一种生化需氧量的测定方法和BOD传感器及应用技术

本发明专利技术公开了一种生化需氧量的测定方法和ＢＯＤ传感器及应用。包括构建单室空气阴极无介体微生物燃料电池、把样品加入微生物燃料电池中；测定由微生物燃料电池产生的输出电压计算电量值；将电量值代入线性方程计算ＢＯＤ值等步骤。本发明专利技术提供了实现所述方法的具体ＢＯＤ传感器装置及其应用，本发明专利技术最低检出限为０．２ｍｇ／Ｌ，ＢＯＤ测定范围为５～５０ｍｇ／Ｌ，与５天２０±１℃培养法检测结果的相对误差在４．０％以内，操作过程简单并可程序化、测定过程稳定快捷、可实现在线检测、成本低廉，适合普遍推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于环境检测
，具体涉及一种生化需氧量(BOD) 的测定方法和实现所述方法的BOD传感器及使用方法。
技术介绍
生化需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)是表征有机物 污染程度的综合性指标，BOD的检测在环境检测、水处理工程中起 着非常重要的作用，被广泛应用于水体监测和污水处理厂运行控制， BOD其含义是在微生物作用下单位体积水样中有机物氧化所消耗 的溶解氧质量。目前国内外主要采用BOD5领U定法，20士rC条件下培养样品5 天后分别测定样品培养前后的溶解氧，二者之间的差值即为5天的生 化需氧量。具体操作过程包括水样采集、充氧、培养、测定等步骤。 该法操作复杂，费时费力，很难实现现场实时监测。BOD的现有其 它测定方法主要有检压式库仑计法、短时日法、平台值法和瓦勃呼 吸法等，这些方法基本上是基于一些经验公式，且操作过程均较为复 杂，测定过程不够稳定，没有得到推广。1977年，Karube等首次利用微生物传感器原理成功研制了 BOD 传感器，利用所述的BOD传感器来进行生化需氧量的测定。所述传 感器由固定化土壤菌群与氧电极构成，检测时间短(15min内)，但 由于微生物酶对固定化微生物膜的破坏，传感器的寿命非常短。近年来，微生物燃料电池(microbial fuel cell ， MFC )用于BOD的在线监测受到越来越多的关注，经研究发现BOD浓度与MFC的 稳定输出电流或输出电量呈良好的线性关系。MFC是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成电能 的装置，基本结构为阴极室、阳极室以及隔膜。根据电池阴极室结构 不同，MFC可分为单室(空气阴极)和双室型(阴极曝气)。目前用 于BOD传感器研究的MFC均为双室型。Kim等采用无介体双室MFC 构建了BOD传感器，大大延长了传感器的使用寿命，并且测得BOD 与电量之间的线性相关系数达到0.99，检测样品废水结果显示标准差 为±3% ±12%。但是该MFC采用的质子交换膜价格昂贵，尤其是需 要对阴极室曝气，操作较复杂。另外，目前MFC的阴极催化剂普遍 采用金属铂(Pt)， Pt价格昂贵，限制了MFC型BOD传感器的推广 应用。公开号为CN01315347的中国专利申请公开了一种在线测定样 品生化需氧量的装置，采用一种上升流微生物燃料电池来测定样品生 化需氧量，电池的结构包括一个外壳、阳极、阴极、阳极和阴极之间 的电极室，阳极和阴极采用铂、石墨、石墨毡等材料，水样由下而上 经过阳极、电极室、阴极，从电池的水样出口流出；采用这种结构的 电池可以实现连续在线测定水样的生化需氧量，但是该专利技术存在以下 缺陷1)为防止堵塞，它采用了过滤处理除去水样中的颗粒物与微 生物菌体，这将造成检测结果偏低，因为水样中的颗粒物与微生物菌 体也是BOD的组成部分；2)它采用无膜上升流电池结构，阳极与阴 极同时置于一个电极室中，中间无隔膜分开，这样阳极液中的产电微生物与有机物(燃料)将直接穿越至阴极，造成阴极污染，导致阴极 氧还原效率降低，电池性能越来越差，从而影响检测结果的稳定性， 而且这种构型的微生物燃料电池的内阻较大、输出电量低，从而降低 了 BOD检测的精度；3)该专利技术没有对检测条件进行优化设计以获得 较佳的检测结果。近年来，单室空气阴极MFC以其独特的优点污水处置方面受到广泛关注1)它采用"二合一"膜阴极组作为阳极室与阴极的隔膜， 可防止阳极液组分(产电微生物与燃料)穿越至阴极表面，膜阴极组 同时可作为氧还原反应的界面，氧气被动扩散至阴极表面结构，从而免除了曝气通氧的需要，大大减化了操作；2)与传统双室型MFC相 比，单室空气阴极MFC的结构简单，内阻低，输出电量大。