CN207623279U - 基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，属于水环境监测技术领域，包括装置本体、与装置本体连通的进水管和置于装置本体中的电池装置；所述电池装置包括通过导线连接的阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室之间设有电流监测装置；所述装置本体顶部和底部均开口，所述装置本体底部插入地下水底泥中；所述进水管一端置于地下水中，所述进水管另一端与装置本体连通；所述阳极室置于装置本体内的底泥中，所述阴极室置于装置本体内的地下水中，该装置可以完成对地下水的实时原位监测，且适用于原位实地工作，监测精度高。

Description

基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置

技术领域

本实用新型属于水环境监测技术领域，具体是涉及一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置。

背景技术

浅层地下水井是许多农村和城郊社区饮用水的主要来源，由于位于人类生活社区的浅井很容易凿取，因此社区内的浅井极易受到粪便污染或生活污水的影响。因此，对浅水井水质进行实时监测是十分必要的，可以避免城郊居民的正常健康生活受到影响。

对地下水的水质进行监测的常规指标有溶解氧(DO)、生物需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)以及氮(N)污染负荷等，传统监测方法中对于指标测定只能定时采样，并在实验室进行，不能对水质进行户外的实时监测，操作复杂、费时费力、对监测人员的要求较高而且重现性较差，操作局限性较大，限制了监测的可行性，同时监测成本高。因此研究如何有效快速地对水质进行实时监测是当今十分热门的话题。

经检索，中国专利CN201510126394X公开了一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统，该系统利用海底生物燃料电池的电催化降解作用作为设计原理，即海底沉积层中的细菌不断分解有机污染物(如石油污染物)，产生电子，在海泥中置入负极，海水中置入正极，电子通过附着细菌转移到负极上，再经过导线转移至正极，如此便会形成不断的电流，测试系统中的电流和电压信号，最后根据电流大小与污染物体系降解率的相关性可以原位监测并评价石油污染降解效果，同时还可以提高石油的降解效率，该发明对海水的石油污染状况进行了监测，实现对海水污染的实时监测。但是该专利主要是针对海底沉积层的有机污染进行监测，虽然从原理上看能够解决海底沉积层有机污染的监测，但是在实际操作中，需要涉及系统装置的布置，尤其在现阶段为了实现有机污染的原位实时监测，本发明并没有充分说明原位实时监测的具体过程，不利于实际场景的操作，局限性大。

实用新型内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，传统的检测方法不能对水质进行户外的实时监测，操作复杂、费时费力、对监测人员的要求较高而且重现性较差，操作局限性较大，限制了监测的可行性，同时监测成本高；现有基于微生物燃料电池监测技术并没有充分说明原位实时监测的具体过程，不利于实际场景的操作，局限性大等缺陷，本实用新型提供一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，该装置可以完成对地下水的实时原位监测，且适用于原位实地工作，监测精度高。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，包括装置本体、与装置本体连通的进水管和置于装置本体中的电池装置；所述电池装置包括通过导线连接的阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室之间设有电流监测装置；所述装置本体顶部和底部均开口，所述装置本体底部插入地下水底泥中；所述进水管一端置于地下水中，所述进水管另一端与装置本体连通；所述阳极室置于装置本体内的底泥中，所述阴极室置于装置本体内的地下水中。

进一步地，所述进水管上设有蠕动泵。

进一步地，所述装置本体顶部外侧设有溢流堰。

进一步地，所述阳极室和阴极室之间设有外电阻，该外电阻和电流监测装置串联。

进一步地，所述阳极室和阴极室均采用石墨毡制作而成，石墨毡外均使用不锈钢网进行包覆。

进一步地，包括温度测量装置，该温度测量装置包括温度测量仪和温度测量探头。

有益效果：

本实用新型与现有技术比较，具有的优点是：

1、本实用新型的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，通过在原位地下水中放置装置本体，并通过进水管和蠕动泵为装置本体内实时通入地下水，使装置本体内的地下水可持续更换，将污水中的有机物质作为电子供体，在微生物的作用下分解生成质子和电子，在电极之间形成进行电子传递，从而形成电流，污水中有机物的浓度会影响微生物燃料电池的产电量，本实用新型充分利用了微生物燃料电池的这一特性，实现了对地下水有机污染状况连续、实时的原位监测；

2、本实用新型的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，运用地下水底泥中富含大量微生物的这一特性，有效增强了微生物燃料电池对污染的反应，而且微生物燃料电池在对水质进行监测的同时，不仅不会产生二次污染，还会消耗水中有机物，进而对地下水水质进行修复；

3、本实用新型的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，采用装置本体，将电池装置置于装置本体中，装置本体起到对电池装置的保护作用，电池装置中的电极以及导线不会因为急流等影响而发生损坏，进一步提高了电池装置工作的稳定性，使得电流监测装置可以稳定监测电流信号，进一步提高了监测精度；

