 | 四川大学 | 微生物燃料电池和藻类光合生物耦合物质转化试验装置 |
| CN113820379A (zh) * | 2021-09-16 | 2021-12-21 | 中国农业大学 | 监测水体生化需氧量的浮标装置 |
| CN114894863A (zh) * | 2022-04-25 | 2022-08-12 | 五邑大学 | 一种有机废水bod检测装置及其应用与方法 |
| CN115078506A (zh) * | 2021-03-11 | 2022-09-20 | 南开大学 | 一种微生物燃料电池型bod生物传感器在实际应用中的测试方法 |
| CN115575459A (zh) * | 2022-12-08 | 2023-01-06 | 中国核动力研究设计院 | 小型化模块化水质在线监测系统 |
| CN116165027A (zh) * | 2023-04-21 | 2023-05-26 | 东营市和瑞化学科技有限公司 | 一种管道取样装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6114172A (en) * | 1995-10-13 | 2000-09-05 | Isco Inc. | Process and device for determining the biological oxygen demand of sewage |
| CN103338861A (zh) * | 2011-01-31 | 2013-10-02 | 旭化成化学株式会社 | 混合液制造装置及混合液制备方法 |
| CN105372164A (zh) * | 2015-12-11 | 2016-03-02 | 天津开发区合普工贸有限公司 | 自稀释气溶胶筛分标定装置 |
| CN106198689A (zh) * | 2016-08-12 | 2016-12-07 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种测定库伦生化需氧量的装置 |
| CN206951135U (zh) * | 2017-06-05 | 2018-02-02 | 长沙有色冶金设计研究院有限公司 | 一种管道式溶液稀释加热装置 |
| CN211612572U (zh) * | 2019-12-27 | 2020-10-02 | 江苏膜可光学材料有限公司 | 一种节能环保安全的搅拌桶 |
-
2020
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6114172A (en) * | 1995-10-13 | 2000-09-05 | Isco Inc. | Process and device for determining the biological oxygen demand of sewage |
| CN103338861A (zh) * | 2011-01-31 | 2013-10-02 | 旭化成化学株式会社 | 混合液制造装置及混合液制备方法 |
| CN105372164A (zh) * | 2015-12-11 | 2016-03-02 | 天津开发区合普工贸有限公司 | 自稀释气溶胶筛分标定装置 |
| CN106198689A (zh) * | 2016-08-12 | 2016-12-07 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种测定库伦生化需氧量的装置 |
| CN206951135U (zh) * | 2017-06-05 | 2018-02-02 | 长沙有色冶金设计研究院有限公司 | 一种管道式溶液稀释加热装置 |
| CN211612572U (zh) * | 2019-12-27 | 2020-10-02 | 江苏膜可光学材料有限公司 | 一种节能环保安全的搅拌桶 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112419862A (zh) * | 2020-11-12 | 2021-02-26 | 四川大学 | 微生物燃料电池和藻类光合生物耦合物质转化试验装置 |
| CN112419862B (zh) * | 2020-11-12 | 2022-05-10 | 四川大学 | 微生物燃料电池和藻类光合生物耦合物质转化试验装置 |
| CN115078506A (zh) * | 2021-03-11 | 2022-09-20 | 南开大学 | 一种微生物燃料电池型bod生物传感器在实际应用中的测试方法 |
| CN113820379A (zh) * | 2021-09-16 | 2021-12-21 | 中国农业大学 | 监测水体生化需氧量的浮标装置 |
| CN113820379B (zh) * | 2021-09-16 | 2022-11-08 | 中国农业大学 | 监测水体生化需氧量的浮标装置 |
| CN114894863A (zh) * | 2022-04-25 | 2022-08-12 | 五邑大学 | 一种有机废水bod检测装置及其应用与方法 |
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| CN116165027A (zh) * | 2023-04-21 | 2023-05-26 | 东营市和瑞化学科技有限公司 | 一种管道取样装置 |
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