目前， 单室空气阴极MFC已成为废水微生物发电的主流构型。但据检索， 采用单室型微生物燃料电池作为核心部件的BOD传感器尚未见报 道。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是克服现有生化需氧量(BOD)检测技术的不 足，提供一种生化需氧量的测定方法，利用微生物燃料电池(MFC) 进行实时、准确地测定生化需氧量，并具有节能、装置简单、操作容 易的优点。本专利技术的另 一个目的是提供实现所述测定方法的装置， 一种新的 (BOD)传感器。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现提供一种生化需氧量的测定方法，包括把待测水样加入微生物燃 料电池中；测定由微生物燃料电池产生的输出电压计算电量值；将电 量值代入线性方程计算生化需氧量(BOD值)等步骤，所述微生物 燃料电池为单室空气阴极无介体微生物燃料电池(MFC)。所述单室空气阴极无介体MFC包括镂空骨架、阳极和膜阴极组 件，所述镂空骨架两端开口，其上为出水口，其下为进水口，阳极置 于镂空骨架内，膜阴极包裹镂空骨架。本申请人在申请号为 200810029221.6、 200810198453.4和200910040920.5的专利申请中分 别对所述微生物电池、使用Mn02为催化齐l」、布阴极有比较详细的描 述，可以作为参照。与本申请人在上述专利申请中公开的大的反应器 一样，骨架打孔后包裹密封，包裹面积没有特殊要求，只要有较大的 阴极反应面积、不漏水即可。阴阳极均由钛丝导出外接电阻。与公开 号为CN01315347的中国专利申请公开的技术方案不同的是，本专利技术 的微生物燃料电池中水样与阳极、阴极是接触面接触，而不是穿过阴 极，不会造成堵塞，有效避免阴极污染，不需要对水样进行特别处理， 不仅不会造成生化需氧量测量误差、也不需要样品池、进料泵、管道 过滤器、过滤膜等等设备。所述阳极优选采用碳毡；所述膜阴极以载Mn02碳布作阴极，热 压在阳离子交换膜上制备得到，参照现有常规技术。所述待测水样pH值优选调节为7.0;外接电阻优选电阻为12 kQ; 检测时间设定为2h，所述清洗阳极室的时间设定为2 10min;本专利技术同时提供了一种实现所述测定方法的装置， 一种BOD传感器，包括单室空气阴极无介体MFC和信号采集装置，还可以包括用来处理检测结果的计算机或者其他常规的数据处理装置。外电阻的 两端分别通过导线与微生物燃料电池的阳极和阴极及信号采集器相 连接，信号采集器通过导线与计算机系统或者其他的数据处理系统相 连接。所述单室空气阴极无介体MFC包括镂空骨架、阳极和膜阴极组 件，所述镂空骨架两端开口，其上为出水口，其下为进水口，阳极置 于镂空骨架内，膜阴极包裹镂空骨架，阴阳极均由钛丝导出外接电阻 和信号采集器，信号采集器还可以连接计算机或者其他数据处理装 置。在已有的技术中，镂空骨架采用钻孔的PVC管，作为一个优选 的方案，本专利技术所述镂空骨架可采用一注射器针筒，注射器容积优选 20mL，在注射器针筒管壁打孔，打孔规格为12x13个，孔直径4 mm 左右；以碳毡作阳极，以载Mn02碳布作为阴极热压在阳离子交换膜 上制成"二合一"膜阴极组件，Mn02载量优选为12 mg/cm2，将膜阴 极包裹在20mL注射器上，并用环氧树脂胶密封两端，注射器针筒两 端开口，其上为出水口，其下为进水口，并设开关；阴阳极均由钛丝 导出，外连电阻，以信号采集器记录输出电压。使用所述微生物电池进行BOD测定具体包括以下步骤(1) 构建微生物电池按照前述内容准备阳极、膜阴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生化需氧量的测定方法，包括把待测水样加入微生物燃料电池中；测定由微生物燃料电池产生的输出电压计算电量值；将电量值代入线性方程计算ＢＯＤ值步骤，其特征在于所述微生物燃料电池为单室空气阴极无介体微生物燃料电池。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周顺桂，杨一览，黄德银，吴锋，王跃强，
申请(专利权)人：广东省生态环境与土壤研究所，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]