本发明专利技术提供一种水体不同深度溶解氧浓度同步监测的装置和方法，所述装置包括相互连接的微生物电化学敏感单元、信号采集转换单元、阳极电势长期稳定单元、和保护内层电极间距不变的受力结构组件。其中微生物电化学敏感单元包括阳极组、沿水体不同高度布置的阴极组、导线和外电阻，通过导线将阴极组、阳极组以及外电阻串联起来形成闭合回路。阴极组置于上层水相中，阳极组插入沉积物中。信号采集转换单元采集微生物电化学敏感元件输出的电压信号。本发明专利技术所述方法简单，传感器装置信号灵敏度高、结构简单、建造运行和维护成本低，可实现不同深度水体溶解氧浓度长期、同步、实时监测的目的。
【技术实现步骤摘要】
一种同步实时监测不同深度水体溶解氧浓度的装置及方法
本专利技术属于环境监测
，具体涉及一种同步实时监测不同深度水体溶解氧浓度的装置及方法。
技术介绍
溶解氧(DissolvedOxygen)是指溶解于水中分子状态的氧，是水生物生存不可缺少的条件，是衡量水质的综合指标之一。在20℃,100kPa条件下，纯水中溶解氧的饱和溶解度约为9.0mgL-1。如果水中的溶解氧浓度小于5.0mgL-1时，水中的一些生物就会因缺氧而死亡。当水中的溶解氧减少时，可以通过大气中的氧气以及绿色植物的光合作用来补充，但是当水体受到丰富的有机物污染时，溶解氧就会被过度消耗而得不到及时的补充，此时水中的厌氧菌得以大量快速繁殖，水体会因有机物污染进一步陷入恶性循环污染，最终引起水体变黑、发臭。所以溶解氧浓度能够反映出水体受到有机物污染的程度，是水体污染程度的重要指标。对于水体溶解氧浓度的监测，一般只是监测表层水体的变化情况，而没有考虑溶解氧随水体深度变化。需要指出的是，对于湖泊水库等水体，溶解氧浓度随水体深度增加有很多波动。其原因主要有以下三个方面：(1)随着水体的富营养化，水体透明度降低，有效光强随水深增加而衰减明显，从而光合作用产氧能力随水深越来越弱；(2)随着水体的富营养化导致水体沉积物有机质含量增加，由于沉积物丰富微生物的代谢活动，使得泥水界面溶解氧消耗快；(3)由于水体初级生产力高，使得水体有机质浓度高，增加了水体耗氧速率。在这三方面的共同作用下，湖库水体溶解氧浓度随水深波动频繁，甚至会存在水体表层溶解氧浓度饱和而底部厌氧的情况。因此，研究同时测定不同深度水体溶解氧的含量，对于环境监测、水质保障、水生态修复、水生态系统评估、和水产养殖都具有重要意义。目前常用的溶解氧检测方法有碘量法、电流测定法和荧光淬灭法。其中碘量法是一种纯化学检测法，适用于水源水、地面水等清洁水，耗时长，程序繁琐，无法满足现场不同深度水体同时实时远程监测的要求。电流测定法操作简便，干扰少，但是由于它的透氧膜和电极容易老化，需要及时更换，大大增加了维护费用，并且由于它依靠电极本身在氧的作用下发生氧化还原反应来测定氧浓度，测定过程中需要消耗氧气，因此在测量过程中需不停的搅拌样品。目前国内外对基于荧光淬灭法的荧光光纤传感器有所研究，但是目前市场化的产品并不多，这类仪器测量精确，响应时间短，但技术壁垒更大，并且价格昂贵。目前来看，所有的方法都因操作及成本等方面原因而不适用于同步、实时、远程监测水体中不同深度溶解氧的浓度，因此急需开发灵敏高、操作简单并且经济实用的溶解氧传感器。生物反应具有高度的专一性，生物传感器正是利用生物反应的这一特点经分子识别、能量转换，对待测指标进行精确测定。近年来，微生物电化学技术迅速发展，提供了一种全新的生物传感方法和装置，而沉积物微生物电化学技术是至今为止在实际运用中发挥作用的微生物电化学技术。沉积物微生物电化学技术构造简单，阳极埋在还原性的沉积物中，阴极置放在空气-水界面，阴阳极之间的外电路接入负载。其作用机理为：阳极区的有机物被产电微生物氧化分解，产生的电子到阳极，再经过外电路到达阴极形成电流，质子通过水溶液传递到阴极，并与氧气反应生成水。