CN115078506A - 一种微生物燃料电池型bod生物传感器在实际应用中的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微生物燃料电池领域，具体涉及一种微生物燃料电池型BOD微型生物传感器在实际复杂废水监测中的应用方法。该测试方法采用微生物燃料电池型BOD生物传感器，主要包括以下步骤：(1)对复杂废水预处理；(2)组装测试***；(3)传感器测试；(4)代表温度下标准曲线的绘制；(5)标准曲线的确定及待测样品BOD的计算。本发明测试结果稳定，准确可靠；缩短响应时间：使用成熟电活性生物膜直接作为阳极的传感器较原位接种模式运行的传感器更为稳定，生物量多，测试时所需的响应时间短；传感器组装简便，成本较低，适于工业化规模生产。
Description
技术领域
本发明属于微生物燃料电池领域，具体涉及一种微生物燃料电池型BOD生物传感器在实际复杂废水监测中的应用方法。
背景技术
生化需氧量(BOD)是衡量水体有机污染程度的重要指标，传统的BOD测试方法操作繁琐，所需时间长，准确度差，不能满足实时监测的要求。BOD生物传感技术由于其选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低及在复杂体系中能进行在线连续监测，在近十年来获得蓬勃而高速的发展。而其中基于微生物燃料电池原理的BOD生物传感器相比于其他不同种类的BOD生物传感器，具有小型化、可携带性、实时监测以及不需要额外试剂测试步骤等独特优势，引起了国内外学者的广泛关注。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：目前，微生物燃料电池型BOD传感器研究主要应用在合成废水中，其中BOD与一种易降解的有机基质(如乙酸盐、葡萄糖)的浓度有关。在这种情况下，BOD标准值与MFC传感器电流输出之间有很强的相关性。然而，当应用在真正的废水检测中时，这种相关性变成了一种挑战。
为解决上述技术中存在的问题，本发明提供一种能够有效将微生物燃料电池型BOD生物传感器应用于实际复杂废水检测的方法，通过过滤、稀释等预处理方法、计算校准等过程使得该微生物燃料电池传感器更适用于实际复杂废水的检测，使其具有更广阔的应用前景。该测试方法采用微生物燃料电池型BOD生物传感器，主要包括以下步骤：(1)对复杂废水预处理；(2)组装测试***；(3)传感器测试；(4)代表温度下标准曲线的绘制；(5)标准曲线的确定及待测样品BOD的计算。
本发明所采用的技术方案如下：
实际复杂废水预处理流程：预处理过程分为以下两个步骤。步骤一：0.22um滤膜过滤水样中微生物，去除水样中不同代谢类型的微生物对测试结果带来的影响；步骤二：针对高浓度有机废水，采用含有0g/L乙酸钠的阳极液作为稀释液对实际废水进行稀释。
测试***组成：传感器测试***如附图1所示，整个测试***包括：进样模块、传感器模块、电信号测试模块和数据采集模块。进样模块主要由两个1ml容积的注射器组成，分别用来完成阳极液(图中白色注射器)和阴极液(图中黄色注射器)的进样过程，传感器采用“序批模式”测试时需要手动缓慢注入0.2-0.5mL的待测样品和阴极液。传感器模块由本发明产品微生物燃料电池型传感器(后文将重点介绍制备过程)和出水收集装置组成。电信号测试模块主要由导线、外电阻以及恒电势器串联组成。数据采集模块主要由一台显示器和数据采集软件组成，用于记录和存储电信号数据，本测试***使用eDAQ Pod-Vu***(EdaqPty.Ltd，NSW，Australia)完成电流数据的采集和记录，采集频率设置为每分钟10个数据，并实时在显示器中进行可视化展示以便依据实时数据响应情况调整测试进程。
传感器测试：采用序批式进样模式，通过注射器注入阴阳极，从阴阳极液注入开始计时，直到出现峰值电流，所需要的时间为响应时间。
代表温度下标准曲线的绘制：根据标准样品的峰值电流和样品浓度关系绘制标准曲线(如图2所示)。
