CN112432986B - 一种新型间歇转连续式微生物电解池原位监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型间歇转连续式微生物电解池原位监测方法，该监测方法主要目的是利用污水中常见的具有氧化还原活性的微生物对污水水质和污染物进行原位监测和预警。间歇流与连续流转换区与小型潜水泵构成快速富集具有氧化还原活性的微生物，阳极采用碳刷，对电极采用钢网，并通过小型潜水泵调节运行模式，根据潜水泵流速进行微生物膜反冲洗过程，保障微生物活性，气体集散区设置在钢网顶空用于收集气体并通过三角形设计便于气体传导，无线互联网供电采集器包括微生物电池信号采集模块，电解池供电和采集模块，生物电信号放大，滤波模块和无线传输模块，设置10个采集通道，220伏交流供电系统，用于采集和分析原位监测的电信号并进行预警。
Description
技术领域
本发明属于微生物电化学预警技术领域，特别涉及一种新型间歇转连续式微生物电解池原位监测方法。
背景技术
随着工业化进程的加快，水质安全问题直接威胁到了人类的健康，因此水质监测预警系统的构建与运行至关重要。目前的水质监测预警系统的分析方法主要包括物理分析方法、化学分析方法和生物分析方法，其中物理、化学等传统分析方法由于其成本高、难以应对复杂水质且原位运行难度大等问题，难以达到当今水质监测的要求。生物分析方法主要通过水体生物的健康状态进行监测，灵敏度大打折扣，而微生物电化学预警技术由于其可利用水体中的电活性微生物产生的电信号直接反馈水质健康状态而被广泛研究。
相比于微生物燃料电池原位监测系统，微生物电解池原位监测系统减少了阴极的干扰，在恒压条件下培养的电极微生物膜更稳定、灵敏度更高、干扰因素更少，因此微生物电解池原位监测系统在水质监测领域更具有竞争力。发明申请人之前申请了一种高稳定微生物电化学传感器的制备方法，拓宽了水质环境，但是仍然发现存在启动周期长、灵敏度低、对电极气体堆积等问题。
发明内容
本发明目的是针对微生物电解池原位监测系统启动周期长、灵敏度低以及对电极气体堆积等问题，提供一种新型间歇转连续式微生物电解池原位监测方法。
本发明的技术方案是一种新型间歇转连续式微生物电解池原位监测方法，通过以下步骤实现的：
1)厌氧阻隔区消氧
厌氧阻隔区主要用于污水处理厂二沉池进水水质监测前的消氧过程，阻隔区由长40cm、宽20cm、高10cm的亚克力材质的长方体构成，外设进出口，内置9.5cm隔板，其中内置隔板距离进水口5cm用来缓冲进水和筛查水中杂质，通过调整水力停留时间，进行进水水质的消氧过程。
2)间歇流与连续流双模式高效富集具有氧化还原活性微生物与水质监测
通过小型潜水泵将厌氧进水传送至间歇流与连续流转换区，潜水泵停止运行，调整为间歇流模式，保持一段时间，让更多微生物通过重力作用挂在阳极上，随后在阳极和对电极之间施加0.7V外源电压，开启潜水泵，以小流速进行微生物的富集与生物膜的培养，通过调整流速，改变剪切力控制微生物膜的厚度，从而改变其对水质环境变化的敏感性。
通过添加有机污染物模拟水质变化完成该系统水质监测过程，在厌氧区注入不同浓度甲醛、三氟乙酸，考察不同浓度、不同种类有机污染物在不同流速下的电信号变化情况，通过电信号变化实现原位监测，一旦完成原位监测过程，再次调整大流速完成生物膜反冲洗过程去掉生物膜上失活微生物，保障微生物活性以备再次进行水质监测。
3)无线互联网供电采集器采集监测电信号
第二步涉及的外源电压、电信号变化等采集过程均由无线互联网供电采集器完成，首先将采集器的两电极接口分别连接至阳极和对电极上，打开主动电源通过三级电能转换单元完成0.7V电压输出，通过主控采集器采集电流变化，并将微弱的电信号，通过放大，滤波等信号处理方式得到当前环境污染的表征数据，并通过软件系统，将数据组包发送到远端，在TCP服务端实现对数据的实时存储和分析，完成对相关水质变化的原位监测。
其中，步骤1)所述调整水力停留时间，主要是通过潜水泵实现，水力停留时间控制在5h～8h。
