一种实时监测人工湿地中COD浓度的生物传感器方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种实时监测人工湿地中COD浓度的生物传感器方法和装置，步骤是：A、在湿地中部或底部设置阳极导电填料层，阳极填料层中设置集电极；B、在湿地填料表层设置阴极导电填料层，该层中设置阴极集电极；C、阳极和阴极填料层通过非导电隔离填料层分隔；D、输出电量信号通过电信号检测器显示；E、污水由底部进入湿地，从上部阴极导电填料层的出水口排出；F、污水流经系统过程中，通过显示的电量信号得到实时污水的浓度。该装置自下而上铺设有底部非导电、阳极导电、非导电、阴极导电填料层。方法简单，操作便捷，响应时间短、灵敏度高，稳定性好，实时高效反馈污水COD浓度和有机负荷，保障系统的稳定运行和净化效果。

【技术实现步骤摘要】
一种实时监测人工湿地中COD浓度的生物传感器方法和装置
本专利技术属于环境保护领域，更具体涉及一种实时监测并反馈进水有机冲击负荷的生物传感器的方法，同时还涉及一种实时监测并反馈进水有机冲击负荷的生物传感器的装置。适用于实时监测进水COD以及预测冲击有机负荷，并调整相应的运行管理模式，保障系统及出水的稳定。
技术介绍
微生物燃料电池(MFC)是近十年备受关注的生物电化学装置，通过微生物自身代谢，实现了有机物的降解和电子的转移，使化学能直接转化为电能。MFC的微型化、可实时在线监测的特点使得其在生物传感器领域得到了较广泛的研究和应用。但MFC生物传感器较的质子交换膜成本，同时需要维持阳极厌氧环境以及频繁更换阴极液以提供合适的电子受体，使得其在实际污水监测中的应用与推广受到限制(Chouler,J.,Lorenzo,M.,WaterQualityMonitoringinDevelopingCountries；CanMicrobialFuelCellsbetheAnswer？Biosensors,2015,5,450-470)。借助垂直流人工湿地自下而上形成的天然的氧化还原梯度，将电极嵌入人工湿地中形成人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)耦合系统，表现出对COD浓度的较好的电压信号响应效果(Doherty,L.,Zhao,Y.,Zhao,X.,Hu,Y.,Hao,X.,Xu,L.andLiu,R.Areviewofarecentlyemergedtechnology:Constructedwetland--Microbialfuelcells.WaterResearch,2015,85,38-45.)，该系统无需质子交换膜，也无需刻意营造特定的电极室环境，大大降低了成本，使得采用CW-MFC型生物传感器实现COD的实时监测具备了可行性。但是，通过电压的响应来实时反馈COD浓度的方式也存在一定的缺陷。比如当污水含难降解有机物、组成复杂时，电压信号往往响应滞后、不稳定，导致不能真实准确的反映COD浓度情况。而且，阳极区的厌氧环境利于硝酸盐还原菌、硫酸盐还原菌的生长，而这些菌属的生长会直接利用阳极产生的电子进行硝酸盐、硫酸盐还原，因而会对输出的电压信号产生干扰。另外，对于生物处理工艺，污水的冲击负荷往往会造成灾难性的后果，即使是抗冲击负荷较强的生物膜工艺也只能被动应付。人工湿地在污水净化过程中由于填料的挂膜更接近生物膜工艺，对于水量突然增大引起的水力冲击负荷和污染物浓度增加引起的有机冲击负荷等也会被动承受，导致出雍水、生物膜脱落、水水质恶化等后果。如何能采取经济有效的方法主动测定反馈污水中的有机负荷或者是COD浓度，并根据冲击有机负荷调整相应的运行参数来保障人工湿地的稳定运行以及出水水质效果是实际工程中亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种垂直流人工湿地净化污水过程中对COD浓度进行实时监测的生物传感器的方法，方法简单易行，操作便捷，响应时间短、灵敏度高，稳定性好，可实时高效反馈系统的有机负荷，可根据有机冲击负荷实行调整进水水量，保障系统的稳定运行和净化效果。本专利技术的另一个目的在于提供一种垂直流人工湿地净化污水过程中对COD浓度进行实时监测的生物传感器的装置。装置简单，操作方便，成本低廉；将COD浓度转换成电量信号反馈，电量信号随时间变化稳定、直接，可快速反馈发生有机冲击负荷，可及时指导调整运行参数，避免浓度骤增引起的出水水质恶化；同时电量信号较电压信号稳定，不会出现因水力冲造成生物膜不稳定引起的信号波动问题。为了实现上述的目的，本专利技术采用以下技术措施：技术构思是：在垂直流人工湿地的不同填料层中埋入阴极、阳极电极层，利用垂直流人工湿地中垂向天然的氧化还原电位差以及不同深度填料层的厌氧、缺氧、好氧微环境，富集阳极产电菌群，产电菌群以污水中的有机物为底物产生电子并通过外部导线形成电路，产生的电信号可以作为污水COD浓度的指示。在垂直流人工湿地垂直方向上的不同位置，设置阳极导电填料层、阴极导电填料层，并通过外部导线连接形成电流回路，形成CW-MFC传感器，通过电量信号指示污水中COD浓度，避免了常规电压信号受到水力冲击、微生物菌群的不稳定造成的电压信号的波动。一种实时监测人工湿地中COD浓度的生物传感器的方法，其步骤如下：A、在垂直流人工湿地中部或底部设置阳极导电填料层，阳极填料层中设置集电极；B、在垂直流人工湿地填料表层设置阴极导电填料层，该层中设置阴极集电极，该层一半暴露于空气中，一半保持污水浸润；湿地植物根系植入该层以下；C、阳极填料层和阴极填料层通过非导电隔离填料层分隔；D、阳极集电极的一端和阴极集电极的一端通过外导线和负载连接，形成电路；E、输出电量信号通过电信号检测器显示；F、污水由底部进入人工湿地，从上部阴极导电填料层的出水口排出；G、污水流经系统过程中，通过即时显示的电量信号得到实时污水的浓度，指导人工湿地运行参数调整。上述七个步骤中关键在于步骤A中的阳极填料层的设置，以及步骤B中阴极填料层一半暴露于空气中，一半保持污水浸润。阳极填料层的设置决定了产电菌群的富集程度和稳定性，以及是否出现某些特定的消耗电子的脱氮除磷功能菌群，影响电信号的稳定。阴极填料层的设置，需充分利用空气中的氧气作为电子受体，利于电子的传递。采用本专利技术中的方法，污水流经人工湿地过程中能产生稳定的电量信号，实时反馈出污水中的COD浓度，灵敏度可以达到52.92C/(mg·L-1)。一种实时监测人工湿地中COD浓度的生物传感器装置，该装置自下而上铺设有底部非导电填料层、阳极导电填料层、非导电填料隔离层、阴极导电填料层；其特征在于：阳极导电填料层分别与底部非导电填料层、非导电填料隔离层相连，阴极导电填料层与非导电填料隔离层相连，在非导电填料隔离层中种植湿地植物，阳极集电极、阴极集电极通过外导线负载连接，阳极集电极和阴极集电极分别放置在阳极导电填料层及阴极导电填料层内。所述的一种实时监测人工湿地中COD浓度的生物传感器装置，其特征在于：所述的阳极填料层和阴极导电填料层内填料为颗粒活性炭或石墨颗粒；颗粒活性炭和石墨颗粒的粒径为1-5mm。所述的阳极集电极和阴极集电极为石墨毡、石墨棒或不锈钢网。所述的装置中非导电填料隔离层为砾石、砂石、无烟煤、生物陶粒中的一种或一至四种中的任意一种；所述的湿地植物为美人蕉、芦竹、风车草、芦苇、水甜茅、大米草中的一种或一至六种的任意组合；通过上述的技术措施：本专利技术最关键的部件是阳极填料层、阴极填料层以及它们的有效连接。阳极填料层的导电填料材质、性状，在装置中的位置、厚度等参数直接影响着阳极产电菌群的生长富集。阴极填料层的设置要与空气接触并且保持污水的浸润，以确保充足的电子受体，加速电子传递效率。阳极填料层和阴极填料层分别通过阳极集电极和阴极集电极通过外部导线实现连接，阳极集电极和阴极集电极实现高效的收集电子并通过外部导线形成连通电路，确保本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实时监测人工湿地中COD浓度的生物传感器的方法，其特征在于，其步骤是：/nA、在垂直流人工湿地中部或底部设置阳极导电填料层，阳极填料层中设置集电极；/nB、在垂直流人工湿地填料表层设置阴极导电填料层，该层中设置阴极集电极，该层一半暴露于空气中，一半保持污水浸润，湿地植物根系植入该层以下；/nC、阳极填料层和阴极填料层通过非导电隔离填料层分隔；/nD、阳极集电极的一端和阴极集电极的一端通过外导线和负载连接，形成电路；/nE、输出电量信号通过电信号检测器显示；/nF、污水由底部进入人工湿地，从上部阴极导电填料层的出水口排出；/nG、污水流经系统过程中，通过即时显示的电量信号得到实时污水的浓度，指导人工湿地运行参数调整。/n