4、本实用新型充分说明原位实时监测的具体过程，利于实际场景的操作，具有可扩展性；

5、本实用新型待装置固定好后，从顶部向底部投入碎石，碎石对底泥有良好的截留作用，以防止在实时监测过程中底泥出现上浮现象，进一步提高了监测精度；

6、本实用新型为了排除温度对监测精度的影响，在实验过程中需将电流监测装置至于恒温箱内，保证仪器在20～25℃的环境条件下运行，进一步提高了监测精度；

7、本实用新型采用钛线作为导线，钛线的电阻小，减少了电流损失，使监测更灵敏；阴阳两极选用石墨毡，还将不锈钢网作为集电器，加快电子传递速率；

8、本实用新型能对地下水的有机污染进行实时、原位监测，且操作简单，运行费用低以及所选成本低廉，有较大的推广价值。

附图说明

图1是本实用新型装置结构示意图。

图2是系统电流变化与地下水污染有机负荷之间的关系曲线图。

附图标号说明：

1、装置本体；2、进水管；3、导线。4、阳极室。5、阴极室。6、电流监测装置。7、溢流堰。8、蠕动泵。9、外电阻。10、温度测量装置。11、碎石层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作更进一步的说明。

实施例一：

本实施例的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，参照图1，包括装置本体1、与装置本体1连通的进水管2和置于装置本体1中的电池装置；

采用装置本体1，将电池装置的电极以及导线置于装置本体1中，装置本体1对电池装置起到保护的作用，电极不会因为急流等客观因素的影响而发生工作不稳定性；通过进水管2，将进水管2一端置于地下水中，进水管2另一端与装置本体1连通，在进水管2上设有蠕动泵8，通过蠕动泵8可以将装置本体1中的地下水实时持续更换，完成实时原位监测；

该电池装置包括通过导线3连接的阳极室4和阴极室5，还包括电流监测装置6，电流监测装置6设于阳极室4和阴极室5之间，在阳极室4和阴极室5之间设有外电阻9，该外电阻9和电流监测装置6串联，电流监测装置6可以对通过外电阻9的电流电流进行监测，完成对系统运行电流大小的监测；

装置本体1的顶部和底部均开口，将装置本体1底部插入底泥中，装置本体1内底部充满底泥，而上方存有地下水；

将阳极室4全部置于装置本体1内的底泥中，阴极室5全部置于装置本体1内的地下水中，电流监测装置6位于空气中，这样，底泥中的微生物对有机污染物质进行降解，有机污染物质产生电子和质子，电子随细菌附着在阳极室4内，并跟随导线传至阴极室5，随之产生电流，通过电流监测装置6可以完成对电流大小的监测，可以实时完成对地下水有机污染状况的监测。

实施例二：

本实施例的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，基于实施例一，在装置本体1顶部外侧设有溢流堰7，当采用进水管2上蠕动泵8为装置本体1中实时持续更换地下水时，地下水溢过装置本体1顶部时，通过溢流堰7可以将地下水排出，保证了装置本体1中的地下水不会因为过满而对电池装置的工作稳定性产生影响。

实施例三：

本实施例的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，基于实施例二，为了进一步提高电流的监测精度，将外电阻9的阻值设置为50～100Ω之间，并且阳极室4和阴极室5均采用厚度为10～20mm的石墨毡作为电极材料，为了防止电极材料在地下水和底泥中的被腐蚀，石墨毡外均使用不锈钢网进行包覆；所述电流监测装置6包括数据记录仪，所述数据记录仪对通过外电阻的电流进行监测。

实施例四：

本实施例的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，基于实施例三，包括温度测量装置10，该温度测量装置10包括温度测量仪和温度测量探头，将温度测量探头置于装置本体1内的地下水中，该温度测量装置10用于对地下水的温度进行测量，保证监测环境温度稳定性，进一步提高了监测精度；另外在阴极室5和阳极室4之间的导线6采用钛线，提高监测精度。

实施例五：

本实施例的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置的实施方法中，首先选择监测区域，进行地下水有机污染现状监测的工作；然后进行原位搭建基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置需要根据原地实际地下水深度的测量合理设置装置尺寸，具体包括以下步骤：

首先将装置本体1底部插入地下水底泥中，使得装置本体1顶部位于地下水上方，由于装置本体1顶部和底部均开口，所以装置本体1内上方存有地下水，下方存有底泥；且在该过程中，将装置本体1底部插入地下水底泥中，使得装置本体1底部距离底泥与地下水之间的交界处距离为0.5～1m；