步骤2)所述的0.7V外源电压，主要是通过无线互联网供电采集器的三级电能转换单元完成。所述的流速，均通过潜水泵来完成，其中小流速指1mL/s～5mL/s，大流速指15mL/s～25mL/s。所述不同浓度主要指甲醛浓度为1ppm～50ppm，三氟乙酸浓度为10ppm～50ppm。所述电信号变化，主要是通过电流的变化计算出电流变化率决定的。所述阳极为长度3cm～9cm、投影面积7cm2的碳刷材质，对电极为面积为7cm2的钢网材质，此时对电极内嵌于气体集散区便于产生气体的扩散，集散区为底面积7cm2、高3cm的圆锥体。
步骤3)所述无线互联网供电采集器主要包括三级电能转换单元、主控采集器和软件系统，三级电能转换单元使用产品型号为HLK10M05的交流转直流模块，实现将220V交流电转化为5V的直流电，供电能力为10V，通过型号为LM1117-2.5的线性稳压芯片，实现将5V直流电压降压为2.5V，供电能力为2.5W，通过型号为LT3088的线性稳压芯片，将2.5V电压转换为0.7V直流电源，用于能源电路提供给电解池阴极和阳极；主控采集器包括采集模块、生物电信号放大和滤波模块，所述采集模块采用精度为±1％的采样电阻和型号为MAX9934的电流采集芯片，实现将微小电流信号转化，所述生物电信号放大和滤波模块采用所述MAX9934与其外围电路，将采集弱电压信号放大到硬件系统识别范围(0～3.3V)和使用型号为MCP6001的放大器及外围电路实现将微生物电池电压放大到硬件系统识别范围(0～3.3V)，软件系统首先通过指令端口选择通信协议为TCP/IP或者UDP并配置用于无线网络连接的基本信息，随后进行模数转换软件模块的配置和启动工作，实现传感器10路信号采集的模数转换功能的正常工作，模数转换后，启动传感器自校正，完成传感器的零点校正，实现传感器在不同使用场景下，弱信号零点漂移带来的传感器数据错误等问题，传感器自校正还包括对模数转换模块的线性分析，在软件启动的模拟微生物传感器校正模块，实现模数转换模块线性区和死区的校正分析。并通过线性补偿算法，降低电气部分传感器因模数转换非线性因素带来的干扰。
本发明的优点和有益效果：
本发明和现有技术相比，通过间歇流与连续流双模式转化、流速变化、气体集散控制以及无线互联网供电采集器的设置实现了在线水质监测预警系统快速启动、监测、反冲洗和快速报警等过程。
本监测系统集微生物培养、维护、电信号采集、无线传输于一体实现水质监测和和预警的自动化，智能化，操作简单、减少人力和资源的浪费，并延长了微生物电解池传感器的使用寿命
附图说明
图1间歇流转连续流双模式微生物电解池水质在线监测系统构造图：
1为输水管线，2为厌氧阻隔区，3、3-1为潜水泵，4，4-1和4-2为卡子，5为间歇流与连续流双模式培养与水质监测区，6为阳极碳刷，7为对电极钢网，8为气体集散区，9为供电采集器，10为无线发射端口，11为手机或电脑软件分析系统。
图2无线互联网供电采集器运行模式原理图。
图3阳极长度为3cm、流速1mL/s、水力停留时间5h的间歇流转连续流电流启动基线图。
图4甲醛为1ppm时，阳极长度为3cm，水力停留时间5h，流速1mL/s启动，流速15mL/s反冲洗的电流采集信息图。
图5甲醛为50ppm时，阳极长度为9cm，水力停留时间8h，流速5mL/s启动，流速25mL/s反冲洗的电流采集信息图。
图6三氟乙酸为10ppm时，阳极长度为6cm，水力停留时间6h，流速2mL/s启动，流速18mL/s反冲洗的电流采集信息图。
图7三氟乙酸为50ppm时，阳极长度为6cm，水力停留时间7h，流速4mL/s启动，流速20mL/s反冲洗的电流采集信息图。
具体实施方式
实施例1：间歇流转连续流微生物电解池水质监测预警方法响应甲醛案例
实施例1-1：甲醛为1ppm时，阳极长度为3cm，水力停留时间5h，流速1mL/s启动，流速15mL/s反冲洗的案例
1)厌氧阻隔区消氧
如图1所示，由潜水泵3带动水流进入长40cm、宽20cm、高10cm的厌氧阻隔区2，通过控制潜水泵3的流速保证水力停留时间5h，进入厌氧阻隔区2的水流先经过9.5cm高的隔板，随后在厌氧区完成消氧过程，此时卡子4阻断进入下一区域。
2)间歇流与连续流双模式高效富集具有氧化还原活性微生物与水质监测
