CN205581046U - 基于微生物传感器的热带养殖水体bod在线测定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于微生物传感器的热带养殖水体BOD在线测定装置，由于海水盐度高,且海水中BOD浓度低，目前市面上的微生物传感器用于海水中BOD的检测时，均存在重复利用率低和BOD最低检出值低等缺陷，并且专门测定海水BOD的自动测定仪器还未成型。本实用新型包括溶液样品池、蠕动泵、检测室、通气管、微生物电极、出口、废液回收池、加热棒、连杆、升降机、数据采集器、数据处理模块和打印机。本实用新型测定仪智能化高，操作简单方便直观，可实现针对热带养殖水体的B15OD值在线监测，为养殖农户提供第一时间的水体信息。

Description

基于微生物传感器的热带养殖水体 BOD 在线测定装置

技术领域

本实用新型涉及借助于测定水质的化学或物理性质来测试或分析水质的装置技术领域，具体为一种基于微生物传感器的BOD在线测定装置。

背景技术

随着海洋经济的不断发展，海洋污染一直是人们关注的沉重话题，而近海养殖水体污染对人类的影响尤其直接。近海养殖水体中的污染物种类繁多和含量相对较低，很难分别测定各种组分的定量数值。生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand，BOD)是表征有机物污染程度的综合性指标，被广泛的应用于水体监测，其含义是：在微生物作用下单位体积水样中有机物氧化所消耗的溶解氧质量。目前国内外主要采用5d 20 ℃培养法测定水样BOD 值，包括水样采集、充氧、培养、测定等步骤。该法操作复杂、费时费力、不宜现场监测。近年来快速测定BOD的方法的研究在国际上引起了重视，国内外同行业中的科研单位和企业技术人员，在不断地研究和探索过程中，对BOD 的检测方法进行了改进。迄今为止有：稀释接种法、瓦勃呼吸法、短日时法、电呼吸计法、高温法、活性污泥曝气降解法、空气压差法、相关系数估算法和微生物传感器法等。这些测定方法中大部分因技术、方法、材料等问题的限制，导致测定结果不可靠，最终没能推广普及。通过大量的业内市场调查，目前BOD 测定仪最常用到的方法有：稀释接种法、微生物传感器法和压差法。

BOD微生物传感器法具有如下特点：a、测定时间缩短，大约30 min得到测定结果，有利于污水处理工程过程的优化与控制，可以随时监测水质情况；b、操作简单，比稀释法更容易掌握；c、重现性好，只要保持微生物活性相对稳定和测定中其他条件不变，其测定结果的重现性将明显高于稀释法；d、灵敏度高，具有较低的测量下限，可测得微量甚至痕量的有机污染物；e、测定精度高，克服了化学滴定法不可避免所产生的误差；f、智能化程度高，适用范围广，可用于现场测定,测定结果可反映水质污染问题。

但有关BOD的传感检测目前大多局限在利用微生物或酶固定技术进行氧的安培电化学检测的生物传感器，这些传感器中仍有许多问题有待解决：

A、安培氧生物传感器的检测过程,通常伴随着消耗待测水体中的氧，在检测中将引起待测样品中氧浓度的变化；

B、电化学生物传感器的响应时间通常较长，为缩短响应时间，必须发展新型材料以进行微生物或酶的固定，同时还必须保证有机污染物在该固定材料中的高扩散速率；

C、由于海水盐度高, 且海水中BOD浓度低，目前市面上的微生物传感器用于海水中BOD的检测时，均存在重复利用率低和BOD最低检出值低等缺陷，并且专门测定海水BOD的自动测定仪器还未成型；

D、光纤化学BOD微生物传感器存在光纤普及率差, 仪器成本高等问题，严重制约了其大面积推广。

中国实用新型专利200820214571.5，公开了“反应器式BOD快速测定仪”，该测定仪含有控制装置、测量室、采样室、增氧泵、蠕动泵，还含有升降机构、网笼和固定化微生物颗粒，通过升降及吊杆机构组合，对溶解氧的精度要求低，测量范围大，测定时间短。在中国发明专利201020208730.8，公开了“一种反应器式生物传感器BOD快速测定仪”，采用集成控制系统与进出液控制系统结合，用计算机集成系统将温度探头、液位探头、电极等进行集成控制，实现自动化管理控制。精确控制反应器中的温度，使微生物的活性保持在同一水平线上进水与出水和曝气。反应阶段所消耗的溶解氧就可以控制在同一数量上，搅拌与曝气使水中的溶解氧达到平衡。颗粒与微生物反应消耗水中的溶解氧，通过测定出溶解氧前后差值进一步测量出对应的BOD值，能自动显示测量的BOD值。