近年来，微生物电化学技术已成功用于生化需氧量(BOD)的在线监测，研究发现BOD浓度与微生物电化学技术的稳定输出电流或输出电量呈良好的线性关系，可以通过检测微生物电化学技术的输出电量，测定样品中BOD的含量。同样地，我们证实水体中的溶解氧浓度与沉积物微生物电化学技术的输出电压有良好的对应关系，运用这一原理开发出一种不同深度水体溶解氧浓度同步监测的方法及装置。和以往的微生物电化学技术监测技术明显不同的是，用于水体中的溶解氧浓度与沉积物微生物电化学的阳极电势需要在一段时间内保持稳定，这对水体中的溶解氧浓度监测特别重要。本专利技术为一种运行互不干扰的单阳极多阴极的微生物电化学组的新结构，通过优化阳极和阴极面积比和设置泥水交换通道，保证单阳极多阴极的微生物电化学组产出多个电信号不受相互影响；此装置为一种外层受力保护内层电极的双层结构组件，底部的倒角结构，起到保护内层电极组的作用，便于野外操作；提供一种同步实时监测不同深度水体溶解氧浓度的方法，具有高灵敏度和快速响应时间等优点；提供一种保障阳极电势长期稳定的新方法，将干燥粉碎处理后的水生植物茎叶有机质按比例放进管壁上有孔的硅胶管内，投加到沉积物阳极区内，使阳极区微生物活性不受碳源匮乏的影响，保障阳极电势长期稳定和装置有效运行。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题提供一种同步实时监测水体不同深度溶解氧浓度的装置。本专利技术的另一目的是提供同步监测水体不同深度溶解氧浓度的方法。本专利技术实现其技术目的所采用的技术方案如下：一种同步监测水体不同深度溶解氧浓度的装置，其特征在于：所述装置包括相互连接的微生物电化学敏感单元(A)、信号采集转换单元(B)、阳极电势长期稳定单元(C)、和保护内层电极间距不变的受力结构组件(D)；所述微生物电化学敏感单元(A)包括：阴极组，所述阴极组包括阴极支架，以及固定在阴极支架上不同高度的多个阴极，阴极组置于待测水体中；阳极组，所述阳极组包括阳极支架，以及固定在阳极支架上的单个阳极，阳极要安插在沉积物中；导线和多个外电阻，所述外电阻数量与阴极相同；其中，阴极组中的阴极以任意择一的方式经导线1个串联外电阻与阳极组形成闭合回路；所述阳极电势长期稳定单元(C)布置在所述微生物电化学敏感单元(A)的沉积物中，微生物电化学敏感单元(A)布置在受力结构组件(D)内。本专利技术所述的技术方案，阴极组可为多个阴极在不同高度布置，每个阴极串联一个外电阻检测此阴极所在高度的水体溶解氧浓度，所有阴极共用一个阳极组。本专利技术将阴极组作为一个整体连接，由于阴极设计为不同高度，故可实现不同深度水体中溶解氧浓度的同时测定。其中，信号采集转换元件(B)为现有技术，如数据采集器，其作用在于接收并储存微生物燃料电池的输出电压，为现场数据的真实性、有效性、实时性提供了保证。本专利技术所述阴极组中阴极支架高度和数量根据实际要监测的水体深度和精度确定，优选本专利技术所述的阴极组中阴极支架高度为20-300cm，阴极可为2-30个，沿高度方向设置在阴极支架上，在阴极支架上的设置间隔不小于3cm。其中，优选阴极为10个，等间隔设置在阴极支架上。本专利技术所述的装置，阳极组中阳极为单个阳极，多个阴极共用一个阳极，并且阴阳极面积比为1:10到1:15，优选1:11。本专利技术所述微生物电化学敏感元件中阴极支架、阳极支架和外层受力保护内层的受力组件的材料均为聚氯乙烯或者硬度为60-90的塑性材料。本专利技术所述微生物电化学敏感元件的阴极和阳极均采用碳毡或石墨毡，所述阴极以氧气为电子受体。本专利技术所述微生物电化学敏感元件(A)的阴极和阳极均由铜线导出外接外电阻，所述的导线与电极连接处用环氧树脂密封，导线暴露部分以环氧树脂覆盖密封，所述的外电阻为800-1000Ω。