基于连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的水质监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的水质监测方法，所述微生物燃料电池包括阳极检测单元、阴极检测单元及阴阳极连通管；水样经过预处理后，先进入连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的阳极检测单元，然后通过阴阳极连通管进入阴极检测单元，最后从阴极检测单元流出，通过实时分析通入预处理后的待测水样和标准水样的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的输出电流，判断待测水样的水质情况。本监测方法可有效监测单一毒性污染、有机物过载以及毒性污染物‑有机物复合污染等多种水质异常情况，扩大了基于微生物燃料电池的水质监测方法的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
基于连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的水质监测方法
本专利技术属于水质生物毒性监测
，具体涉及一种基于连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的水质监测方法。
技术介绍
随着我国工业化进程的不断推进和经济的高速发展，各种化学产品的大量使用和人类的开发建设行为对水体环境造成了严重的污染。开发水质在线监测方法，实现对水体污染的早期预警，有利于降低突发性水体污染事件引发的经济损失，保障生态安全。现有的水质在线监测系统的测定指标主要为化学需氧量、pH、电导率等理化指标，这些指标虽然可以评估水质变化，但无法反映水体的生物毒性和综合毒性。在线监测水体生物毒性，对评价污染事件对人类健康的风险、全面评估水质污染情况有重要意义。基于微生物燃料电池(microbialfuelcell,MFC)的监测方法是水质生物毒性监测技术的一个新兴分支。其监测水质的原理是毒性污染物会影响电化学活性微生物的代谢活性，从而引起MFC输出信号的变化，通过监测MFC输出信号即可实现水质毒性的实时监控。相较于以鱼类、蚤类等作为受试生物，基于MFC的监测方法不需要额外的信号转导装置，可以实现自驱动，更适用于连续在线分析。现有基于MFC的监测方法，主要以生物阳极作为传感元件，在监测单一毒性污染时具有较好的灵敏度。然而，实际水体污染中，毒性污染物与有机物过载同时发生的复合污染占有相当大的比例。以MFC的阳极作为传感元件在监测此类污染时具有原理性的缺陷，即有机物浓度的增加会提高电化学活性微生物的代谢活性，削弱毒性污染物引起输出信号下降的幅度，导致预警失败。如何实现对复合污染的有效监测，是基于MFC的水质生物毒性监测技术面临的重要问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种基于连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的水质监测方法。与传统基于微生物燃料电池的方法相比，该方法的特征是利用连续流无膜生物阴极微生物燃料电池，并以生物阳极和生物阴极共同作为检测元件，待测水样先进入阳极检测单元，然后通过阴阳极连通管进入阴极检测单元，通过实时监测连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的输出电流，并与通入标准水样的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的输出信号对比，实现对单一毒性污染、有机物过载以及毒性污染物-有机物复合污染等多种水质异常情况的监测。本专利技术首次提出将连续流无膜生物阴极微生物燃料电池应用于水质监测领域，并扩大了基于微生物燃料电池的水质监测方法的监测范围，本专利技术具体内容如下：一种连续流无膜生物阴极微生物燃料电池，包括阳极检测单元，阴极检测单元以及阴阳极连通管。所述阳极检测单元和阴极检测单元的内部均为圆柱形空腔，阳极检测单元空腔体积为14-56mL，阴极检测单元空腔体积为14-112mL。空腔内部放置有碳布电极，碳布电极通过钛丝从顶部电极孔引出后与控制单元连接。阳极碳布电极表面覆盖具有电化学活性微生物组成的厌氧生物膜，而阴极碳布电极表面覆盖具有电化学活性微生物组成的好氧生物膜。阴极检测单元侧壁设有曝气孔，用于插入与气泵连接的曝气装置。阳极检测单元和阴极检测单元侧壁均设有进水口和出水口，使其以连续流方式运行。阴阳极连通管直接连接阳极检测单元的阳极出水口和阴极检测单元的阴极进水口，连通管内径为2-10mm，管长为20-50mm。在上述尺寸范围内，阴阳极连通管可以有效抑制氧气由阴极检测单元向阳极检测单元扩散，保证连续流无膜生物阴极微生物燃料电池具有稳定的输出电流。一种基于上述连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的水质监测方法，检测流程如图1所示。所述方法使用具有上述构型的两组完全相同的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ和Ⅱ来进行检测，其中连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ持续通入预处理后的待测水样，连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅱ持续通入预处理后的标准水样，标准水样为电导率不超过0.001S/m的纯净水。上述预处理过程，包括通过曝氮气使水样中的溶解氧浓度小于0.5mg/L，通过加热或制冷使水样温度在25.0±1.0℃范围内，通过添加氯化钠使水样电导率在1.0±0.1S/m范围内，以及向水样中添加0.062g/L-0.246g/L乙酸钠。水样经过预处理后，先通过进液泵从阳极进水口流入连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的阳极检测单元，然后通过阴阳极连通管进入阴极检测单元，最后从阴极检测单元流出。水样进液流速均为0.5-4mL/min，检测时间为15-60min。在上述参数范围内，水样可以与电极生物膜充分接触，待测水样的水质变化可以快速反映在微生物燃料电池输出电流的变化上。上述检测过程中，控制单元持续测量并分析两组连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ和Ⅱ的输出电流，判断待测水样的水质是否异常。