将电池装置置于装置本体1中，电池装置包括通过导线3连接的阳极室4和阴极室5，阳极室4和阴极室5之间设有电流监测装置6，具体是将阳极室4完全置于底泥中，将阴极室5完全置于地下水中；

然后往装置本体1内投入碎石，在装置本体1内底部铺设碎石层11，碎石粒径选取5～10mm，碎石层的厚度为0.1～0.2m，以防止在实时监测过程中，底泥出现上浮现象；

将进水管2一端置于装置本体1的外侧原位地下水中，进水管2的另一端与与装置本体1底部连通，在进水管2上设有蠕动泵8，设置蠕动泵8的流速为3～5mL/min，通过蠕动泵8可以完成装置本体1内的地下水随时更换，实现原位实时监测地下水有机污染现状；在装置本体1顶部外侧设有溢流堰7，在实时通过进水管2为装置本体1更换地下水时，当地下水溢过装置本体1顶部时，地下水会通过溢流堰7流出至监测区域内；

通过电流监测装置6实时监测电流大小，实现原位实时监测地下水污染现状。

实施例六：

本实施例的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置的实施方法中，基于实施例五，在系统运行过程中，为了排除温度对监测精度的影响，在实验过程中需将电流监测装置置于恒温箱内，保证仪器在20～25℃的环境条件下运行。

实施例七：

本实施例的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置的实施方法中，基于实施例六，原地实际测量时，首先合理设置基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置的尺寸，需要对原地进行水深深度测量，在确定地下水水深的后，合理设置装置的高度、装置的开口尺寸、装置的底部尺寸、电极尺寸、电极间距、导线长度、水管尺寸等各个参数。

本实施例中首先对未受有机污染的地下水进行实时监测，结合图1，搭建一个基于微生物燃料电池实时监测地下水有机污染现状的装置。

其中，装置本体由Ф1.2m，高12m的有机玻璃制成，装置本体自上而下分别是，地下水阴极的高度为10.8m，碎石层高度为0.2m，底泥高度为1m，其中碎石的粒径为5～6mm，碎石层11的作用是为了有效防止底泥上浮，以免对实时监测产生影响。

微生物燃料电池由阳极室4和阴极室5组成，为了产生良好的氧化还原电位，将阴极室5浸于地下水中，阳极室4全部置于底泥中，阴、阳两极的间距为9～10m，二者通过钛线进行连接，并连接密封安置的电流监测装置6，对系统进行电流监测。

阳极室4和阴极室5通过钛线进行连接，为加快系统内产电生物膜的形成，在两极之间增设50Ω的外电阻9。

将阴极室和温度测量装置10的探头浸于地下水中，系统开始运行，为了排除温度对监测精度的影响，在实验过程中需将数据记录仪至于恒温箱内，保证仪器在20℃的环境条件下运行；

系统运行时，装置固定好后，将待监测的地下水通过蠕动泵8从地下水层底部排入装置本体1中，蠕动泵8的流速为5mL/min，待地下水没过装置顶部后，从溢流堰7流出。

整个系统可始运行后，微生物燃料电池需要3天的稳定时间，3天后，微生物燃料电池可以稳定供电，进行长期放电。待微生物燃料电池稳定后，测试得到受污染的地下水监测系统的电流量平均为0.09±0.06mA；

实施例七：

本实施例的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置的实施方法中，基于实施例六，原地实际测量时，首先合理设置基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置的尺寸，需要对原地进行水深深度测量，在确定地下水水深的后，合理设置装置的高度、装置的开口尺寸、装置的底部尺寸、电极尺寸、电极间距、导线长度、水管尺寸等各个参数。

本实施例中首先对有机负荷范围为100～300mg/L的地下水进行实时监测，结合图1，搭建一个基于微生物燃料电池实时监测地下水有机污染现状的装置。

其中，装置本体1由Ф1m，高10m的有机玻璃制成，装置本体1自上而下分别是地下水、碎石层和底泥，地下水的高度为8.9m，碎石层高度为0.1m，底泥高度为1m；其中碎石的粒径为6～8mm，碎石层11的作用是为了有效防止底泥上浮，以免对实时监测产生影响。

微生物燃料电池由阳极室4和阴极室5组成，为了产生良好的氧化还原电位，将阴极室5浸于地下水中，阳极室4全部置于底泥中，阴、阳两极的间距为8～9m，二者通过钛线进行连接，并连接密封安置的高精密电流监测装置对系统进行电流监测。

其中阳极室4和阴极室5使用15mm的石墨毡作为电极材料，同时为了加强电子的转移速率，在阳极和阴极外部利用不锈钢网进行包覆。阳极室4和阴极室5通过钛线进行连接，为加快系统内产电生物膜的形成，在两极之间增设80Ω的外电阻9。