【技术特征摘要】
1.一种实时监测人工湿地中COD浓度的生物传感器的方法，其特征在于，其步骤是：
A、在垂直流人工湿地中部或底部设置阳极导电填料层，阳极填料层中设置集电极；
B、在垂直流人工湿地填料表层设置阴极导电填料层，该层中设置阴极集电极，该层一半暴露于空气中，一半保持污水浸润，湿地植物根系植入该层以下；
C、阳极填料层和阴极填料层通过非导电隔离填料层分隔；
D、阳极集电极的一端和阴极集电极的一端通过外导线和负载连接，形成电路；
E、输出电量信号通过电信号检测器显示；
F、污水由底部进入人工湿地，从上部阴极导电填料层的出水口排出；
G、污水流经系统过程中，通过即时显示的电量信号得到实时污水的浓度，指导人工湿地运行参数调整。


2.权利要求1所述的一种实时监测人工湿地COD浓度的生物传感器装置，该装置自下而上铺设有底部非导电填料层(1)、阳极导电填料层(2)、非导电填料隔离层(3)、阴极导电填料层(4)，其特征在于：阳极导电填料层(2)分别与底部非导电填料层(1)、非导电填料隔离层(3)相连，阴极导电填料层(4)与非导电填料隔离层(3)相连，在非导电填料隔离层(3)中种植湿地植物(5)、阳极集电极(6)、阴极集电极(7)通过导线(8)连接，阳极集电极(6)和阴极集电极(7)分别放置在阳极导电填料层(2)及阴极导电填料层(4)内，阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖恩荣，鲁汭，吴振斌，陈迪松，林莉莉，陈宇华，李志伟，赵玉清，
申请(专利权)人：中国科学院水生生物研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42