一种MEC反应器及有机废水BOD的快速测试方法

本发明涉及分析检测，尤其涉及一种mec反应器及有机废水bod的快速测试方法。

背景技术：

1、生化需氧量(biochemical oxygen demand，bod)是指水体中可被微生物利用的有机质的水平，在污水厂运维、环境监测等领域有重要作用。

2、国标的稀释接种法对五日生化需氧量bod5的测试过程需要五天，同时需要对水样进行稀释、接种等处理，测试过程也容易受到温度、水样性质、接种效果等影响，不利于工程应用。辅助压差计进行测试的压差计法bod测试技术也具有同样的缺点。

3、其他现存的间接测试bod的方法，如微生物电极法、微生物燃料电池传感法等，测试的长时间稳定性无法保证，尤其在测试含有复杂物质成分的有机废水的bod时，测试得到的结果与国标bod5的误差较大，数据复现性较差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种mec反应器及有机废水bod的快速测试方法，适用于各类不含生物毒性物质的复杂有机废水的快速检测，且数据复现性好，与国标bod5的测试结果误差小。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种mec反应器，包括反应器主体、生物阳极和阴极；所述生物阳极位于所述反应器主体的腔体中心；所述阴极将生物阳极包裹但不接触，所述生物阳极与阴极之间的中空腔体构成电解室；所述反应器主体设置进水口和出水口；

4、所述生物阳极包括生物亲和材料和依附在所述生物亲和材料上的功能微生物；所述功能微生物包括电活性微生物和混合菌种；所述电活性微生物为纯化的硫还原地杆菌；所述混合菌种至少同时包括甲烷杆菌属、产甲烷菌属、丙酸杆菌属和克雷伯氏菌属。

5、优选的，所述生物阳极的体积占反应器主体腔体体积的60％以上。

6、优选的，所述阴极紧贴所述反应器主体的内侧壁。

7、优选的，所述阴极为钛基材料；所述钛基材料中钛的质量含量＞80％。

8、优选的，所述阴极为网状结构，所述网状结构的目数在100目以上。

9、优选的，所述生物亲和材料为碳基材料。

10、本发明提供了一种有机废水bod的快速测试方法，包括以下步骤：

11、将上述方案所述的mec反应器用不含溶解氧的含乙酸钠的营养液填充，每1～3天为一个周期更换一次营养液，检测每个周期的电流变化，待相邻周期的电流峰值相差小于5％时，视为mec反应器启动成功；

12、通过进水口在启动成功的mec反应器的电解室中通入待测有机废水，停留10～40min后通过出水口排出，重复三次，记录操作过程产生的电流数据，将后两次测试得到的时间-电流曲线进行平均，得到平均后的时间-电流曲线，利用指数衰减曲线对所述平均后的时间-电流曲线进行拟合，得到拟合时间-电流曲线；所述拟合时间-电流曲线的终止电流为0.01～0.1ma；依据所述拟合时间-电流曲线拐点数量n，将曲线划分为n+1个特征下降阶段，参照公式1计算bod；

13、

14、公式1中：q0——反应器基准电量，c；当生物阳极的体积占反应器主体腔体体积的80％以上，取3000c；当生物阳极的体积占反应器主体腔体体积的60～80％时，q0＝150v+4200，其中v为体积占比，％；

15、n——拟合时间-电流曲线拐点的数量，按实际情况取值，为0～2，无量纲；

16、εi——拟合时间-电流曲线每个特征下降阶段的加权系数，无量纲，n＝0时，i＝1，ε1＝1；n＝1时，i＝1、2，ε1＝0.4，ε2＝0.6；n＝2时，i＝1、2、3，ε1＝0.2，ε2＝0.2，ε3＝0.6；

17、f——法拉第常数，96500c/mol；

18、σ——总氧效率，mol·l/mg；

19、if——拟合曲线，ma；

20、ti-1——第i段特征下降曲线起点时刻，s；

21、ti——第i段特征下降曲线终点时刻，s；

22、bod——计算得的bod值，mg/l；

23、所述σ——总氧效率的计算方法包括：利用五日呼吸法测定有机废水的bod5值，然后将bod5值代入公式1中，计算得到σ——总氧效率。

24、优选的，所述通入有机废水前，还包括将mec反应器中的液体排空，用去离子水清洗mec反应器的腔室。

25、优选的，所述营养液的ph值为7.2；所述营养液中乙酸钠的浓度为0.1～0.5mg/l。

26、优选的，所述待测有机废水的bod5>5mg/l，且不含生物毒性物质。

27、本发明提供了一种mec反应器，包括反应器主体、生物阳极和阴极；所述生物阳极位于所述反应器主体的腔体中心；所述阴极将生物阳极包裹但不接触，所述生物阳极与阴极之间的中空腔体构成电解室；所述反应器主体设置进水口和出水口；所述生物阳极包括生物亲和材料和依附在所述生物亲和材料上的功能微生物；所述功能微生物包括电活性微生物和混合菌种；所述电活性微生物为纯化的硫还原地杆菌；所述混合菌种至少同时包括甲烷杆菌属、产甲烷菌属、丙酸杆菌属和克雷伯氏菌属。

