利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其包括微生物电解池，用于测定不同水体中的硝态氮浓度■’恒电位仪；水力旋流器；样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机；储液罐；恒温箱。本实用新型装置具有灵敏度高、检测时间短、线性范围宽及操作简单等优点，可在线测定硝酸根离子，大大提高了监测水平，此外，本实用新型装置在功能微生物培养过程中不需要添加葡萄糖等有机物，从而极大地提高了装置的可操作性，并降低了装置的维护要求。
【专利说明】利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种硝酸根离子浓度测定的方法与装置，具体涉及一种利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的方法与装置。
【背景技术】
[0002]由于现代工、农业的发展会排放大量的含硝酸盐的污水。硝酸盐成为最普遍存在的水体污染物之一。近年来，我国地下水中硝酸盐的污染问题日益突出，有些地区的地下水中硝酸盐氮的含量高达40mg/L (以氮计)。饮用水中硝酸盐的危害主要是诱发高铁血蛋白症，同时，硝酸盐和亚硝酸盐转化为亚硝胺，具有致癌作用。因此，对各种水体中硝酸盐的在线监测是一个亟待解决的问题。
[0003]目前水体中硝态氮浓度测定的方法包括:紫外分光光度法直接测定、酚二磺酸比色法及还原-显色比色法、离子色谱法、硝酸根离子选择电极法及恒电位电解还原法。紫外分光光度法和比色法是检测器通过测量样品或样品反应产物的吸光度，把检测样品和标准物质产生的吸光值进行比较得出检测样品的浓度，存在有机质和颗粒物干扰、检测时间长及样品预处理繁琐(针对污水)的缺点，因而紫外分光光度法和比色法不适合在线检测硝酸根离子浓度。离子色谱法不仅需要昂贵的设备，而且存在有机质和颗粒物干扰及样品预处理繁琐(针对污水)的缺点，因而也不适合在线检测硝酸根离子浓度。硝酸根离子选择电极法和恒电位电解还原法虽然检测时间，但是在测量污水样品时易在硝酸根离子选择电极及电解电极的表面形成生物膜，从而降低了硝酸根离子选择电极法和恒电位电解还原法的稳定性和可操作性。
[0004]因此，有必要研究和开发硝酸根离子浓度检测的新方法。
【发明内容】
[0005]本实用新型需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种硝酸根离子浓度在线测定装置，本实用新型具有灵敏度高、线性范围宽及检测时间短等优点，可用于在线测定不同水体中的硝态氮浓度。
[0006]为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案:
[0007]本实用新型提供了一种利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:包括微生物电解池，用于测定硝酸根离子浓度的生物传感器；连接管；液体输送泵；水力旋流器；样品自动稀释器；静态混匀器；在线脱气机；恒电位仪；储液罐；恒温箱；电阻；数据采集系统，用于采集微生物电解池的输出信号；计算机和控制系统，用于控制整个装置的运行；计算机和控制系统分别和微生物电解池、液体输送泵、样品自动稀释器、在线脱气机、恒温箱及数据采集系统连接；数据采集系统与电阻并联。
[0008]微生物电解池通过连接管与液体输送泵、水力旋流器、样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机及储液罐连接。
[0009]所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:微生物电解池阴极室的阴极电极表面附着有电活性反硝化细菌；所述电活性反硝化细菌可以以活性污泥、厌氧消化污泥、水底沉积物及污水为接种物富集获得。
[0010]所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:装置在运行过程中只需要包括如下的磷酸盐缓冲液与微量元素基本无机培养基，不需要添加有机物。
[0011]所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:在阳极室的阳电极上电解水产生质子和电子，产生的质子和电子迁移到阴极室为硝态氮的还原提供质子和电子。