标准曲线的确定及待测样品BOD的计算：根据斜率校准法和两点校准法确定标准曲线，根据待测样品的峰值电流代入标准曲线计算得出待测样品的BOD浓度。
本发明的优点主要在于：
测试结果稳定，准确可靠；缩短响应时间：使用成熟电活性生物膜直接作为阳极的传感器较原位接种模式运行的传感器更为稳定，生物量多，测试时所需的响应时间短；传感器组装简便，成本较低，适于工业化规模生产。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为BOD生物传感器测试***图；
图2为五种代表温度条件下乙酸钠-响应峰值电流相关关系标准曲线；
图3为微生物燃料电池型BOD生物传感器；其中，1为组成传感器基体部分的PET材料，2为阴极铂薄膜，3为阴极腔室，4为分隔阴阳极的质子交换膜，5为阳极腔室，6为附着成熟电活性生物膜的碳布，7为连接外电路的导电性铜胶带，8为阴极进样口，9为阴极出样口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的作进一步说明，但本发明并不局限于此，下述实施例中所涉及的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
本实施例提供一种微生物燃料电池型BOD生物传感器针对实际复杂废水监测应用的方法，具体包括以下步骤：
①高浓度废水稀释预处理：以含0g/L乙酸钠的阳极液(100mL/LPBS缓冲液(NH4Cl,0.31g/L；KCl,0.13g/L；NaH2PO4·2H2O,3.32g/L；Na2HPO4·12H2O,10.32g/L)、100mL/L微量金属元素(CaCl2,0.015g/L,MgSO4·7H2O,0.2g/L,FeCl3·6H2O,0.01g/L,MnSO4·H2O,0.02g/L))为稀释基质。
②实际复杂废水过滤微生物预处理：将水样用0.22um滤膜过滤去除不同来源水样中的不同代谢微生物带来的影响。
③传感器的组装：该微生物燃料电池型传感器由阳极室、阴极室和阳离子交换膜相互堆叠而成。将导电碳布裁剪为1cm2作为传感器阳极，铂薄膜作为传感器阴极。传感器基体部分由PET材料构成，层与层之间通过3M双面转移胶粘连。阴阳极腔室及通道通过对PET切割特定形状而形成。经接种后，形成两次以上稳定峰值电流开始正式测试。
④传感器实际废水测试：本实施例主要介绍序批式模式下的传感器测试结果。具体操作如下：按照图1所示搭建好测试***。两个注射器分别连接到传感器的阳极液和阴极液的进样口，外电路串联一个10欧姆的定值电阻和恒电势器(Potentiostat，eDAQ测试***)，并通过数据记录软件与显示器相连接，完成整个测试***的搭建。测试过程中同时将待测实际废水样品和阴极液(50mM的铁***于100mM PBS溶液中)引入传感器，记录下峰值电流，每个样品平行测试三次。
⑤BOD值的转换计算：根据⑥⑦确定测试环境温度下的标准曲线，代入该待测样品的电流值计算可得待测样品的BOD值。
⑥代表温度下标准曲线的绘制：本实施例中标准曲线的绘制，阳极液乙酸钠浓度设置为0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7g/L和1g/L，分别设置5、15、25、35、45摄氏度温度条件，且每个样品测试3个重复(同一浓度样品平行性测试结果如图3所示)，最终将乙酸钠浓度值作为横坐标，峰值电流作为纵坐标绘制五种温度下标准曲线图。
⑦5-45摄氏度范围内标准曲线的确定：
本实施例中提出两种确定标准曲线的方法：
方法一：温度已知——斜率校准法：测定某一已知浓度下的电流响应峰值，根据已知温度条件下对应的标准曲线斜率，确定标准曲线。
方法二：温度未知——两点校准法：由0.05和0.5两个浓度下的点，由两点直接绘制测试标准曲线。
实施例2
本实施例提供一种微生物燃料电池型BOD生物传感器，如图3所示；