经过5h的消氧过程，关闭潜水泵3，打开潜水泵3-1和卡子4允许水流进入间歇流与连续流转换区，此时卡子4-2阻止水流流动，卡子4-1允许水流流动，待进水充满整个间歇流与连续流转换区5之后，关闭潜水泵3-1并将所有卡子使用阻止水体流动，此时间歇流与连续流转换区5为间歇流模式，保持一段时间后，开启供电采集器9，电极6设置长度为3cm，在电极6和对电极7之间施加0.7V电压，开启潜水泵3-1，以1mL/s流速进行微生物的富集与生物膜的培养，间歇流转连续流电流启动图如图3所示。
待电流平稳且对电极有稳定气泡产生时，通过气体集散区8进行气体排放，随后在4-5之间管线注入1ppm甲醛，继续以1mL/s流速进行水质监测过程，此时卡子4-1阻止水流通过，4-2允许水流通过，观测手机或电脑软件分析系统11，通过电信号变化确定水质监测过程，监测完成后调整潜水泵3-2流速为15mL/s进行大流速反冲洗去除阳极6上的失活微生物，保障微生物活性以备再次进行水质监测，最终电流变化图如图4所示。
3)无线互联网供电采集器采集监测电信号
第二步涉及的外源电压、电信号变化等采集过程均由无线互联网供电采集器9和10共同完成，运行模式原理图如图2所示，首先将采集器的两电极接口分别连接至阳极和对电极上，打开主动电源通过三级电能转换单元完成0.7V电压输出，通过主控采集器采集电流变化，并将微弱的电信号，通过放大，滤波等信号处理方式得到当前环境污染的表征数据，并通过软件系统，将数据组包发送到远端手机或电脑软件分析系统11，在TCP服务端实现对数据的实时存储和分析，完成对相关水质变化的原位监测。
实施例1-2：甲醛为50ppm时，阳极长度为9cm，水力停留时间8h，流速5mL/s启动，流速25mL/s反冲洗的案例
1)厌氧阻隔区消氧
如图1所示，由潜水泵3带动水流进入长40cm、宽20cm、高10cm的厌氧阻隔区2，通过控制潜水泵3的流速保证水力停留时间8h，进入厌氧阻隔区2的水流先经过9.5cm高的隔板，随后在厌氧区完成消氧过程，此时卡子4阻断进入下一区域。
2)间歇流与连续流双模式高效富集具有氧化还原活性微生物与水质监测
经过8h的消氧过程，关闭潜水泵3，打开潜水泵3-1和卡子4允许水流进入间歇流与连续流转换区，此时卡子4-2阻止水流流动，卡子4-1允许水流流动，待进水充满整个间歇流与连续流转换区5之后，关闭潜水泵3-1并将所有卡子使用阻止水体流动，此时间歇流与连续流转换区5为间歇流模式，保持一段时间后，开启供电采集器9，电极6设置长度为9cm，在电极6和对电极7之间施加0.7V电压，开启潜水泵3-1，以5mL/s流速进行微生物的富集与生物膜的培养。
待电流平稳且对电极有稳定气泡产生时，通过气体集散区8进行气体排放，随后在4-5之间管线注入50ppm甲醛，继续以5mL/s流速进行水质监测过程，此时卡子4-1阻止水流通过，4-2允许水流通过，观测手机或电脑软件分析系统11，通过电信号变化确定水质监测过程，监测完成后调整潜水泵3-2流速为25mL/s进行大流速反冲洗去除阳极6上的失活微生物，保障微生物活性以备再次进行水质监测，最终电流变化图如图5所示。
3)无线互联网供电采集器采集监测电信号
第二步涉及的外源电压、电信号变化等采集过程均由无线互联网供电采集器9和10共同完成，运行模式原理图如图2所示，首先将采集器的两电极接口分别连接至阳极和对电极上，打开主动电源通过三级电能转换单元完成0.7V电压输出，通过主控采集器采集电流变化，并将微弱的电信号，通过放大，滤波等信号处理方式得到当前环境污染的表征数据，并通过软件系统，将数据组包发送到远端手机或电脑软件分析系统11，在TCP服务端实现对数据的实时存储和分析，完成对相关水质变化的原位监测。
实施例2：间歇流转连续流微生物电解池水质监测预警方法响应三氟乙酸案例
实施例2-1：三氟乙酸为10ppm时，阳极长度为6cm，水力停留时间6h，流速2mL/s启动，流速18mL/s反冲洗的案例
1)厌氧阻隔区消氧
由潜水泵3带动水流进入长40cm、宽20cm、高10cm的厌氧阻隔区2，通过控制潜水泵3的流速保证水力停留时间6h，进入厌氧阻隔区2的水流先经过9.5cm高的隔板，随后在厌氧区完成消氧过程，此时卡子4阻断进入下一区域。