将温度测量装置的探头浸于地下水中，系统开始运行，为了排除温度对监测精度的影响，在实验过程中需将电流监测装置至于恒温箱内，保证仪器在23℃的环境条件下运行；

系统运行时，装置固定好后，将待监测的地下水通过蠕动泵从地下水层底部排入装置，蠕动泵的流速为4mL/min，待地下水没过装置顶部后，从溢流堰流出。

整个系统可始运行后，微生物燃料电池需要3天的稳定时间，3天后，微生物燃料电池可以稳定供电，进行长期放电。待微生物燃料电池稳定后，测试得到受污染的地下水监测系统的电流量平均为0.48±0.23mA。

实施例八：

本实施例的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置的实施方法中，基于实施例七，原地实际测量时，首先合理设置基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置的尺寸，需要对原地进行水深深度测量，在确定地下水水深的后，合理设置装置的高度、装置的开口尺寸、装置的底部尺寸、电极尺寸、电极间距、导线长度、水管尺寸等各个参数。

本实施例中对(地下水)有机负荷范围为300～500mg/L的地下污水进行实时监测，结合图1，搭建一个基于微生物燃料电池实时监测地下水有机污染现状的装置。

其中，装置本体1由Ф0.8m，高8m的有机玻璃制成，装置本体1自上而下分别是地下水、碎石层和底泥，地下水的高度为7.3m，碎石层高度为0.2m，底泥高度为0.5m；其中碎石的粒径为8～10mm，碎石层11的作用是为了有效防止底泥上浮，以免对实时监测产生影响。

微生物燃料电池由阳极室4和阴极室5组成，为了产生良好的氧化还原电位，将阴极室5浸于地下水中，阳极室4全部置于底泥中，阴、阳两极的间距为7～8m，二者通过钛线进行连接，并连接密封安置的高精密电流监测装置对所述装置进行电流监测。

其中阳极室4和阴极室5使用20mm的石墨毡作为电极材料，同时为了加强电子的转移速率，在阳极和阴极外部利用不锈钢网进行包覆；阳极室4和阴极室5通过钛线进行连接，为加快系统内产电生物膜的形成，在两极之间增设100Ω的外电阻9。

将温度测量装置的探头浸于地下水中，系统开始运行，为了排除温度对监测精度的影响，在实验过程中需将电流监测装置至于恒温箱内，保证仪器在23℃的环境条件下运行；将阴极室和温度测量探头浸于地下水中，系统开始运行，为了排除温度对监测精度的影响，在实验过程中需将电流监测装置置于恒温箱内，保证仪器在25℃的环境条件下运行；

系统运行时，装置固定好后，将待监测的地下水通过蠕动泵从地下水层底部排入装置，蠕动泵的流速为3mL/min，待地下水没过装置顶部后，从溢流堰流出。

整个系统可始运行后，微生物燃料电池需要5天的稳定时间，5天后，微生物燃料电池可以稳定供电，进行长期放电，待微生物燃料电池稳定后，测试得到受污染的地下水监测系统的电流量平均为0.99±0.28mA。

实施例九：

本实施例的一种基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置的实施方法中，基于实施例七，参照图2，为系统电流变化与地下水污染有机负荷之间的关系曲线图，其中图2的横坐标轴表示有机废水中COD的浓度，纵坐标轴表示记录仪所测的电流I，由此可得有机废水中COD浓度和电流I变化的拟合方程是y＝0.0025*x-0.07295。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，其特征在于，包括装置本体(1)、与装置本体(1)连通的进水管(2)和置于装置本体(1)中的电池装置；

所述电池装置包括通过导线(3)连接的阳极室(4)和阴极室(5)，所述阳极室(4)和阴极室(5)之间设有电流监测装置(6)；所述装置本体(1)顶部和底部均开口，所述装置本体(1)底部插入地下水底泥中；所述进水管(2)一端置于地下水中，所述进水管(2)另一端与装置本体(1)连通；所述阳极室(4)置于装置本体(1)内的底泥中，所述阴极室(5)置于装置本体(1)内的地下水中。

2.根据权利要求1所述的基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，其特征在于，所述进水管(2)上设有蠕动泵(8)。

3.根据权利要求1或2所述的基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，其特征在于，所述装置本体(1)顶部外侧设有溢流堰(7)。

4.根据权利要求3所述的基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，其特征在于，所述阳极室(4)和阴极室(5)之间设有外电阻(9)，该外电阻(9)和电流监测装置(6)串联。

5.根据权利要求4所述的基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，其特征在于，所述阳极室(4)和阴极室(5)均采用石墨毡电极，石墨毡电极外均采用不锈钢网进行包覆。

6.根据权利要求5所述的基于微生物燃料电池监测地下水有机污染的装置，其特征在于，包括温度测量装置(10)，该温度测量装置(10)包括温度测量仪和温度测量探头。