CN108663427A - 一种基于微生物膜反应器的海水bod在线自动监测*** - Google Patents

一种基于微生物膜反应器的海水bod在线自动监测*** Download PDF

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何磊
朱奇光
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李少华
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Abstract

本发明公开了一种基于微生物膜反应器的海水BOD在线自动监测***，包括进液装置、电磁阀、蠕动泵、缓冲液池、微生物膜反应器，电磁阀、蠕动泵与缓冲液池通过软管依次连接；缓冲液池中安装有气泵持续向样液中曝气，并在底部设有出水孔；出水孔通过电磁阀与微生物膜反应器连接；微生物膜反应器另一端与缓冲液池连接；缓冲液池底部设有出水孔与废液池连通。缓冲液池和微生物膜反应器放置在恒温水浴加热装置内；蠕动泵、电磁阀、气泵、恒温加热装置由控制面板控制；缓冲液池中设置溶解氧传感器连接数据采集卡，将数据上传至上位机。***用于海水BOD监测，结构简单、响应时间短、性能稳定。

Description

一种基于微生物膜反应器的海水BOD在线自动监测***
技术领域
本发明涉及水质监测领域，具体涉及一种基于微生物膜反应器的海水BOD在线自动检测***。
背景技术
生化需氧量(BOD)表示水中有机物在微生物的生化作用下氧化分解，在其无机化或气体化时所消耗水中溶解氧的总量。BOD间接地反映水中可以被生物氧化的有机物的含量，是海水、地表水、生活污水及绝大多数工业废水的必测指标之一。BOD值越高，表明水中有机物被自身水环境中微生物降解的风险越高，越容易导致水环境溶解氧急剧降低，造成一系列的生态问题。
海水BOD的标准测定方法为稀释接种法(BOD5)，即将样品置于20℃的温度环境中培养五天，分别测定培养前后的溶解氧，二者之差即为BOD值，其单位以氧的mg/L表示。由于该方法重复性差、操作较为复杂、对操作人员的技术要求比较高、其测定过程中干扰因素多，而且测定时间为5天，不能及时反映水质情况和反馈信息，从而也无法进行现场监控，不能及时的为环境管理和决策、科研、污染事故等提供科学依据。
目前应用微生物传感器法测定BOD的连续在线自动监测仪器已经有不少研究。生物传感器的原理是利用水样中溶解氧通过固定的微生物膜层扩散到电极上会显示一定的电流，而水中发生生化反应后溶解氧的大量减少，氧电极电流随之迅速减小。根据这一电流的减小值在事先标定的曲线上得出BOD5。
对现有文献检索发现，胡锐等通过共培养构建能高效去除养殖水体中氨氮和亚硝酸盐氮的固定化复合功能茵群，采用夹膜法制作BOD生物传感器微生物膜。张悦等选用一株耐高渗透压的酵母菌作为敏感材料，用聚乙烯醇对酵母菌进行包埋，以溶解氧电极法为基础制作BOD传感器，用该传感器可在15min内测定一个海水标样。厦门大学等联合研制了XHBOD01型海水BOD光导测定仪样机，该测定仪以光纤微生物传感器为基础，实现了海水BOD的快速自动测定。这些方法多是以微生物膜传感器为主，采用化学或物理方法将实验室内培养的微生物包埋制成微生物膜，主要缺点是微生物菌种数量少、种类单一、对有机物降解效率低、高选择性、以及环境适应力差。
目前的微生物传感器很难满足高灵敏度、高精度、响应速度快的发展趋势，因此有必要进一步提高传感器性能，且提高BOD监测***的准确性以及稳定性。
发明内容
本发明目的在于提供一种监测效率高、响应时间短、性能稳定的基于微生物膜反应器的海水BOD在线自动监测***。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括进液装置、电磁阀、蠕动泵、缓冲液池、微生物膜反应器，所述电磁阀包括第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀，第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的一端分别与第一进液罐、第二进液罐、第三进液罐相连，第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的另一端分别与蠕动泵一端通过软管相连，蠕动泵另一端***第一缓冲液池，第一缓冲液池底部设有第一出水孔，第一出水孔与第四电磁阀一端，第四电磁阀另一端与微生物膜反应器相连，微生物膜反应器另一端***第二缓冲液池，第二缓冲液池底部开设第二出水孔，第二出水孔与废液池相连；第一缓冲液池、第二缓冲液池、微生物膜反应器均放置在恒温水浴加热装置内；在第一缓冲液池中设有第一溶解氧传感器，在第二缓冲液池中设有第二溶解氧传感器，第一、第二溶解氧传感器连接数据采集卡后将数据上传至上位机；所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、蠕动泵分别通过数据线与控制面板相连，控制面板另与气泵、恒温水浴加热装置相连，气泵底端***第一缓冲液池中。