2)间歇流与连续流双模式高效富集具有氧化还原活性微生物与水质监测
经过6h的消氧过程，关闭潜水泵3，打开潜水泵3-1和卡子4允许水流进入间歇流与连续流转换区，此时卡子4-2阻止水流流动，卡子4-1允许水流流动，待进水充满整个间歇流与连续流转换区5之后，关闭潜水泵3-1并将所有卡子使用阻止水体流动，此时间歇流与连续流转换区5为间歇流模式，保持一段时间后，开启供电采集器9，电极6设置长度为6cm，在电极6和对电极7之间施加0.7V电压，开启潜水泵3-1，以2mL/s流速进行微生物的富集与生物膜的培养。
待电流平稳且对电极有稳定气泡产生时，通过气体集散区8进行气体排放，随后在4-5之间管线注入10ppm三氟乙酸，继续以5mL/s流速进行水质监测过程，此时卡子4-1阻止水流通过，4-2允许水流通过，观测手机或电脑软件分析系统11，通过电信号变化确定水质监测过程，监测完成后调整潜水泵3-2流速为18mL/s进行大流速反冲洗去除阳极6上的失活微生物，保障微生物活性以备再次进行水质监测，最终电流变化图如图5所示。
3)无线互联网供电采集器采集监测电信号
第二步涉及的外源电压、电信号变化等采集过程均由无线互联网供电采集器9和10共同完成，运行模式原理图如图2所示，首先将采集器的两电极接口分别连接至阳极和对电极上，打开主动电源通过三级电能转换单元完成0.7V电压输出，通过主控采集器采集电流变化，并将微弱的电信号，通过放大，滤波等信号处理方式得到当前环境污染的表征数据，并通过软件系统，将数据组包发送到远端手机或电脑软件分析系统11，在TCP服务端实现对数据的实时存储和分析，完成对相关水质变化的原位监测。
实施例2-2：三氟乙酸为50ppm时，阳极长度为6cm，水力停留时间7h，流速4mL/s启动，流速20mL/s反冲洗的案例
1)厌氧阻隔区消氧
由潜水泵3带动水流进入长40cm、宽20cm、高10cm的厌氧阻隔区2，通过控制潜水泵3的流速保证水力停留时间7h，进入厌氧阻隔区2的水流先经过9.5cm高的隔板，随后在厌氧区完成消氧过程，此时卡子4阻断进入下一区域。
2)间歇流与连续流双模式高效富集具有氧化还原活性微生物与水质监测
经过7h的消氧过程，关闭潜水泵3，打开潜水泵3-1和卡子4允许水流进入间歇流与连续流转换区，此时卡子4-2阻止水流流动，卡子4-1允许水流流动，待进水充满整个间歇流与连续流转换区5之后，关闭潜水泵3-1并将所有卡子使用阻止水体流动，此时间歇流与连续流转换区5为间歇流模式，保持一段时间后，开启供电采集器9，电极6设置长度为6cm，在电极6和对电极7之间施加0.7V电压，开启潜水泵3-1，以4mL/s流速进行微生物的富集与生物膜的培养。
待电流平稳且对电极有稳定气泡产生时，通过气体集散区8进行气体排放，随后在4-5之间管线注入50ppm三氟乙酸，继续以4mL/s流速进行水质监测过程，此时卡子4-1阻止水流通过，4-2允许水流通过，观测手机或电脑软件分析系统11，通过电信号变化确定水质监测过程，监测完成后调整潜水泵3-2流速为20mL/s进行大流速反冲洗去除阳极6上的失活微生物，保障微生物活性以备再次进行水质监测，最终电流变化图如图7所示。
3)无线互联网供电采集器采集监测电信号
第二步涉及的外源电压、电信号变化等采集过程均由无线互联网供电采集器9和10共同完成，运行模式原理图如图2所示，首先将采集器的两电极接口分别连接至阳极和对电极上，打开主动电源通过三级电能转换单元完成0.7V电压输出，通过主控采集器采集电流变化，并将微弱的电信号，通过放大，滤波等信号处理方式得到当前环境污染的表征数据，并通过软件系统，将数据组包发送到远端手机或电脑软件分析系统11，在TCP服务端实现对数据的实时存储和分析，完成对相关水质变化的原位监测。
Claims (9)
1.一种间歇转连续式微生物电解池原位监测方法，其特征在于，通过以下步骤实现的：
1)厌氧阻隔区消氧
厌氧阻隔区用于污水处理厂二沉池进水水质监测前的消氧过程，阻隔区由亚克力材质的长方体构成，外设进出口，内置隔板，其中内置隔板缓冲进水和筛查水中杂质，通过调整水力停留时间，进行进水水质的消氧过程；