这两种反应器式BOD 测定仪的特点是，都用自控系统代替了繁琐的操作工序，却忽略简化了基础原理中，要求对水样进行预处理的环节。用固定化微生物颗粒及流量控制系统，代替了稀释和接种流程，却忽略了微生物菌种对各类不同废水的分解和适应能力。都设置了反应器测量室却因技术局限，改变了恒温培养的条件，提供了一个高于室温的培养环境，无法使水样在要求的20±1℃的恒温条件下活性分解，以此来缩短测量时间，导致无法正常完成生物碳化过程。最关键的是完全依赖于溶解微生物电极的测定结果，探头校准繁琐、开环流程、可靠性不高，从而不能稳定真实的反应水样的BOD 浓度。

发明内容

为克服上述现有BOD 测定仪所存在的问题，本实用新型提供了一种针对热带养殖水体高盐、高压和低浓度BOD值等特点设计的，高灵敏度的基于微生物传感器的热带养殖水体BOD在线测定装置。

为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种基于微生物传感器的热带养殖水体BOD在线测定装置包括溶液样品池、蠕动泵、检测室、通气管、微生物电极、出口、废液回收池、加热棒、连杆、升降机、数据采集器、数据处理模块和打印机。

所述溶液样品池的水样杯分别通过导管与蠕动泵的进口相连，并在导管上设有电磁阀，蠕动泵的出口与检测室相连。检测室中装有缓冲液，通气管、微生物电极和加热棒的一端插入到检测室中，通气管的另一端与大气相通，微生物电极的另一端与数据采集器相连，加热棒的另一端通过连杆由升降机带动上下移动。检测室的底部设有出口，出口通过导管与废液回收池相连。数据采集器通过USB端口与数据处理模块相连，数据处理模块与打印机相连，通过打印机输出数据。

所述微生物电极由入口、参考电极、出口、阳极、固定化微生物膜、多孔过滤器、气体扩散阴极和外壳构成。所述参考电极位于入口和出口之间，固定化微生物膜与阳极紧密结合，固定化微生物膜和气体扩散阴极之间设有多孔过滤器。

本实用新型的优点和有益效果是：①本实用新型测定仪智能化高，操作简单方便直观，可实现针对热带养殖水体的B15OD值在线监测，为养殖农户提供第一时间的水体信息。

②含有某些化学物质的水样电极的入口先流入微生物电极腔内部，通过参考电极可测出其溶解氧的变化值，这个值可用于修正水样中化学物质引起的溶解氧的变化。

③本实用新型无需使用恒温培养箱、恒温装置等辅助培养设备，不受环境限制，在任何环境下均可使用，精巧方便。

④本实用新型可根据需要自动将水样的测定结果、测试中的过程结果和存储的历史数据等打印出来，方便记录、传递和备案保存；能将测试水样的结果统一进行分析，然后绘制出曲线分布图，在液晶屏中显示出来，直观、清晰；也可将测定结果可直接上传至PC 机或集中监控平台，可在办公室随时查看测试数据及运行情况，无需到现场查看。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1是本实用新型结构示意图。

图2是本实用新型微生物电极结构剖面示意图。

图中：溶液样品池1，蠕动泵2，检测室20，通气管3，微生物电极4，出口5，废液回收池6，加热棒7，连杆8，升降机9，数据采集器10，数据处理模块11和打印机12，入口13，参考电极14，出口15，阳极16，固定化微生物膜17，多孔过滤器18，气体扩散阴极19。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例 1

一种基于微生物传感器的热带养殖水体BOD在线测定装置包括溶液样品池1、蠕动泵2、检测室20、通气管3、微生物电极4、出口5、废液回收池6、加热棒7、连杆8、升降机9、数据采集器10、数据处理模块11和打印机12。

所述溶液样品池1的水样杯分别通过导管与蠕动泵2的进口相连，并在导管上设有电磁阀，蠕动泵2的出口与检测室20相连。检测室20中装有缓冲液，通气管3、微生物电极4和加热棒7的一端插入到检测室20中，通气管3的另一端与大气相通，微生物电极4的另一端与数据采集器10相连，加热棒7的另一端通过连杆8由升降机9带动上下移动。检测室20的底部设有出口5，出口5通过导管与废液回收池6相连。数据采集器10通过USB端口与数据处理模块11相连，数据处理模块11与打印机12相连，通过打印机输出数据。