进一步的，所述恒温水浴加热装置由恒温水浴锅、温度传感器及加热棒组成；恒温水浴加热装置控制温度为30℃，保证微生物膜反应器的最佳降解温度。
进一步的，所述蠕动泵的流速为3ml/min。
进一步的，所述气泵的鼓气量为2L/min。
进一步的，所述微生物膜反应器外壁为螺旋玻璃管，管路内径为3.0mm，管路长度为100cm，玻璃管内壁附着微生物膜；所述微生物膜由海水污水中的微生物吸附、繁衍而成。
进一步的，所述第一溶解氧传感器、第二溶解氧传感器的量程为0-60mg/L。
进一步的，所述第一溶解氧传感器输出的稳定后的电流为I1，第二溶解氧传感器输出的稳定后的电流值为I2，数据采集卡实时采集第一、第二溶解氧传感器电流信号I1、I2，并通过RS485通信将信号上传至上位机，上位机进行数据处理将I1、I2电流差值转换成样液BOD浓度值。
工作过程大致如下：
以待测海水水样中的微生物及有机物为培养源，在特定条件下，水样持续流过反应器，水样中的微生物逐步吸附并繁殖在微生物膜反应器内壁形成微生物膜。以溶解氧传感器监测水样被降解前后的溶解氧含量，并将检测信号上传至上位机计算微生物膜的耗氧量，从而换算成水样BOD浓度值。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、微生物膜反应器采用螺旋式玻璃管作为微生物膜载体，克服了反应面积小、有机物降解效率低的缺点；同时将海水污水通入玻璃管，海水污水中的微生物逐步吸附、繁衍在玻璃管内壁形成微生物膜，从而能够满足对海水的测量，也消除了传统制膜中微生物菌种数量少、环境适应能力差的缺陷。微生物膜反应器在2-8℃干燥环境下保存，可重复使用，使用寿命长。
2、***结构简单，测量过程实现全自动控制，同时实现在线测量，不受时间的约束，降低了工作的复杂度，大量减少了工作人员的工作量。
3、采用高精度高灵敏度的溶解氧传感器和数据采集卡，使得测量精度高、响应时间短、***稳定性好。
附图说明
图1是本发明***的连接示意图。
图2是本发明***装置的连接框图。
附图标号：1-第一进液罐、2-第一电磁阀、3-第二电磁阀、4-第三电磁阀、5-蠕动泵、6-气泵、7-控制面板、8-第一缓冲液池、9-第一溶解氧传感器、10-第二溶解氧传感器、11-第二缓冲液池、12-第四电磁阀、13-微生物膜反应器、14-数据采集卡、15-上位机、16-温度传感器、17-加热棒、18-恒温水浴锅、19-废液池、20-软管、21-第一出水孔、22-第二出水孔、23-数据线、24-支架、25-第二进液罐、26-第三进液罐。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明主要包括进液装置、电磁阀、蠕动泵、缓冲液池、微生物膜反应器，所述电磁阀包括第一电磁阀2、第二电磁阀3、第三电磁阀4和第四电磁阀12，第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的一端分别与第一进液罐1、第二进液罐25、第三进液罐26相连，第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的另一端分别与蠕动泵5一端通过软管20相连，通过不同的电磁阀切换来控制进液样本种类。蠕动泵另一端***第一缓冲液池8，第一缓冲液池底部设有第一出水孔21，第一出水孔与第四电磁阀一端，第四电磁阀另一端与微生物膜反应器13相连，微生物膜反应器通过支架24进行支撑固定。微生物膜反应器另一端***第二缓冲液池11，第二缓冲液池底部开设第二出水孔22，第二出水孔与废液池19相连；第一缓冲液池、第二缓冲液池、微生物膜反应器均放置在恒温水浴加热装置内；在第一缓冲液池中设有第一溶解氧传感器9，用于检测未降解样液的溶解氧含量；在第二缓冲液池中设有第二溶解氧传感器10，用于检测未降解样液的溶解氧含量；第一、第二溶解氧传感器连接数据采集卡14后将数据上传至上位机15；所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、蠕动泵分别通过数据线23与控制面板7相连，控制面板另与气泵6、恒温水浴加热装置相连，气泵底端***第一缓冲液池中。
所述恒温水浴加热装置由恒温水浴锅18、温度传感器16以及加热棒17组成；恒温水浴加热装置控制温度为30℃，保证微生物膜反应器的最佳降解温度。
所述蠕动泵的流速为3ml/min。
所述气泵的鼓气量为2L/min。
所述微生物膜反应器外壁为螺旋玻璃管，管路内径为3.0mm，管路长度为100cm，玻璃管内壁附着微生物膜；所述微生物膜由海水污水中的微生物吸附、繁衍而成。监测过程中，样液在缓冲液池中曝气后流入微生物膜反应器内，反应器内的微生物降解样液中的有机物、消耗溶解氧。
所述第一溶解氧传感器、第二溶解氧传感器的量程为0-60mg/L。
