[發明專利]生物電化學系統及其在線生化需氧量監測裝置與監測方法

有效

• 申請號: 201710606004.8
• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN107505369B
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 余登斌;董紹俊;劉長宇;翟俊峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春應用化學研究所
• 主分類號: G01N27/327
• 分類號: G01N27/327;G01N35/10
• 代理公司: 22210 長春菁華專利商標代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 南小平

生物電化學系統及其在線生化需氧量監測裝置與監測方法，屬于水體監測技術領域。解決了如何提供一種能夠對水體BOD實現靈敏、快速、低成本、準確監測的裝置與方法的問題。本發明的生物電化學系統，可以為M3C傳感器、MFC傳感器或MEC傳感器，M3C傳感器包括填充顆粒、外殼和三電極系統；外殼為內部具有空腔的密封結構，外殼上設有與空腔連通的進樣口和出樣口；填充顆粒填充在外殼的空腔內，工作電極置于外殼的空腔內；MFC傳感器或MEC傳感器，生物陽極室和/或生物陰極室內填充填充顆粒。該生物電化學系統采用顆粒填充反應器，流體剪切力大，底物降解更充分，檢測靈敏度更高。

技術領域

本發明屬于水體監測技術領域，具體涉及一種生物電化學系統及其在線生化需氧量監測裝置與監測方法。

背景技術

生化需氧量(biochemical oxygen demand，BOD)是反映水體和污水有機物濃度的一個綜合性指標，是一定時間內微生物分解水中有機物質所消耗的溶解氧量，常以mg/L表示。BOD值越高，說明水中有機污染物濃度越高。BOD的標準測定法，國內外大多沿用美國1936年公布的方法，稱BOD₅法。這種傳統的BOD₅測定法存在著嚴重的缺陷：需要在20℃下測量，測定周期為5天，工作量大，操作繁瑣，受干擾因素多，重復性差，有較大誤差，工作人員需要相當高的專門訓練，且不能及時反映水體變化情況，尤其在污水處理過程中不能有效地進行信息反饋和指導生產。

近年來，出現了大量關于BOD傳感器的研究，如檢壓式庫侖計法、短時日法，平臺值法，微生物電極法，發光細菌法和紫外熒光法等。但是，這些BOD檢測方法都未在水體檢測領域得到普遍應用。如何準確、快速地測定BOD濃度一直是水體檢測中的一大難題。而以微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)工作原理為基礎的BOD傳感器的研究也是研究人員關注的焦點。自從Karube等應用MFC測定BOD以來，MFC作為傳感器在分析領域的應用研究取得了很大的進展，MFC的電信號變化直觀地反映了水體的變化情況。

MFC是一種利用微生物將水體中有機物的化學能直接轉化成電能的裝置。其基本工作原理是：在陽極室，有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質子，電子通過外電路傳遞到陰極形成電流/電壓，而質子通過離子交換膜傳遞到陰極被還原。由于MFC的電流(電壓)或電子庫侖量與電子供體的含量之間存在對應關系，因此MFC能用于某些底物含量的測定，如有機碳、廢水BOD以及有毒物質等。微生物代謝有機底物所產生的電流、電壓或電量與樣品中的有機物含量呈線性比例關系，因此，可以通過檢測MFC的輸出電流、電壓或電量，測定樣品中的BOD含量。

目前，正在研究的MFC型傳感器多為有質子交換膜的雙室型結構，電池的陰極室多為溶氧的磷酸鹽緩沖溶液，陽極室為待測的水溶液。Kim等在用自行設計的BOD傳感器分批測定溶液BOD的濃度時發現，電池轉移電荷與污水濃度之間呈明顯的線性關系，相關系數達到0.99，標準偏差為3％～12％；電池在低濃度時響應時間少于30min；連續測定BOD質量濃度小于100mg/L的溶液時，電流與濃度呈線性關系，3次電流測定的差值小于10％；且當MFC的陽極處于饑餓狀態后喂養新鮮污水，MFC的電流能夠恢復；當電池中的污水濃度發生變化時，電流需要滯后1h達到穩定。Moon等通過改變污水流動速度和電池陽極容積的方式，使電流響應時間縮短到了5min。

到目前為止，最好的MFC技術為韓國科學技術院研制的HABS-2000和HABS-2001，已經在全世界各國得到應用，但是它們利用溶解氧作為陰極電子受體，陰極成為電池的限制因素，存在以下幾個缺點：(1)陰極室需要連續曝氣，能源消耗大；(2)陰極催化劑Pt易中毒，而且Pt儲量稀少，價格昂貴；(3)結構與操作較為復雜，維護費用高；(4)需要昂貴的質子交換膜；(5)檢測結果易受陰極性能影響；(6)由于陰陽極室之間的離子交換膜，陽極室承受壓力有限。

利用MFC工作原理開發新型BOD傳感器的關鍵在于:①電池產生的電流、電壓或電量與污染物的濃度之間呈良好的線性關系；②電池電流對污水濃度的響應速度較快；③有較好的重復性。