CN113241454A - 一种监测微生物数量的微生物燃料电池及监测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水质监测领域,具体涉及一种监测微生物数量的微生物燃料电池及监测系统与方法。所述微生物燃料电池包括池体、阳极、阴极和电解液;所述阳极和阴极为预处理石墨毡圆;所述电解液为中性硝酸盐与活性污泥按照体积比为1‑2:1‑2的比例混合而成。本发明中通过电极以及信号处理单元和无线传输模块的耦合,提高了电极敏感度及水体中剩余微生物数量的监测效率;系统总体上实现了微生物数量监测的智能化和自动化,具有便于操作、效率高、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于水质监测领域,具体涉及一种监测微生物数量的微生物燃料电池及监测系统与方法。
背景技术
水资源是人类生活必不可少的资源之一,随着社会经济与生活的增长与发展,对水资源的需求越来越多。地球上水资源总量约为1.4×109km3,其中淡水资源仅占2.7%,可利用的量不到1%,因此淡水资源极其珍贵。人类活动所需的水来自自然水体,而由此产生的废水又排入水体,使其受到不同程度的污染。水体中污染物种类庞杂,包括固体污染物、有机污染物、有毒污染物、无机污染物等。无机污染物中很常见的一种污染物就是硝酸盐。硝酸盐是一种已知的有害的化学物质,通常存在于天然水系统,如地下水,湖泊,河流等,对自然水体和人类健康都有很大的影响。河流湖泊中高浓度的硝酸盐可能会导致水体富营养化,而饮用水中高浓度的硝酸盐可能会导致婴儿患蓝婴症、成年人得胃肠癌的几率大大上升。国家在提出严控 COD及SO2的基础上,也进一步在规划中加入氨氮与氮氧化合物两个指标。因此,从水中去除硝酸盐引起供水行业的广泛关注。
微生物燃料电池是一种利用电活性微生物的催化作用,自发脱除废水中的污染物,并回收电能的一种新型技术。与传统的脱硝技术相比,具有应用范围广、适应性强、经济性好、处理效率高等特点,是含盐废水处理常用的方法之一。微生物燃料电池可以通过微生物与污染物相互作用而产生电子转移的机制发出电流变化的信号,迄今为止,研究的微生物燃料电池型传感器可用于BOD、外界温度、pH变化、水质等监测,但是无法实现微生物数量的监控。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提出采用污泥与中性硝酸盐混合为电解质,石墨毡为电极形成微生物燃料电池,并与信息采集模块,中央处理单元相连,实现微生物数量的智能化检测,替代复杂的人工化学检测,准确、高效且自动化程度高。
为实现上述发明目的,本发明提供了一种监测微生物数量的微生物燃料电池,所述微生物燃料电池包括池体、阳极、阴极和电解液;
所述阳极和阴极为预处理石墨毡圆;所述电解液为中性硝酸盐与活性污泥按照体积比为1-2:1-2的比例混合而成;
所述中性硝酸盐溶液为硝酸钠溶液,并加入硫酸钠溶液为电解质,溶液的pH值为7。
进一步的,所述预处理石墨毡具体包括如下步骤:
将石墨毡在氢氧化钠溶液中浸泡20-28h后,去离子水冲洗干净,然后置于盐酸溶液中浸泡20-28h,去离子水洗净烘干。
基于同一发明构思的,本发明实施例还提供了一种监测微生物数量的监测系统,所述监测系统包括:多个信息采集单元、中央处理单元、无线传输单元和移动终端;
所述信息采集单元由上述微生物燃料电池和信息采集模块组成,所述信息采集模块按照预设的时间间隔进行微生物电池电流信号采集;
所述中央处理单元与信息采集模块的信号输出端通信连接,并对获得的电流信号进行处理;并通过无线传输单元通信连接至移动终端。
进一步的,所述信号采集模块为计算机负载的MPS-0106数据采集系统;所述中央处理单元为内置matlab程序的单片机、微处理器或计算机。
进一步的,所述无线传输单元包括Zig Bee无线传输模块和蓝牙模块。
基于同一发明构思的,本发明实施例还提供了一种监测微生物数量的监测方法,所述监测方法具体包括以下步骤:
S1:配置具有浓度梯度的已知微生物数量的污泥,测定微生物浓度梯度对应的电流值;绘制电流-微生物数量曲线,经拟合获得标准曲线;
S2:改变微生物燃料电池的反应温度,按照步骤S1的方法获得不同温度下的标准曲线,并将所述标准曲线存储至中央处理单元中;
S3:实时采集待测微生物燃料电池微生物数量电流值,发送至中央处理单元,经数据处理后获得微生物数量值。
进一步的,所述步骤S1中测定微生物浓度梯度对应的电流值具体包括:
