[发明专利]一种基于微生物燃料电池的毒性监测器

说明书

本专利公开了一种基于微生物燃料电池的毒性生物监测器，该监测器可快速实现未知有毒废水的毒性定量评价，将废水毒性转化为甲醛当量浓度。该监测器包括毒性监测单元、电压采集单元和数据分析单元三部分。反应装置为双室微生物燃料电池，中间由阳离子交换膜分离，阳极室与阴极室通过蠕动泵和营养液储藏罐构成循环管路，外接电阻，形成闭合回路。数据分析单元将电压采集单元得到的数据通过最小二乘法及Dose Response拟合，得到甲醛当量浓度与电压信号模型。该研究的最低检测限为12.69mg/L甲醛当量，测定时间可缩短至15min以内，误差为3‑12mg/L，恢复时间为5h。本发明适用于工业废水毒性的快速定量评价。

技术领域

本发明属于新能源与环境工程技术领域，具体涉及一种基于微生物燃料电池的废水毒性监测器，该检测器包括毒性监测单元、电压采集单元和数据分析单元三部分。通过该检测器可根据获得的电压信号在较短时间内将水的毒性较为准确的转化为甲醛当量浓度，实现未知废水的定量评价。

背景技术

工业废水成分复杂，通常含有高浓度的油、盐、重金属、挥发酚、多环芳烃等高毒性、难降解的物质。现有污水处理厂多以生物工艺为主体处理单元，但是若高毒废水直接进入生物处理单元，将对微生物造成致命的冲击，甚至导致整个污水处理厂瘫痪，因此对进入污水处理的废水进行毒性监测，将其毒性控制在微生物可承受的范围内，具有重要的实际意义。

现有工业废水的处理方式主要为终端处理，工业园区内的废水汇总后经过简单处理或直接排放至污水处理厂。但是混合废水成分复杂，无疑增加了废水的处理难度，增加了处理成本。周岳溪等(2014年)提出石化废水的全过程控制理念，全过程控制在化纤等领域因废水产量大得到了较好的推广，但是随着排放标准的不断提高，进一步落实全过程控制迫在眉睫。在选择工艺过程中，以生物处理为首选工艺，但是如何快速确定过程废水是否可以直接排入生物处理单元，是首要解决的问题，其中毒性评价是关键控制因素。如何快速评价废水的生物毒性，是毒性预警与落实全过程工艺选择的现实需求。

微生物燃料电池是通过微生物的代谢过程直接将有机物中的化学能转化为电能的装置。它可以通过电流或电压的响应作为检测毒性的生物传感器，近些年有了较多的研究。但是现有的利用微生物燃料电池作为毒性评价的装置，一方面耗时较长，Dengbin Yu等(2017年)等测试含重金属废水的周期超过19h，Tunc Catal等(2018年)等监测抗生素毒性最长可达24h，长时间的毒性监测不符合毒性预警的需求；另一方面，现有评价方法多以抑制率作为评价的标准，不同生物工艺对于毒性的耐受程度不同，其针对不同废水的可适用性也具有较大差异。抑制率作为评价指标不具有普适性，评价结果缺乏可比较性。因此，有必要开发一种响应速度快且可实现定量评价生物毒性的监测器。

发明内容

本发明提供了一种基于微生物燃料电池的毒性评价方法，电压达到稳定后，可以实现15min内对未知毒性的废水进行定量评价。本发明包括毒性监测单元、电压采集单元和数据分析单元三部分。

本系统采用的MFC基本单元均为典型的双室MFC，阳极室和阴极室通过阳离子交换膜(CMI7000，Membranes International Inc.，USA)分离，体积均为14mL；阴极和阳极由圆柱形石墨毡(Sanye Carbon Co.Ltd，中国北京)制成，直径36mm，厚度3mm。

阴极、阳极碳毡的预处理方式如下：1)用丙酮清洗样品(浸泡过夜)；2)超纯水中漂洗5次；3)将样品浸泡并在去离子水中煮沸3小时，每0.5小时更换去离子水；4)在马弗炉中在450℃下加热30分钟；5)将样品在浓硝酸中浸泡5小时，然后用去离子水洗涤直至pH为约7.0；6)将碳毡在120℃下干燥2小时，并将产物放入干燥器中以备使用。

启动选用的菌种来自实验室中长期运行的阳极流出物；收集适当体积的阳极流出物并以4000转/分钟离心10分钟，清空上清液后，将沉淀物用适当体积的阳极基质重悬浮至600nm(OD₆₀₀)约0.45的吸光度。