基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统及方法，该检测系统包括预处理模块、自动进样模块、微生物燃料电池检测模块、中央控制系统模块和无线传输模块，所述各个模块内设置若干子系统。本发明专利技术采用MFC反应器作为BOD检测的核心部件，利用MFC阳极室中产电微生物对水样中有机物浓度变化的敏感性和特异性，通过采集MFC反应器的输出电信号，代入相应数学模型中计算，实现待测水样中BOD值的在线、实时、快速检测；通过设置多个通道，提高检测数据的准确率和系统运行的稳定性；无线传输模块也可满足水质远程监控要求。

【技术实现步骤摘要】
基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统及方法
本专利技术属于污水水质监测的
，具体涉及一种基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统及方法。
技术介绍
生化需氧量(BOD)是指在一定条件下，微生物分解存在于水中的可生化降解有机物所进行的生物化学反应过程中所消耗的溶解氧的数量(mg/L)，其值越高，说明水中有机污染物越严重。BOD作为一项最重要的环境监测常规指标，其测定对水污染控制及对水环境的功能评价具有非常重要的意义。在BOD的测量中，通常规定使用20℃、5天的测试条件，并将结果以氧的浓度mg/L表示，记为五日生化需氧量，符号BOD5。然而，这种传统的五日生化法(BOD5)因为耗时长、技术要求高且结果重现性差的缘故，越来越不能适应快速检测的要求。微生物燃料电池(microbialfuelcell，简称MFC)是一种以特殊微生物为催化剂，可直接将水样中可降解有机物中的化学能转化为电能的装置。当MFC的生物阳极所处的水环境发生变化时，附着在阳极上的微生物的活性也会随之发生改变，因此，可以通过记录MFC传感器外电路上的电信号变化，来反映水质的变化。研究表明，MFC反应器的输出电信号值与其阳极室进水中BOD浓度存在良好的线性相关性，因此，可以借助MFC反应器来实现水样中BOD值的在线、快速测定。同时在实际应用中，对于实际水体的监测，往往面临着涉及范围广、所需布点多，需人工值守等问题。因此，为更好地满足实际水体监测的便捷性，实现数据的远程传输和数据远程查看、水质远程预警等功能也十分重要。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统及方法，解决现有BOD检测方法时效性差、操作复杂等问题，实现BOD的在线、快速检测，并且能够做到远程预警通知。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供的一种基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，包括预处理模块、自动进样模块、微生物燃料电池检测模块、中央控制系统模块和无线传输模块；所述预处理模块包括自动采样系统、干扰离子调节系统和水样消毒系统；所述自动采样系统，用于定量采集待测水样，自动、定时地将待测水体泵入检测系统中；所述干扰离子调节系统，用于降低水样中干扰离子的浓度；所述水样消毒系统，用于灭活待测水样中存在的各类杂菌和致病菌；所述自动进样模块包括自动稀释系统、溶解氧去除系统、水样预热系统和自动进样系统；所述自动稀释系统，用于对超过系统可测量浓度范围的待测水样按比例进行稀释，使其符合检测浓度要求；所述溶解氧去除系统，用于确保微生物燃料电池阳极室内严格厌氧环境，减少因水样中溶解氧浓度过量而对阳极生物膜造成的伤害，保证检测结果的准确性和系统运行的稳定性；所述水样预热系统，用于对待测水样进行预热，使其在进入微生物燃料电池检测模块时的溶液温度已达预设标准，缩短其在测量池内的加热时间，提高测量结果的准确性和稳定性；所述自动进样系统，用于将预处理完全的待测水样定量地输送至微生物燃料电池阳极室中进行检测；所述微生物燃料电池检测模块包括MFC检测系统、恒温控制系统、数据采集系统和反应器自动清洗系统；所述MFC检测系统，用于对待测水样中BOD浓度的测量；所述恒温控制系统，用于保证微生物燃料电池能够在适当的温度条件下稳定运行；所述数据采集系统，用于采集微生物燃料电池阴、阳极两端输出的电信号变化值；所述反应器自动清洗系统，用于对每次检测后的微生物燃料电池阳极室和阴极室进行清洗，确保每次测量结果不受上一次测量的影响；所述中央控制系统模块，用于负责各个系统的稳定运行，发送操作指令，使整个在线检测系统处于高度自动化状态；所述中央控制系统中数据处理模型为：以“一元线性回归方程”为主，“非线性回归方程”为辅的混合数据处理模型，对处于系统正常检测浓度范围内的水样，依据一元线性回归方程进行浓度计算，对高于系统正常检测浓度范围的水样，则通过非线性回归曲线进行数据拟合和处理；所述无线传输模块，用于所有数据的远程通信传输，实现水质远程监控和在线实时预警。