2)间歇流与连续流双模式高效富集具有氧化还原活性微生物与水质监测
通过小型潜水泵将厌氧进水传送至间歇流与连续流转换区，潜水泵停止运行，调整为间歇流模式，随后在阳极和对电极之间施加外源电压，开启潜水泵，以小流速进行微生物的富集与生物膜的培养，通过调整流速，改变剪切力控制微生物膜的厚度，从而改变其对水质环境变化的敏感性；其中小流速指1mL/s～5mL/s，大流速指15mL/s～25mL/s；
通过添加有机污染物模拟水质变化完成系统水质监测过程，在厌氧区注入不同浓度甲醛或三氟乙酸，考察不同浓度、不同种类有机污染物在不同流速下的电信号变化情况，通过电信号变化实现原位监测，再次调整大流速完成生物膜反冲洗过程去掉生物膜上失活微生物，保障微生物活性以备再次进行水质监测；
3)无线互联网供电采集器采集监测电信号
第2)步涉及的外源电压、电信号变化采集过程均由无线互联网供电采集器完成，首先将采集器的两电极接口分别连接至阳极和对电极上，打开主动电源通过三级电能转换单元完成0.7V电压输出，通过主控采集器采集电流变化，并将微弱的电信号，通过放大，滤波信号处理方式得到当前环境污染的表征数据，并通过软件系统，将数据组包发送到远端，在TCP服务端实现对数据的实时存储和分析，完成对相关水质变化的原位监测。
2.根据权利要求1所述的一种间歇转连续式微生物电解池原位监测方法，其特征在于，调整水力停留时间，是通过潜水泵实现，水力停留时间控制在5h～8h。
3.根据权利要求1所述的一种间歇转连续式微生物电解池原位监测方法，其特征在于，0.7V外源电压，是通过无线互联网供电采集器的三级电能转换单元完成。
4.根据权利要求1所述的一种间歇转连续式微生物电解池原位监测方法，其特征在于，流速均通过潜水泵来完成。
5.根据权利要求1所述的一种间歇转连续式微生物电解池原位监测方法，其特征在于，不同浓度指甲醛浓度为1ppm～50ppm，三氟乙酸浓度为10ppm～50ppm。
6.根据权利要求1所述的一种间歇转连续式微生物电解池原位监测方法，其特征在于，电信号变化，是通过电流的变化计算出电流变化率决定的。
7.根据权利要求1所述的一种间歇转连续式微生物电解池原位监测方法，其特征在于，阳极为长度3cm～9cm、投影面积7cm2的碳刷材质，对电极为面积为7cm2的钢网材质，此时对电极内嵌于气体集散区便于产生气体的扩散，集散区为底面积7cm2、高3cm的圆锥体。
8.根据权利要求1所述的一种间歇转连续式微生物电解池原位监测方法，其特征在于，无线互联网供电采集器包括三级电能转换单元、主控采集器和软件系统，三级电能转换单元使用产品型号为HLK10M05的交流转直流模块，实现将220V交流电转化为5V的直流电，供电能力为10V，通过型号为LM1117-2.5的线性稳压芯片，实现将5V直流电压降压为2.5V，供电能力为2.5W，通过型号为LT3088的线性稳压芯片，将2.5V电压转换为0.7V直流电源，用于能源电路提供给电解池阴极和阳极；主控采集器包括采集模块、生物电信号放大和滤波模块，所述采集模块采用精度为±1％的采样电阻和型号为MAX9934的电流采集芯片，所述生物电信号放大和滤波模块采用所述MAX9934与其外围电路，将采集弱电压信号放大到硬件系统识别范围0～3.3V和使用型号为MCP6001的放大器及外围电路实现将微生物电池电压放大到硬件系统识别范围0～3.3V。
9.根据权利要求1所述的一种间歇转连续式微生物电解池原位监测方法，其特征在于，软件系统首先通过指令端口选择通信协议为TCP/IP或者UDP并配置用于无线网络连接的基本信息，随后进行模数转换软件模块的配置和启动工作，实现传感器10路信号采集的模数转换功能的正常工作，模数转换后，启动传感器自校正，完成传感器的零点校正，实现传感器在不同使用场景下，弱信号零点漂移带来的传感器数据错误问题，传感器自校正还包括对模数转换模块的线性分析，在软件启动的模拟微生物传感器校正模块，实现模数转换模块线性区和死区的校正分析，并通过线性补偿算法，降低电气部分传感器因模数转换非线性因素带来的干扰。
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