所述第一溶解氧传感器输出的稳定后的电流为I1，第二溶解氧传感器输出的稳定后的电流值为I2，数据采集卡实时采集第一、第二溶解氧传感器电流信号I1、I2，并通过RS485通信将信号上传至上位机，上位机进行数据处理将I1、I2电流差值与BOD的浓度成正比，通过换算得出BOD浓度值。
如图2所示，使用本发明一种基于微生物膜反应器的海水BOD在线自动监测***的过程如下：监测开始前首先进行温度控制过程：打开温度控制装置，设置水浴锅温度为30℃，然后通过控制面板开启第一电磁阀和蠕动泵，设置蠕动泵的流速为3ml/min，抽取水样，水样流入第一缓冲液池。开启气泵，持续对缓冲液池中的水样进行曝气，当第一缓冲液池中水样空气曝气饱和后，控制面板控制关闭第一电磁阀与蠕动泵，同时数据采集卡采集第一溶解氧传感器的信号值I1，并上传至上位机。开启第四电磁阀，使水样流入微生物膜反应器，通过控制第四电磁阀的开度控制样液流过反应器的流速，开始降解过程。经过微生物膜反应器的水样经降解后流入第二缓冲液池，流过第二溶解氧传感器后排入废液池，同时数据采集卡实时采集第二溶解氧传感器的信号值I2，并上传至上位机。上位机开始进行数据处理，将I1、I2的差值转换成BOD浓度值。监测过程结束后，开启第二电磁阀和蠕动泵，抽取清洗液，对整个管路进行清洗。
为了检测本发明的精确性以及***稳定性，在相同条件下对浓度为5mg/L、10mg/L、25mg/L、40mg/L的标准溶液进行检测，测量结果如表1所示。从测定结果可以看出，***具有很好的精确性和稳定性，测量相对误差均在4％以内，最佳的测量范围在20-40mg/L。再进一步的，为了检测本发明与其他测量方式相比较的优势，在相同条件下分别采用稀释接种法(BOD5)、快速测定仪以及本***对四种水样进行测量，测量结果如表2所示。从测定结果可以看出，BOD5测量结果浓度较高，接近真实值，但测定时间为5天，不能及时反映水质情况，无法进行现场监测；与使用快速检测仪相比，本发明的测量结果更接近与BOD5的测量结果，可以看出本发明具有更好的精度与准确性。
表1不同标准溶液测量
表2不同测量方式对比测量值
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于微生物膜反应器的海水BOD在线自动监测***，主要包括进液装置、电磁阀、蠕动泵、缓冲液池、微生物膜反应器，其特征在于：所述电磁阀包括第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀，第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的一端分别与第一进液罐、第二进液罐、第三进液罐相连，第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的另一端分别与蠕动泵一端通过软管相连，蠕动泵另一端***第一缓冲液池，第一缓冲液池底部设有第一出水孔，第一出水孔与第四电磁阀一端，第四电磁阀另一端与微生物膜反应器相连，微生物膜反应器另一端***第二缓冲液池，第二缓冲液池底部开设第二出水孔，第二出水孔与废液池相连；第一缓冲液池、第二缓冲液池、微生物膜反应器均放置在恒温水浴加热装置内；在第一缓冲液池中设有第一溶解氧传感器，在第二缓冲液池中设有第二溶解氧传感器，第一、第二溶解氧传感器连接数据采集卡后将数据上传至上位机；所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、蠕动泵分别通过数据线与控制面板相连，控制面板另与气泵、恒温水浴加热装置相连，气泵底端***第一缓冲液池中。
2.根据权利要求1所述的一种基于微生物膜反应器的海水BOD在线自动监测***，其特征在于：所述恒温水浴加热装置由恒温水浴锅、温度传感器以及加热棒组成；恒温水浴加热装置控制温度为30℃，保证微生物膜反应器的最佳降解温度。
3.根据权利要求1所述的一种基于微生物膜反应器的海水BOD在线自动监测***，其特征在于：所述蠕动泵的流速为3ml/min。
4.根据权利要求1所述的一种基于微生物膜反应器的海水BOD在线自动监测***，其特征在于：所述气泵的鼓气量为2L/min。
5.根据权利要求1所述的一种基于微生物膜反应器的海水BOD在线自动监测***，其特征在于：所述微生物膜反应器外壁为螺旋玻璃管，管路内径为3.0mm，管路长度为100cm，玻璃管内壁附着微生物膜；所述微生物膜由海水污水中的微生物吸附、繁衍而成。
6.根据权利要求1所述的一种基于微生物膜反应器的海水BOD在线自动监测***，其特征在于：所述第一溶解氧传感器、第二溶解氧传感器的量程为0-60mg/L。
7.根据权利要求1所述的一种基于微生物膜反应器的海水BOD在线自动监测***，其特征在于：所述第一溶解氧传感器输出的稳定后的电流为I1，第二溶解氧传感器输出的稳定后的电流值为I2，数据采集卡实时采集第一、第二溶解氧传感器电流信号I1、I2，并通过RS485通信将信号上传至上位机，上位机进行数据处理将I1、I2电流差值转换成样液BOD浓度值。
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