[发明专利]在线测定样品中生化需氧量的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用微生物燃料电池对水体样品中生化需氧量(Biochemical oxygen demand，简称BOD)进行在线测定的装置及方法，该测定装置具有 实时在线连续测定功能，操作简单，连续稳定工作时间长，并且使用和维护 成本相对较低。

背景技术

水体的生化需氧量(Biochemical oxygen demand，BOD)，是水质评价的 重要指标，通过BOD的测定，可以了解污水的可生化性，纳污水体的污染负 荷，以及水体的自净能力等。因此，在环境监测、水处理工程设计及过程控 制等工作中，BOD的监测十分重要。

现在，世界范围内广泛使用的BOD标准测定法是BOD₅测定法。即在20(± 1)℃条件下培养样品5天，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(BOD₅)。然而这种方法的缺点显著。其操作烦琐， 时间消耗长，结果重现性差，无法实现水体样品BOD浓度的实时、在线检测。

在BOD快速测定方面，目前广泛应用的方法是BOD生物传感器法。大多 数BOD生物传感器由微生物固定化膜和溶氧电极构成。与传统的BOD5测定法 相比，BOD生物传感器法的测定周期短，操作简单。但是该方法也存在很多 局限性，这主要表现在：(1)微生物培养的不稳定性使传感器不能保持稳定运 行，微生物的活性随使用的进行而逐步降低，每次测量后需“活化”处理， 并且寿命较短，不适于有毒废水的测定；(2)单一菌种对不同的有机物降解能 力不同而使其响应和重现性不同，微生物膜的一致性、互换性差，因而仪器 的自动化程度不高；(3)进样量小和本底液量大造成对样品的稀释，产生测定 结果不准确，并限制其不能满足较低BOD含量(<10mg/L)水样的测定要求。

近年来，微生物燃料电池的迅速发展为BOD测试提供了一种全新的方法。 微生物燃料电池是一种可以将可降解有机物中的化学能定量转化为电能的装 置，微生物代谢有机底物所产生的电子的量(库仑产量)与样品中的有机物 含量呈线性比例关系。因此可以通过检测微生物燃料电池的输出电量，测定 样品中的BOD含量。基于这一原理，文献(Kim BH，Chang IS，Gil GC，Park HS， Kim HJ.Novel BOD(biological oxygen demand)sensor using mediator-less microbial fuel cell.Biotechnol Lett 2003，25，541～5；Chang IS，Jang JK，Gil GC， Kim M，Kim HJ，Cho BW，et al.Continuous determination of biochemical oxygen demand using microbial fuel cell type biosensor.Biosens Bioelectron 2004，19， 607～13；Chang IS，Moon H，Jang JK，Kim BH.Improvement of a microbial fuel cell performance as a BOD sensor using respiratory inhibitors.Biosens Bioelectron 2005，20，1856～9.)中报道了微生物燃料电池型的BOD传感器，专利CN 1360677A也公开了一种使用无介体微生物燃料电池富集电化学活性微生物， 并作为生物传感器的测定单元测定样品中BOD的装置和方法。这些装置和方 法，均采用双室型的微生物燃料电池，即微生物燃料电池包括分别含有导电 介质的阴极室和阳极室，安置在阳极室中的阳极，安置在阴极室中的阴极， 介于阳极室和阴极室之间用于分隔阳极室和阴极室的离子交换膜，其中的阳 极室中加入了含有电化学活性微生物的样品。在阳极室中，电化学活性微生 物催化分解有机物，产生的质子通过阳离子交换膜传递到阴极。然而阳离子 交换膜不仅自身成本高，而且容易被污染，需要定期更换及清理维护。它的 使用增加了此装置构造和维护成本。另外，作为完整的BOD测试装置，除了 作为测定单元的微生物燃料电池，还应包括：输出信号检测处理单元，样品 的前处理单元。而上述装置则缺少用于供应样品至阳极的原件，以及能够对 样品进行必要的预处理过程的元件。同时，由于在一定情况下，微生物燃料 电池的输出电压不能够直接反映样品的BOD值，通过记录输出电压变化的记 录单元不能得到样品的BOD浓度。因此本发明采用无膜向上流连续操作的上 升流微生物燃料电池作为BOD检测装置的核心，降低构造及运行成本，并设 计进样装置、输出信号检测、反馈及处理系统，共同构成一种稳定、快速准 确、适用范围广的在线BOD测定装置和方法。