启动监测微生物数量的监测系统,进行电流采集,绘制时间-电流曲线,取曲线稳定阶段的电流数据平均值即为对应浓度的电流值。
有益效果:
(1)微生物燃料电池采用比表面积大的石墨毡作为电极,具有较高的峰值电流,对硝酸盐具有超强米敢赌,加快了监测速率与准确度,相较于催化剂成本低,且能够为反消化提供良好的环境,提高电池的稳定性和寿命;
(2)利用微生物燃料电池组成的监测系统,微生物燃料电池中的反应污泥与电极充分接触后,实现电子的转移,产生电信号,由中央处理单元收集并由中央处理单元处理微生物数量的快速监测,后经无线传输模块将数据传送至应用移动终端,实现了对反硝化过程中微生物数量的智能化检测,替代复杂的人工化学检测,准确、高效且自动化程度高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的微生物燃料电池结构示意图;
[附图标注说明]
1、阴极;2、阳极;3、池体;4、数据采集系统;5、电脑。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合具体实施例进行详细描述,但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明,本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
一种用于处理硝酸盐并可监测微生物数量的微生物燃料电池,所述微生物燃料电池由池体、阳极、阴极组成,池体内设有阴极和阳极,池体内设有中性硝酸盐溶液和活性污泥,活性污泥取自于生活污水处理厂厌氧池,污泥的基础参数如表1所述,且活性污泥与溶液的体积比为1:1。
表1所用污泥的基本参数
参数 | 数值 |
TCOD(总化学需氧量)(mg/L) | 13000 |
SCOD(溶解性化学需氧量)(mg/L) | 600 |
TSS(总悬浮固体)(g/L) | 20 |
VSS(挥发性悬浮固体)(g/L) | 15 |
阴极和阳极均漂浮在缓冲溶液上,反应所用的溶液是由浓度为0.01 mol·L- 1NaNO3制成,并加入0.05mol·L-1的Na2SO4为电解质,起始pH 为7。
本实施例中,池体为半径5cm、高20cm透明玻璃中空圆柱体,先加入部分活性污泥,放入阴极和阳极石墨毡,加入剩余的活性污泥,再加入制备好的中性硝酸盐溶液,阳极和阴极的半径为4mm,阳极和阴极距池底均为5cm,放入40℃的加热套中保持温度恒定。所述阳极和阴极为预处理石墨毡,所述预处理石墨毡置于放在1mol·L-1的氢氧化钠溶液中浸泡24h,去离子水冲洗, 0.1mol·L-1的盐酸中浸泡24h,再依次用乙醇和水超声清洗,超声时间不低于10min,经过洗净烘干后备用。
将上述微生物燃料电池与信息采集模块相连,信息采集模块输出端和中央处理单元相连,中央处理单元的双向通讯段通过无线传输模块连接移动终端,所述无线传输模块单元包括Zig Bee无线传输模块和蓝牙模块,所述信号采集单元为计算机负载的MPS-0106数据采集系统,所述中央处理单元可采用内置matlab程序的单片机、微处理器、台式计算机或其他具备数据处理能力的计算设备,如附图1所示,将微生物燃料电池的电极1、2与信息采集模块即数据采集系统4相连,数据采集系统4的输出端与电脑相连,其中电脑中包含有内置matlab程序的单片机,用于数据处理。
标准曲线的绘制:
(1)配制已知微生物数量的一系列污泥,微生物的数量通过添加菌剂的百分含量控制,例如加入相当于稻壳和污泥总质量0.5%、1%、2%、5%、10%的菌剂;再利用血细胞计数法在显微镜下统计对应菌剂百分比微生物的数量;具体微生物数量梯度可以根据实际水质范围进行调整。
(2)设置加热套温度为40℃,随后启动微生物燃料电池,待运行稳定后 (约30min),进行电流的采集,绘制时间-电流曲线,取曲线稳定段数据平均值,作为该浓度下的对应的电流值,以此类推,测定其余溶液。
(3)根据得到的几组数据,绘制电流-微生物数量曲线曲线,并进行拟合,取拟合度较高的曲线段,输入电脑。
(4)改变微生物燃料电池的反应温度为50℃、60℃,绘制不同温度下的标准曲线。
在微生物燃料电池的池体中,加入相当于稻壳和污泥总质量2%的菌剂,混合均匀后在40℃的加热套加热4h,确保菌剂的充分活化,再利用血细胞计数法在显微镜下统计微生物的数量,随后连接微生物燃料电池及各单元和模块,启动微生物燃料电池,待运行平稳后采集电流值与标准曲线进行对照。测量结果显示微生物的数量为1.688×106,故测量偏差为5.0%。在测量过程中,利用电化学工作占站测量本发明微生物燃料电池的产电情况,每天上午10点和下午16点测量电池的产电情况,统计时长为五天,具体结果见表2。