作为优选的技术方案，所述干扰离子调节系统，通过向待测水样中投加适量药剂，将水样中存在的对微生物有毒害作用以及对检测结果有干扰的离子浓度调节至可接受的范围；其中重金属离子的含量均需控制在0～0.1mol/L、铵根离子浓度需控制在0～50mg/L、硝酸根离子的浓度需控制在0～20mg/L、氯离子浓度需控制在0～400mg/L、硫酸根离子浓度需控制在0～150mg/L。作为优选的技术方案，所述水样消毒系统的消毒方法是用波长为254nm的紫外线照射水样。作为优选的技术方案，所述自动稀释系统采用弯管稀释方法，根据预先计算好的待测水样稀释比，通过计量泵抽取适量体积的待测水样，然后再加入适量的磷酸盐缓冲溶液，两者一起通入弯管中混合稀释均匀；所述自动稀释系统包括稀释器，所述稀释器的主体结构是一段或几段长度不同的弯管，通过选择不同长度的弯管，实现水样不同比例的稀释要求；弯管设置在恒温器中，实现水样在稀释过程中同时进行预热的目的；所述稀释剂选用磷酸盐缓冲溶液，pH值为6.5～7.5。作为优选的技术方案，所述溶解氧去除系统采用氮气吹脱溶解氧的方法，氮气吹脱时间至少0.5小时。作为优选的技术方案，所述MFC检测系统的微生物燃料电池为双室空气阴极结构，阳极室和阴极室用Nafion117质子交换膜隔开；阳极室保持厌氧环境，控制溶解氧浓度不大于0.1mg/L；阳极和阴极之间用20～1000Ω的精密电阻相连接；阳极材料为碳毡，阴极材料为碳布；阴极催化剂为20％的Pt/C催化剂；所述MFC反应器的阳极生物膜由待测水样培养富集而成；所述MFC反应器主体结构采用有机玻璃耗材，整体构形为方形，中间截面为圆角方形，阳极腔室的液体出口采用高开孔位设计，确保不残留空气柱；腔室底部设计有自排渣口，底部液体进口的开口位置高于排渣口，高度差可设为2mm；所述MFC反应器进水采用下进上出的方式，进出水口均设置在侧面；所述MFC反应器的阳极室和阴极室采用非对称性设计，阳极室宽度设计为1.5cm，阴极室宽度则略小于阳极室宽度，设计为1.0cm；所述的MFC检测系统中设置了至少三套微生物燃料电池传感器，其中两套传感器用于日常测量，另外预留一套传感器备用；通过MFC检测系统中设置的至少两套实时检测通道采集的至少两个电信号，通过无线传输模块可以在手机客户端实现检测数据的分别处理，生成相应的水质监测信息；所述电信号由数据采集系统采集后，将通过所述无线数据传输模块，经由所述基站中转，传送至所述云服务器中，最后传输至所述手机客户端；所述的MFC检测系统中为保证MFC传感器在经过长时间运行后，仍然能够维持性能的稳定，通过将待测水体更换为性能恢复水体，从而实现对MFC传感器阳极生物膜的性能恢复，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，包括预处理模块、自动进样模块、微生物燃料电池检测模块、中央控制系统模块和无线传输模块；/n所述预处理模块包括自动采样系统、干扰离子调节系统和水样消毒系统；/n所述自动采样系统，用于定量采集待测水样，自动、定时地将待测水体泵入检测系统中；所述干扰离子调节系统，用于降低水样中干扰离子的浓度；/n所述水样消毒系统，用于灭活待测水样中存在的各类杂菌和致病菌；/n所述自动进样模块包括自动稀释系统、溶解氧去除系统、水样预热系统和自动进样系统；/n所述自动稀释系统，用于对超过系统可测量浓度范围的待测水样按比例进行稀释，使其符合检测浓度要求；/n所述溶解氧去除系统，用于确保微生物燃料电池阳极室内严格厌氧环境，减少因水样中溶解氧浓度过量而对阳极生物膜造成的伤害，保证检测结果的准确性和系统运行的稳定性；/n所述水样预热系统，用于对待测水样进行预热，使其在进入微生物燃料电池检测模块时的溶液温度已达预设标准，缩短其在测量池内的加热时间，提高测量结果的准确性和稳定性；/n所述自动进样系统，用于将预处理完全的待测水样定量地输送至微生物燃料电池阳极室中进行检测；/n所述微生物燃料电池检测模块包括MFC检测系统、恒温控制系统、数据采集系统和反应器自动清洗系统；/n所述MFC检测系统，用于对待测水样中BOD浓度的测量；/n所述恒温控制系统，用于保证微生物燃料电池能够在适当的温度条件下稳定运行；/n所述数据采集系统，用于采集微生物燃料电池阴、阳极两端输出的电信号变化值；/n所述反应器自动清洗系统，用于对每次检测后的微生物燃料电池阳极室和阴极室进行清洗，确保每次测量结果不受上一次测量的影响；/n所述中央控制系统模块，用于负责各个系统的稳定运行，发送操作指令，使整个在线检测系统处于高度自动化状态；所述中央控制系统中数据处理模型为：以“一元线性回归方程”为主，“非线性回归方程”为辅的混合数据处理模型，对处于系统正常检测浓度范围内的水样，依据一元线性回归方程进行浓度计算，对高于系统正常检测浓度范围的水样，则通过非线性回归曲线进行数据拟合和处理；/n所述无线传输模块，用于所有数据的远程通信传输，实现水质远程监控和在线实时预警。/n...

