[发明专利]生物电化学系统及其在线生化需氧量监测装置与监测方法

说明书

生物电化学系统及其在线生化需氧量监测装置与监测方法，属于水体监测技术领域。解决了如何提供一种能够对水体BOD实现灵敏、快速、低成本、准确监测的装置与方法的问题。本发明的生物电化学系统，可以为M3C传感器、MFC传感器或MEC传感器，M3C传感器包括填充颗粒、外壳和三电极系统；外壳为内部具有空腔的密封结构，外壳上设有与空腔连通的进样口和出样口；填充颗粒填充在外壳的空腔内，工作电极置于外壳的空腔内；MFC传感器或MEC传感器，生物阳极室和/或生物阴极室内填充填充颗粒。该生物电化学系统采用颗粒填充反应器，流体剪切力大，底物降解更充分，检测灵敏度更高。

技术领域

本发明属于水体监测技术领域，具体涉及一种生物电化学系统及其在线生化需氧量监测装置与监测方法。

背景技术

生化需氧量(biochemical oxygen demand，BOD)是反映水体和污水有机物浓度的一个综合性指标，是一定时间内微生物分解水中有机物质所消耗的溶解氧量，常以mg/L表示。BOD值越高，说明水中有机污染物浓度越高。BOD的标准测定法，国内外大多沿用美国1936年公布的方法，称BOD₅法。这种传统的BOD₅测定法存在着严重的缺陷：需要在20℃下测量，测定周期为5天，工作量大，操作繁琐，受干扰因素多，重复性差，有较大误差，工作人员需要相当高的专门训练，且不能及时反映水体变化情况，尤其在污水处理过程中不能有效地进行信息反馈和指导生产。

近年来，出现了大量关于BOD传感器的研究，如检压式库仑计法、短时日法，平台值法，微生物电极法，发光细菌法和紫外荧光法等。但是，这些BOD检测方法都未在水体检测领域得到普遍应用。如何准确、快速地测定BOD浓度一直是水体检测中的一大难题。而以微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)工作原理为基础的BOD传感器的研究也是研究人员关注的焦点。自从Karube等应用MFC测定BOD以来，MFC作为传感器在分析领域的应用研究取得了很大的进展，MFC的电信号变化直观地反映了水体的变化情况。

MFC是一种利用微生物将水体中有机物的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子通过外电路传递到阴极形成电流/电压，而质子通过离子交换膜传递到阴极被还原。由于MFC的电流(电压)或电子库仑量与电子供体的含量之间存在对应关系，因此MFC能用于某些底物含量的测定，如有机碳、废水BOD以及有毒物质等。微生物代谢有机底物所产生的电流、电压或电量与样品中的有机物含量呈线性比例关系，因此，可以通过检测MFC的输出电流、电压或电量，测定样品中的BOD含量。

目前，正在研究的MFC型传感器多为有质子交换膜的双室型结构，电池的阴极室多为溶氧的磷酸盐缓冲溶液，阳极室为待测的水溶液。Kim等在用自行设计的BOD传感器分批测定溶液BOD的浓度时发现，电池转移电荷与污水浓度之间呈明显的线性关系，相关系数达到0.99，标准偏差为3％～12％；电池在低浓度时响应时间少于30min；连续测定BOD质量浓度小于100mg/L的溶液时，电流与浓度呈线性关系，3次电流测定的差值小于10％；且当MFC的阳极处于饥饿状态后喂养新鲜污水，MFC的电流能够恢复；当电池中的污水浓度发生变化时，电流需要滞后1h达到稳定。Moon等通过改变污水流动速度和电池阳极容积的方式，使电流响应时间缩短到了5min。

到目前为止，最好的MFC技术为韩国科学技术院研制的HABS-2000和HABS-2001，已经在全世界各国得到应用，但是它们利用溶解氧作为阴极电子受体，阴极成为电池的限制因素，存在以下几个缺点：(1)阴极室需要连续曝气，能源消耗大；(2)阴极催化剂Pt易中毒，而且Pt储量稀少，价格昂贵；(3)结构与操作较为复杂，维护费用高；(4)需要昂贵的质子交换膜；(5)检测结果易受阴极性能影响；(6)由于阴阳极室之间的离子交换膜，阳极室承受压力有限。

利用MFC工作原理开发新型BOD传感器的关键在于:①电池产生的电流、电压或电量与污染物的浓度之间呈良好的线性关系；②电池电流对污水浓度的响应速度较快；③有较好的重复性。