以上方法所述的控制单元，可以向连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ和Ⅱ施加0-1V的电压，控制精度不低于1mV；同时可以测量连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ和Ⅱ的输出电流，测量精度不低于1μA，测量频率不低于1Hz。检测时，控制单元根据公式(1)实时计算电流变化系数R，判断待测水样的水质是否异常：R＝|(I1-I2)/I2|×100％(1)I1为持续通入待测水样的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ的输出电流，I2为持续通入标准水样的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅱ的输出电流，I1和I2均为检测过程中每分钟的实时电流，当R>20时，判定水质异常，否则水质正常。当待测水样中存在过量有机物，即发生有机物过载时，由于有机物是阳极电化学活性微生物的代谢底物，有机物浓度升高会促进其代谢活性，当其代谢活性已处于饱和状态时，阳极微生物无法代谢过量的有机物，导致阳极出水中含有大量未被代谢的有机物。过量的有机物随阳极出水进入阴极检测单元后，有机物会与阴极电极板的电子竞争作为阴极电化学活性微生物的电子供体，使其利用阴极电极板电子的速率下降。同时阴极检测单元中可能还存在着一些非电化学活性微生物，这些微生物可以利用有机物进行好氧异养代谢，与电化学活性微生物竞争溶解氧，也不利于阴极反应进行。由于过量的有机物引起阴极反应速率降低，通入待测水样的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ的输出电流I1会不断下降，因此本专利技术的方法可以实现对待测水样有机物过载事件的监测。当待测水样发生单一毒性污染时，阳极检测单元中的电化学活性微生物的代谢活性会被毒性污染物抑制，其产生电子的速率下降，同时其代谢有机物的速率也降低，使阳极出水中可能存在未被代谢的有机物。含有毒性污染物和未被代谢有机物的阳极出水再经阴阳极连通管流入阴极检测单元后，会引起阴极检测单元中电化学活性微生物利用电子的能力下降。由于阴阳极反应速率均降低，通入待测水样的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ的输出电流I1会不断下降，因此本专利技术的方法可以实现对单一毒性污染事件的监测。当待测水样发生毒性污染物和有机物过载同时存在的复合污染时，有机物浓度的增加和毒性污染物的冲击分别促进和抑制阳极检测单元中电化学活性微生物的活性，阳极出水中会含有毒性污染物和过量的有机物。阳极出水再经阴阳极连通管流入阴极检测单元后，毒性污染物与过量的有机物均会引起阴极反应速率降低。由于复合污染引起阴极反应速率降低，通入待测水样的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ的输出电流I1会不断下降，因此本专利技术的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的水质监测方法，其特征在于：所述方法使用两组完全相同的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ(1)和Ⅱ来进行检测，其中连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ(1)持续通入预处理后的待测水样，连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅱ持续通入预处理后的标准水样，标准水样为电导率不超过0.001S/m的纯净水，水样进液流速均为0.5‑4mL/min，检测时间为15‑60min，控制单元(17)实时测量并分析通入预处理后的待测水样和标准水样的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ(1)和Ⅱ的输出电流，判断待测水样的水质是否异常。

【技术特征摘要】
1.基于连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的水质监测方法，其特征在于：所述方法使用两组完全相同的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ(1)和Ⅱ来进行检测，其中连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ(1)持续通入预处理后的待测水样，连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅱ持续通入预处理后的标准水样，标准水样为电导率不超过0.001S/m的纯净水，水样进液流速均为0.5-4mL/min，检测时间为15-60min，控制单元(17)实时测量并分析通入预处理后的待测水样和标准水样的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ(1)和Ⅱ的输出电流，判断待测水样的水质是否异常。2.权利要求1所述的预处理，包括通过曝氮气使水样中的溶解氧浓度小于0.5mg/L，通过加热或制冷使水样温度在25.0±1.0℃范围内，通过添加氯化钠使水样电导率在1.0±0.1S/m范围内，以及向水样中添加0.062g/L-0.246g/L乙酸钠。3.权利要求1所述的连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ(1)，其特征在于：所述连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ(1)包括阳极检测单元(2)、阴极检测单元(9)和阴阳极连通管(8)，检测时，水样经过预处理后，先进入连续流无膜生物阴极微生物燃料电池Ⅰ(1)的阳极检测单元(2)，然后通过阴阳极连通管(8)进入阴极检测单元(9)，最后从阴极检测单元(9)流出。4.权利要求3所述的阳极检测单元(2)，其特征在于所述阳极检测单元(2)的内部为圆柱形空腔，空腔体积为14-56mL，空腔内部放置有阳极碳布电极(4)，电极表面覆盖具有电化学活性微生物组成的厌氧生物膜，阳极检测单元(2)顶部设有阳极电极孔(6)，阳极碳布电极(4)通过钛丝(5)引出与控制单元(17)连接，阳极检测单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红，赵婷，谢倍珍，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11