电活性微生物膜预培养：采用标准28mL体系双室型微生物燃料电池反应器，以碳布作为阳极材料，以铂片作为阴极材料，两室之间用阳离子交换膜分隔开。反应器连接数据采集卡进行电压数据采集。反应器运行分为接种过程及以某啤酒厂污水处理站厌氧塔污泥作为接种污泥，接种驯化过程中选取接种污泥：1g/L乙酸钠营养液体积比为1：1作为阳极液，50mM铁***溶液作为阴极液，获得连续两次稳定最高电流认为成功接种。以1g/L乙酸钠营养液为阳极液，50mM铁***溶液为阴极液，连续稳定运行1个月，获得附着成熟稳定电活性生物膜的阳极碳布。
传感器组装：微生物燃料电池型传感器结构如附图1所示，该传感器的制作过程主要是通过“堆叠组装”完成，如图1所示，微生物燃料电池型传感器主体材料为聚酯塑料材料，其单层厚度为125μm；中间层黄色部分为阳离子交换膜，其厚度为460μm；碳布为阳极材料，其上附着有成熟稳定电活性生物膜，铂薄膜材料为阴极材料，铂薄膜使用时由于其过于薄且易于分散，所以将其用3M转移胶固定后切成所需的形状后使用。在反应器组装之前，阴阳极腔室及通道通过切割机来切割出相应的形状，各层之间利用3M转移胶上下对齐粘合固定。随后将提前制备好的带有硅胶导管穿入的4个PDMS(聚二甲基硅氧烷)立方体小块，通过双面有机硅胶粘贴至对应的4个圆形小孔上面，作为阳极液和阴极液的入水和出水通道。图中出现的椭圆形小孔最终作为阳极和阴极导线通道。该实物图在制作过程中阳极层采用3层聚酯塑料，阴极层采用2层聚酯塑料，阴阳极腔室面积为10mm*10mm。
Claims (7)
1.一种微生物燃料电池型BOD生物传感器在实际应用中的测试方法，其特征在于，该测试方法采用微生物燃料电池型BOD生物传感器，主要包括以下步骤：(1)对复杂废水预处理；(2)组装测试***；(3)传感器测试；(4)代表温度下标准曲线的绘制；(5)标准曲线的确定及待测样品BOD的计算。
2.根据权利要求1所述微生物燃料电池型BOD生物传感器在实际应用中的测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中预处理具体为：0.22um滤膜过滤水样中微生物；针对高浓度有机废水，采用含有0g/L乙酸钠的阳极液作为稀释液对实际废水进行稀释。
3.根据权利要求1所述微生物燃料电池型BOD生物传感器在实际应用中的测试方法，其特征在于，所述测试***包括进样模块、传感器模块、电信号测试模块和数据采集模块。
4.根据权利要求3所述微生物燃料电池型BOD生物传感器在实际应用中的测试方法，其特征在于，所述进样模块由两个1ml容积的注射器组成；传感器模块由微生物燃料电池型传感器和出水收集装置组成；电信号测试模块主要由导线、外电阻以及恒电势器串联组成；数据采集模块主要由一台显示器和数据采集软件组成。
5.根据权利要求1所述微生物燃料电池型BOD生物传感器在实际应用中的测试方法，其特征在于，所述传感器测试采用序批式进样模式，通过注射器注入阴阳极，从阴阳极液注入开始计时，直到出现峰值电流，所需要的时间为响应时间。
6.根据权利要求1所述微生物燃料电池型BOD生物传感器在实际应用中的测试方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：根据斜率校准法和两点校准法确定标准曲线，根据待测样品的峰值电流代入标准曲线计算得出待测样品的BOD浓度。
7.根据权利要求1所述微生物燃料电池型BOD生物传感器在实际应用中的测试方法，其特征在于，所述微生物燃料电池型BOD生物传感器通过使用附着成熟稳定的电活性微生物膜的碳布作为阳极，通过“堆叠组装”制备完成；所述BOD生物传感器依次包括阴极铂薄膜(2)、阴极腔室(3)、分隔阴阳极的质子交换膜(4)、阳极腔室(5)、附着成熟电活性生物膜的碳布(6)。
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2021
- 2021-03-11 CN CN202110263636.5A patent/CN115078506A/zh active Pending
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