[0012]优选地，本实用新型微生物电解池为双室微生物电解池，微生物电解池包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间设置有分隔膜，所述分隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜或双极膜；阳极室和阴极室内分别放置阳极电极和阴极电极；所述微生物电解池以惰性镀钼导电材料或钼材料为阳极电极、导电惰性材料(碳布、碳纸、石墨毡、网状玻璃碳或碳纤维刷)为阴极电极；阳极电极和阴极电极间通过钛丝、导线、恒电位仪及电阻连接。
[0013]阴极室通过连接管与液体输送泵、样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机、储液罐及采样泵连接。
[0014]阳极室通过连接管及液体输送泵和阳极储液罐连接。
[0015]所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:恒电位仪高电位端通过导线与电阻相连，电阻通过钛丝与阳极电极相连，恒电位仪的低电位端通过钛丝与阴极电极相连，电阻两端连接一个用于测定电阻两端电压的数据采集系统。
[0016]所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:装置上的所有输送泵、采样泵、样品自动稀释器、在线脱气机、恒温箱及数据采集系统均和计算机控制系统连接；数据采集系统和电阻并联，用于采集电阻两端的电压。
[0017]所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:所述微生物电解池安装于一个恒温箱内。
[0018]所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:恒电位仪输出的直流电压范围为0.(Γ3.0 V。
[0019]所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:进入微生物电解池阴极室的样品溶液的流量范围为0.Γ100 mL/min。
[0020]一种利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的方法，其特征在于:将含硝酸根离子的待测样品加入到微生物电解池的阴极室中，阴极电极表面附着的功能微生物(反硝化细菌)利用阴极电极提供的电子和从阳极室扩散到阴极室的质子将硝酸根离子还原为N2的同时产生电流，测定由微生物电解池产生的最大电流，再根据微生物电解池产生的最大电流大小与硝酸根离子浓度之间的相关性来确定样品中硝酸根离子的浓度。
[0021]基于传统微生物燃料电池构建的测定硝酸盐和亚硝酸盐浓度的传感器，其性能除受到微生物燃料电池阴极室功能微生物电活性反硝化细菌影响外，微生物燃料电池阳极室电活性微生物活性对其性能同样具有显著影响，从而导致装置的可操作性和稳定性较差。此外，微生物燃料电池传感器的功能微生物位于微生物燃料电池的阳极室，且在运行过程中必须为阳极功能微生物提供葡萄糖等有机物，否则装置无法实现检测硝酸盐或亚硝酸盐浓度的功能。再次，由于有机物的稳定性差(其浓度会因染菌而发生变化)，因而基于传统微生物燃料电池构建的测定硝酸盐和亚硝酸盐浓度的传感器装置的稳定性较差，且装置的维护要求高。
[0022]本实用新型装置以微生物电解池为传感器，在微生物电解池阳极室的阳电极上电解水产生质子和电子，产生的质子和电子迁移到微生物电解池阴极室为硝态氮的还原提供质子和电子，因而传感器的性能不受传感器阳极的影响，与此同时装置在运行过程中不需要添加葡萄糖等有机物，因而极大地提高了装置的稳定性和可操作性，并降低了装置的维护要求。
[0023]本实用新型具有灵敏度高、检测下限浓度低、检测时间短、线性范围宽、稳定性好、可操作性强及操作简单等优点，可在线测定硝酸根离子浓度。本实用新型方法具有快捷灵敏，检测时间短，大大提高了监测水平，并且具有较大的社会效益，是常规监测手段所无法达到的。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度装置的结构示意图。