其中，所述阴极支架采用两端通透的塑料管，在阴极布置位置处管壁设置孔洞以作为泥水交换通道，保证单阳极多阴极的微生物电化学组产出多个电信号不受相互影响。所述的阳极电势长期稳定单元(C)，具体是将干燥粉碎处理后的水生植物茎叶有机质投加到装置阳极区内沉积物中本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种同步监测水体不同深度溶解氧浓度的装置，其特征在于：所述装置包括相互连接的微生物电化学敏感单元（A）、信号采集转换单元（B）、阳极电势长期稳定单元（C）、和保护内层电极间距不变的受力结构组件（D）；所述微生物电化学敏感单元（A）包括：阴极组，所述阴极组包括阴极支架，以及固定在阴极支架上不同高度的多个阴极，阴极组置于待测水体中；阳极组，所述阳极组包括阳极支架，以及固定在阳极支架上的单个阳极，阳极要安插在沉积物中；导线和多个外电阻，所述外电阻数量与阴极相同；其中，阴极组中的阴极以任意择一的方式经导线1个串联外电阻与阳极组形成闭合回路；所述阳极电势长期稳定单元（C）布置在所述微生物电化学敏感单元（A）的沉积物中，微生物电化学敏感单元（A）布置在受力结构组件（D）内。
【技术特征摘要】
1.一种同步监测水体不同深度溶解氧浓度的装置，其特征在于：所述装置包括相互连接的微生物电化学敏感单元（A）、信号采集转换单元（B）、阳极电势长期稳定单元（C）、和保护内层电极间距不变的受力结构组件（D）；所述微生物电化学敏感单元（A）包括：阴极组，所述阴极组包括阴极支架，以及固定在阴极支架上不同高度的多个阴极，阴极组置于待测水体中；阳极组，所述阳极组包括阳极支架，以及固定在阳极支架上的单个阳极，阳极要安插在沉积物中；导线和多个外电阻，所述外电阻数量与阴极相同；其中，阴极组中的阴极以任意择一的方式经导线1个串联外电阻与阳极组形成闭合回路；所述阳极电势长期稳定单元（C）布置在所述微生物电化学敏感单元（A）的沉积物中，微生物电化学敏感单元（A）布置在受力结构组件（D）内。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阴极支架高度为20-300cm，阴极为2-30个，沿高度方向设置在阴极支架上，在阴极支架上的设置间隔不小于3cm。3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述阳极组中阳极为单个阳极，多个阴极共用一个阳极，阴阳极面积比为1:10到1:15。4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微生物电化学敏感元件（A）的阴极和阳极均采用碳毡或石墨毡，所述阴极以氧气为电子受体。5.如权利要求1或4所述的装置，其特征在于，所述微生物电化学敏感元件（A）的阴极和阳极均由铜线导出外接外电阻，所述的导线与电极连接处用环氧树脂密封，导线暴露部分以环氧树脂覆盖密封。6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述外电阻为800-1000Ω。7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微生物电化学敏感元件（A）中阴极支架和阳极支架、及受力结构组件（D）的材料均为聚氯乙烯或者硬度为6...
【专利技术属性】
技术研发人员：江和龙，宋娜，
申请(专利权)人：中国科学院南京地理与湖泊研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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