所述微生物电极4由入口13、参考电极14、出口15、阳极16、固定化微生物膜17、多孔过滤器18、气体扩散阴极19和外壳构成。所述固定化微生物膜17与阳极16紧密结合，固定化微生物膜17和气体扩散阴极19之间设有多孔过滤器18。

仪器开机后，人机界面会自动引导使用者进行相关操作，操作过程将在屏幕上提示出来。仪器的工作过程如下：仪器首先进入条件设置模式，提示操作者进行相关条件设置，如样品测试数量、培养时间、培养温度、自动打印间隔、搅拌模式选择等。

微生物的筛选及固化制膜技术是影响传感器性能和使用寿命的关键，本实用新型从热带近海养殖水体污染严重的鱼塘中经反复分离、筛选、驯化后，获得一株活性高、性能稳定、对有机物有广谱降解性能的海洋微生物菌株，并采用多种材料混合包埋法制备固定化微生物膜，该方法与目前国内外普遍采用的吸附、夹层和聚丙烯酰胺等单一材料包埋法相比，具有对微生物活性没有损害、膜的透气性和韧性好、寿命长而稳定等特点。

高速冷冻离心机2000 rpm/min离心收集液体培养物菌体10 min，用磷酸盐缓冲溶液20 mmol/L，pH 6.8洗涤菌体洗涤菌体3次，用Tris-Buffer缓冲溶液以150 mg/cm3溶解菌体保存备用。量取3μl上述菌液用玻璃纤维滤纸Whatman GF/A:1.6 μm，美国Sigma固定化制备复合功能菌群生物膜3×3 mm2，并于空气中20 ℃干燥15 min备用。

将溶解微生物电极的内腔注满电解液氯化钾-四硼酸钠溶液，在阴极表面覆盖一层聚四氟乙烯薄膜，再将已切成适于装配尺寸的圆形固定化微生物膜用磷酸盐缓冲溶液润湿，用镊子轻轻地夹起放在微生物电极的塑料薄膜上，装上带有垫圈的电极帽并旋紧，保证两层膜紧密接触，将装配好的电极插入含有10 mL的50 mol/L磷酸盐缓冲液的检测室中，通过流量计控制待测溶液进入检测室中。

测试时以缓冲溶液为空白溶液，活化电极10~15 min，此时微生物处于内源呼吸阶段，其呼吸活性是恒定的，当溶解氧扩散进入微生物电极表面的速率达到恒定时，微生物电极输出的电流达到稳定，此时的电流值达到最大值。当含有一定浓度缓冲液的BOD 标样或水样加入时，水样中溶解性可生化降解的有机物被微生物作为营养源所利用，同时微生物呼吸活性加强，消耗溶液中的溶解氧，相应的其扩散进入电极表面的速率减小，输出电流值降低，并在几分钟内达到新的稳定态，上述两种稳定电流值之差，与被测试样浓度呈线性关系，藉此可以进行 BOD 值的测定。

Claims (2)

1.一种基于微生物传感器的热带养殖水体BOD在线测定装置，其特征在于：包括溶液样品池、蠕动泵、检测室、通气管、微生物电极、出口、废液回收池、加热棒、连杆、升降机、数据采集器、数据处理模块和打印机；

所述溶液样品池的水样杯分别通过导管与蠕动泵的进口相连，并在导管上设有电磁阀，蠕动泵的出口与检测室相连；检测室中装有缓冲液，通气管、微生物电极和加热棒的一端插入到检测室中，通气管的另一端与大气相通，微生物电极的另一端与数据采集器相连，加热棒的另一端通过连杆由升降机带动上下移动；检测室的底部设有出口，出口通过导管与废液回收池相连；数据采集器通过USB端口与数据处理模块相连，数据处理模块与打印机相连，通过打印机输出数据。

2.根据权利要求1所述的基于微生物传感器的热带养殖水体BOD在线测定装置，其特征在于：所述微生物电极由入口、参考电极、出口、阳极、固定化微生物膜、多孔过滤器、气体扩散阴极和外壳构成；所述参考电极位于入口和出口之间，固定化微生物膜与阳极紧密结合，固定化微生物膜和气体扩散阴极之间设有多孔过滤器。