[0025]通过下面的详细说明并结合附图，可以更清楚地理解本实用新型的上面的及其他的目的、特征和优点。
【具体实施方式】
[0026]实施例1
[0027]1.用于在线测定硝态氮浓度装置的结构及微生物电解池感应器的设计与组装
[0028]图1是用于硝态氮浓度在线测定装置的一个图解说明，所述装置包括:连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、样品自动稀释器9、连接管10、储液罐11、连接管12、蠕动泵13、连接管14、静态混匀器15、连接管16、在线脱气机17、连接管18、微生物电解池19、阴极电极20、排液管21、导气管22、分隔膜23、导气管24、恒温箱25、储液罐26、连接管27、蠕动泵28、连接管29、阳极电极30、排液管31、钛丝32、电阻33、导线34、恒电位仪35、钛丝36、数据采集系统37及计算机和控制部分38。
[0029]以下对具有上述结构的用微生物电解池来在线测定硝态氮浓度装置的工作原理进行说明。
[0030]装置中恒电位仪35的低电位端通过钛丝36与微生物电解池19中的阴极电极20相连，高电位端通过导线34、电阻33及钛丝32与微生物电解池19中的阳极电极30相连，恒电位仪35的直流输出电压设为1.2 V，从而促使在微生物电解池19阳极室中的阳极电极30表面发生水电解产生质子和电子，产生的质子和电子迁移到微生物电解池19的阴极室，阴极电极20表面附着的电活性反硝化细菌利用从阳极室迁移过来的质子和电子将硝酸根离子还原为N2的同时产生电流，产生的电流大小与阴极硝酸根离子浓度之间存在正相关性，从而可以用来测定样品中硝态氮的浓度。
[0031]计算机和控制部分38分别对采样泵2、蠕动泵7、样品自动稀释器9、蠕动泵13、在线脱气机17、恒温箱25、蠕动泵28及数据采集系统37进行控制。
[0032]待测样品通过连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、样品自动稀释器9、连接管10进入静态混匀器15 ;同时储液罐11中的反硝化细菌培养基经连接管12、蠕动泵13、连接管14及连接管10也进入静态混匀器15 ;待测样品和反硝化细菌培养基经静态混匀器15混匀后经连接管16、在线脱气机17及连接管18从微生物电解池19阴极室的侧底部进入阴极室，流经阴极室后通过排液管21从阴极室的侧顶部排出；与此同时，纯N2分别通过导气管22和导气管24分别进入微生物电解池19的阴极室和阳极室。阴极室里有阴极电极20及附着在阴极电极20表面的电活性反硝化细菌(微生物催化剂)，该功能微生物能利用阳极室电解水产生的电子和质子将硝酸根离子还原为N2。
[0033]与此同时，储液罐26中的电解质溶液通过连接管27、蠕动泵28及连接管29从微生物电解池19阳极室的侧底部进入阳极室，流经阳极室后通过排液管31从阳极室的侧顶部排出。阳极室里有钼黑阳极电极30。也就是说，待测样品与反硝化细菌培养基经脱氧后同时进入微生物电解池19的阴极室，而电解质溶液进入微生物电解池19的阳极室。此时，在微生物电解池19阳极室中的阳极电极30表面发生水电解产生质子和电子，在恒电位仪35提供的直流外加电压的作用下，水电解产生的电子经阳极电极30、钛丝32、电阻33、导线34、恒电位仪35及钛丝36传递到微生物电解池19的阴极电极20 ;同时水电解产生的质子经分隔膜从微生物电解池19的阳极室迁移到微生物电解池19阴极室的阴极电极20表面附近；阴极电极20表面附着的电活性反硝化细菌利用从阳极室迁移过来的质子和电子将硝酸根离子还原为N2的同时产生电流，由数据采集系统37采集电阻33两端的电压后输入到计算机和控制部分38。
[0034]微生物电解池主要包括阳极室、阴极室、双极膜、石墨毡阴极电极、镀钼钛网阳极电极、硅胶密封圈及不锈钢螺丝(直径5 mm)固定螺丝。微生物电解池的阳极室和阴极室分别由一块聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA )板(60 X 100 X 20 mm)构成，每块板中间雕刻形成一个20X60X10 mm的空腔，且微生物电解池的阳极室和阴极室之间用双极膜(30X70 mm)隔开。阳极室和阴极室都分别设有进水管及出水管(直径3 _)。