【技术特征摘要】
1.基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，包括预处理模块、自动进样模块、微生物燃料电池检测模块、中央控制系统模块和无线传输模块；
所述预处理模块包括自动采样系统、干扰离子调节系统和水样消毒系统；
所述自动采样系统，用于定量采集待测水样，自动、定时地将待测水体泵入检测系统中；所述干扰离子调节系统，用于降低水样中干扰离子的浓度；
所述水样消毒系统，用于灭活待测水样中存在的各类杂菌和致病菌；
所述自动进样模块包括自动稀释系统、溶解氧去除系统、水样预热系统和自动进样系统；
所述自动稀释系统，用于对超过系统可测量浓度范围的待测水样按比例进行稀释，使其符合检测浓度要求；
所述溶解氧去除系统，用于确保微生物燃料电池阳极室内严格厌氧环境，减少因水样中溶解氧浓度过量而对阳极生物膜造成的伤害，保证检测结果的准确性和系统运行的稳定性；
所述水样预热系统，用于对待测水样进行预热，使其在进入微生物燃料电池检测模块时的溶液温度已达预设标准，缩短其在测量池内的加热时间，提高测量结果的准确性和稳定性；
所述自动进样系统，用于将预处理完全的待测水样定量地输送至微生物燃料电池阳极室中进行检测；
所述微生物燃料电池检测模块包括MFC检测系统、恒温控制系统、数据采集系统和反应器自动清洗系统；
所述MFC检测系统，用于对待测水样中BOD浓度的测量；
所述恒温控制系统，用于保证微生物燃料电池能够在适当的温度条件下稳定运行；
所述数据采集系统，用于采集微生物燃料电池阴、阳极两端输出的电信号变化值；
所述反应器自动清洗系统，用于对每次检测后的微生物燃料电池阳极室和阴极室进行清洗，确保每次测量结果不受上一次测量的影响；
所述中央控制系统模块，用于负责各个系统的稳定运行，发送操作指令，使整个在线检测系统处于高度自动化状态；所述中央控制系统中数据处理模型为：以“一元线性回归方程”为主，“非线性回归方程”为辅的混合数据处理模型，对处于系统正常检测浓度范围内的水样，依据一元线性回归方程进行浓度计算，对高于系统正常检测浓度范围的水样，则通过非线性回归曲线进行数据拟合和处理；
所述无线传输模块，用于所有数据的远程通信传输，实现水质远程监控和在线实时预警。


2.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，所述干扰离子调节系统，通过向待测水样中投加适量药剂，将水样中存在的对微生物有毒害作用以及对检测结果有干扰的离子浓度调节至可接受的范围；其中重金属离子的含量均需控制在0～0.1mol/L、铵根离子浓度需控制在0～50mg/L、硝酸根离子的浓度需控制在0～20mg/L、氯离子浓度需控制在0～400mg/L、硫酸根离子浓度需控制在0～150mg/L。


3.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，所述水样消毒系统的消毒方法是用波长为254nm的紫外线照射水样。


4.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，所述自动稀释系统采用弯管稀释方法，根据预先计算好的待测水样稀释比，通过计量泵抽取适量体积的待测水样，然后再加入适量的磷酸盐缓冲溶液，两者一起通入弯管中混合稀释均匀；
所述自动稀释系统包括稀释器，所述稀释器的主体结构是一段或几段长度不同的弯管，通过选择不同长度的弯管，实现水样不同比例的稀释要求；弯管设置在恒温器中，实现水样在稀释过程中同时进行预热的目的；所述稀释剂选用磷酸盐缓冲溶液，pH值为6.5～7.5。


5.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，所述溶解氧去除系统采用氮气吹脱溶解氧的方法，氮气吹脱时间至少0.5小时。


6.根据权利要求1所述基于微生物燃料电池的生化需氧量在线自动检测系统，其特征在于，所述MFC检...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌宇祥，唐嘉丽，于广平，
申请(专利权)人：广州中国科学院沈阳自动化研究所分所，中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44