表2微生物燃料电池的产电数据
上午10点 | 电流(A) | 下午16点 | 电流(A) |
第一天 | 0.0123 | 第一天 | 0.0125 |
第二天 | 0.0159 | 第二天 | 0.0168 |
第三天 | 0.0175 | 第三天 | 0.0195 |
第四天 | 0.0225 | 第四天 | 0.0217 |
第五天 | 0.0203 | 第五天 | 0.0213 |
从表2可以看出,本发明的微生物燃料电池稳定性较好,最高电流达到 0.0225A。
实施例2
在微生物燃料电池的池体中,加入相当于稻壳和污泥总质量2%的菌剂,混合均匀后在50℃的加热套加热4h,确保菌剂的充分活化,再利用血细胞计数法在显微镜下统计微生物的数量,随后连接微生物燃料电池及各单元和模块,启动微生物燃料电池,待运行平稳后采集电流值与标准曲线进行对照。测量结果显示微生物的数量为1.332×106,故测量偏差为4.0%。
实施例3
在微生物燃料电池的池体中,加入相当于稻壳和污泥总质量2%的菌剂,混合均匀后在60℃的加热套加热4h,确保菌剂的充分活化,再利用血细胞计数法在显微镜下统计微生物的数量,随后连接微生物燃料电池及各单元和模块,启动微生物燃料电池,待运行平稳后采集电流值与标准曲线进行对照。测量结果显示微生物的数量为1.098×106,故测量偏差为3.0%。
根据上述实施例可知,通过本申请的监测系统能够对微生物燃料电池中微生物数量快速检测,且测量偏差小,可有效的解决实际应用中何时添加微生物以及添加微生物数量的问题,实现了智能化和自动化,应用前景广阔。
以上所述实施例,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内,根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种监测微生物数量的微生物燃料电池,其特征在于,所述微生物燃料电池包括池体、阳极、阴极和电解液;
所述阳极和阴极为预处理石墨毡圆;所述电解液为中性硝酸盐与活性污泥按照体积比为1-2:1-2的比例混合而成;
所述中性硝酸盐溶液为硝酸钠溶液,并加入硫酸钠溶液为电解质,溶液的pH值为7。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池,其特征在于,所述预处理石墨毡具体包括如下步骤:
将石墨毡在氢氧化钠溶液中浸泡20-28h后,去离子水冲洗干净,然后置于盐酸溶液中浸泡20-28h,去离子水洗净烘干。
3.一种监测微生物数量的监测系统,其特征在于,所述监测系统包括:多个信息采集单元、中央处理单元、无线传输单元和移动终端;
所述信息采集单元由如权利要求1-2任意所示的微生物燃料电池和信息采集模块组成,所述信息采集模块按照预设的时间间隔进行微生物电池电流信号采集;
所述中央处理单元与信息采集模块的信号输出端通信连接,并对获得的电流信号进行处理;并通过无线传输单元通信连接至移动终端。
4.根据权利要求3所述的监测系统,其特征在于,所述信号采集模块为计算机负载的MPS-0106数据采集系统;所述中央处理单元为内置matlab程序的单片机、微处理器或计算机。
5.根据权利要求3所述的监测系统,其特征在于,所述无线传输单元包括ZigBee无线传输模块和蓝牙模块。
6.一种监测微生物数量的监测方法,其特征在于,所述监测方法具体包括以下步骤:
S1:配置具有浓度梯度的已知微生物数量的污泥,测定微生物浓度梯度对应的电流值;绘制电流-微生物数量曲线,经拟合获得标准曲线;
S2:改变微生物燃料电池的反应温度,按照步骤S1的方法获得不同温度下的标准曲线,并将所述标准曲线存储至中央处理单元中;
S3:实时采集待测微生物燃料电池微生物数量电流值,发送至中央处理单元,经数据处理后获得微生物数量值。
7.根据权利要求6所述的监测微生物数量的监测方法,其特征在于,所述步骤S1中测定微生物浓度梯度对应的电流值具体包括:
启动监测微生物数量的监测系统,进行电流采集,绘制时间-电流曲线,取曲线稳定阶段的电流数据平均值即为对应浓度的电流值。
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