阴极室中固定有石墨毡阴极电极(20X50X5 mm, GF series, Electro-synthesis C0., USA),而阳极室中固定有锻钼钛网阳极电极(18X50X2 mm,表面积约为25 cm2)。石墨租阴极电极在使用之前先用丙酮浸泡过夜，干燥后用I mol/L的盐酸浸泡24 h，然后再用蒸馏水冲洗至中性后待用。镀钼钛网阳极电极使用前用0.5 mol/L的硝酸溶液清洗。先将石墨毡阴极电极和镀钼钛网阳极电极分别固定在阴极室和阳极室内，然后依次分别将硅胶密封圈、双极膜、硅胶密封圈及阴极室置于阳极室上，再用不锈钢螺丝固定。镀钼钛网阳极电极与石墨毡阴极电极之间通过钛丝(直径0.3 mm)与恒电位仪和电阻(10.1 Ω )相连，其中恒电位仪的低电位端与石墨毡阴极电极相连，恒电位仪的高电位端与电阻相连，恒电位仪的直流输出电压设为1.2 V。电阻两端连接一个数据采集卡(myDAQ，上海恩艾仪器有限公司)，用于测定电阻两端的电压。
[0035]2.微生物电解池阴极电极表面电活性反硝化细菌的富集
[0036]电活性反硝化细菌培养基组成:每升蒸馏水中含4.4 g KH2PO4,3.4 g K2HPO4,2 gNaHC03>0.5 g NaCl、0.2 g MgSO4.7H20、0.0146 g CaCl2,2 g Na2CO3>20 g KNO3 及 I mL 微量元素溶液。
[0037]微量元素溶液组成:每升蒸懼水中含I g FeS04*7H20、70 mg ZnCl2UOO mgMnCl2.4H20、6 mg H3BO3U30 mg CaCl2.6H20、2 mg CuC12.2H20、24 mg NiCl2.6H20、36 mgNa2MoO4.2Η20λ238 mg CoC12#6H20o
[0038]阳极电解质溶液为0.5 mol/L的硫酸水溶液。
[0039]电活性反硝化细菌培养基进入微生物电解池阴极室前用纯氮气曝气15 min。
[0040]以污水处理厂的好氧活性污泥、厌氧活性污泥及水底沉底物(体积比为1:1:1)的混合物(10 mL)接种微生物电解池19的阴极室。储液罐11中电活性反硝化细菌培养基以2 mL/min的流量经连接管12、蠕动泵13、连接管14、连接管10、静态混匀器15、连接管16、在线脱气机17及连接管18从微生物电解池19阴极室的侧底部进入阴极室，流经阴极室后经排液管21排出。与此同时，储液罐24中的电解质溶液以0.5 mL/min的流量连续不断地经连接管27、蠕动泵28及连接管29输入到微生物电解池19的阳极室。纯N2分别通过导气管22和导气管24以20 mL/min的流量分别进入微生物电解池19的阴极室和阳极室。恒电位仪的直流输出电压设为1.2 V。每隔5 s用数据采集系统37 (myDAQ，上海恩艾仪器有限公司)测定电阻33两端的电压，并将其保存到计算机和控制部分38。微生物电解池置于35°C的恒温箱中保持温度恒定。经过60 d的连续操作后，电阻33两端的电压稳定，说明在微生物电解池的阴极电极表面充分富集了电活性反硝化细菌，此时微生物电解池可以用来在线测定样品中的硝态氮的浓度。
[0041]3.样品中硝态氮浓度测定
[0042]电活性反硝化细菌基本培养基(不含硝酸根离子)组成:每升蒸馏水中含44 gKH2PO4,34 g K2HPO4,20 g NaHCO3>5 g NaCl,2 g MgS04.7H20、0.146 g CaCl2,20 g Na2CO3及10 mL微量元素溶液。
[0043]微量元素溶液组成:每升蒸懼水中含I g FeS04*7H20、70 mg ZnCl2UOO mgMnCl2.4H20、6 mg H3BO3U30 mg CaCl2.6H20、2 mg CuC12.2H20、24 mg NiCl2.6H20、36 mgNa2MoO4.2Η20λ238 mg CoC12#6H20o
[0044]阳极电解质溶液为0.5 mol/L的硫酸水溶液。
[0045]电活性反硝化细菌基本培养基和待测样品进入微生物电解池阴极室前用纯氮气曝气10 min。
[0046]用KNO3分别配制一系列不同硝态氮浓度的待测样品(0.5 mg/L、2 mg/L、10 mg/L、25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L及200 mg/L),并让样品依次通过连接管1、采样泵