28、在微生物电解池(mec)测试bod的过程中，电活性微生物可以消耗bod同时产生电子，将电子传递给电极从而产生电信号，通过分析电信号就可以得到bod的信息。本发明使用纯化的硫还原地杆菌(geobacter sulfurreducens)作为依附在生物阳极上的功能微生物之一，从而保证了功能微生物中电活性微生物具有较高的相对丰度；另外，本发明还在生物阳极上添加了混合菌种，这些混合菌种具备产甲烷、产乙酸和降解丙酸的功能，它们种类丰富，可以适应多种水体特性，能够将复杂有机物转化为电活性微生物容易利用的乙酸等底物，从而使生物阳极的功能微生物膜能够消耗更多的复杂有机物，产生更强的电信号。因此，本发明的mec反应器检测范围广，可以测试不同含有复杂物质的有机废水。

29、本发明基于mec传感技术，构建了高效的mec反应器；同时结合连续短周期的测试方法及配套数据计算方法，得到了一种能够适用于>5mg bod/l的各类不含生物毒性物质的复杂有机废水的快速测试方法。本发明经过三次周期的测试，取后两次稳定的周期进行计算，同时计算时，依据不同时段降解有机物的主要成分发生变化，将曲线分成多段，并进行分段加权计算。这样的计算方法和普通的库仑法相比，更能够从实际的微生物电化学代谢角度，将库仑电量与五日呼吸法bod准确结合，数据复现性好，与国标bod5的测试结果误差<10％。

30、此外，本发明在测试有机废水的bod时，只需过滤掉大粒径悬浮物，无需稀释等其他前处理，操作简单。

技术特征：

1.一种mec反应器，其特征在于，包括反应器主体、生物阳极和阴极；所述生物阳极位于所述反应器主体的腔体中心；所述阴极将生物阳极包裹但不接触，所述生物阳极与阴极之间的中空腔体构成电解室；所述反应器主体设置进水口和出水口；

2.根据权利要求1所述的mec反应器，其特征在于，所述生物阳极的体积占反应器主体腔体体积的60％以上。

3.根据权利要求1或2所述的mec反应器，其特征在于，所述阴极紧贴所述反应器主体的内侧壁。

4.根据权利要求1所述的mec反应器，其特征在于，所述阴极为钛基材料；所述钛基材料中钛的质量含量＞80％。

5.根据权利要求1或4所述的mec反应器，其特征在于，所述阴极为网状结构，所述网状结构的目数在100目以上。

6.根据权利要求1所述的mec反应器，其特征在于，所述生物亲和材料为碳基材料。

7.一种有机废水bod的快速测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的快速测试方法，其特征在于，所述通入有机废水前，还包括将mec反应器中的液体排空，用去离子水清洗mec反应器的腔室。

9.根据权利要求7所述的快速测试方法，其特征在于，所述营养液的ph值为7.2；所述营养液中乙酸钠的浓度为0.1～0.5mg/l。

10.根据权利要求7所述的快速测试方法，其特征在于，所述待测有机废水的bod5>5mg/l，且不含生物毒性物质。

技术总结
本发明提供了一种MEC反应器及有机废水BOD的快速测试方法，涉及分析检测技术领域。本发明基于MEC传感技术，构建了高效的MEC反应器；同时结合连续短周期的测试方法及配套数据计算方法，得到了一种能够适用于>5mgBOD/L的各类不含生物毒性物质的复杂有机废水的快速测试方法。本发明经过三次周期的测试，取后两次稳定的周期进行计算，同时计算时，依据不同时段降解有机物的主要成分发生变化，将曲线分成多段，并进行分段加权计算。这样的计算方法和普通的库仑法相比，更能够从实际的微生物电化学代谢角度，将库仑电量与五日呼吸法BOD准确结合，数据复现性好，测试时间＜2h，与国标BOD<subgt;5</subgt;的测试结果误差<10％。

技术研发人员：王鑫,廖承美,王子源,李楠
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16