2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、样品自动稀释器9、连接管10、静态混匀器15、连接管16、在线脱气机17及连接管18，以1.8 mL/min的流量进入微生物电解池19的阴极室；与此同时，储液罐11中的电活性反硝化细菌基本培养基(不含硝酸根离子)以0.2 mL/min的流量经连接管12、蠕动泵13、连接管14及连接管10进入静态混匀器15，并与待测样品在静态混匀器15中混合后经连接管16、在线脱气机17及连接管18从微生物电解池19阴极室的侧底部进入阴极室。与此同时，储液罐26中的电解质溶液以0.5 mL/min的流量连续不断地经连接管27、蠕动泵28及连接管29输入到微生物电解池19的阳极室。纯N2分别通过导气管22和导气管24以20 mL/min的流量分别进入微生物电解池19的阴极室和阳极室。恒电位仪的直流输出电压设为1.2 V。每隔5 s用数据采集系统37 (myDAQ,上海恩艾仪器有限公司)测定电阻33两端的电压，并将其保存到计算机和控制部分38。实验结果表明:微生物电解池产生的最大电流与硝态氮浓度(以氮计)在0.5?100 mg/L的范围内呈现良好的线性关系，线性相关性系数浐=0.99，测量标准误差彡8%，测定时间小于15 min。
【权利要求】
1.一种利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:包括微生物电解池，用于测定硝酸根离子浓度的生物传感器；连接管；液体输送泵；水力旋流器；样品自动稀释器、静态混匀器；在线脱气机；恒电位仪；储液罐；恒温箱；电阻；数据采集系统，用于采集微生物电解池的输出信号；计算机和控制系统，用于控制整个装置的运行；计算机和控制系统分别和微生物电解池、液体输送泵、样品自动稀释器、在线脱气机、恒温箱及数据采集系统连接；数据采集系统与电阻并联； 微生物电解池通过连接管与液体输送泵、水力旋流器、样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机及储液te连接； 所述装置在运行过程中只需要磷酸盐缓冲液与微量元素基本无机培养基，而不需要添加有机物； 所述微生物电解池阴极室的阴极电极表面附着有电活性反硝化细菌； 所述恒电位仪输出的直流电压范围为0.(Γ3.0 V。
2.根据权利要求1所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:在阳极室的阳极电极上电解水产生质子和电子，产生的质子和电子迁移到阴极室为硝态氮的还原提供质子和电子。
3.根据权利要求1所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:所述微生物电解池为双室微生物电解池，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间设置有分隔膜，所述分隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜或双极膜；阳极室和阴极室内分别放置阳极电极和阴极电极；所述微生物电解池以惰性镀钼导电材料或钼材料为阳极电极、导电惰性材料为阴极电极；阳极电极和阴极电极间通过钛丝、导线、恒电位仪及电阻连接；所述导电惰性材料为碳布、碳纸、石墨毡、网状玻璃碳或碳纤维刷； 阴极室通过连接管与液体输送泵、样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机、储液罐及采样泵连接； 阳极室通过连接管及液体输送泵和储液罐连接。
4.根据权利要求1所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:恒电位仪高电位端通过导线与电阻相连，电阻通过钛丝与阳极电极相连，恒电位仪的低电位端通过钛丝与阴极电极相连，电阻两端连接一个用于测定电阻两端电压的数据采集系统。
5.根据权利要求1所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:所述装置上的所有输送泵、采样泵、样品自动稀释器、在线脱气机、恒温箱及数据采集系统均和计算机控制系统连接；数据采集系统和电阻并联，用于采集电阻两端的电压。
6.根据权利要求1所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:所述微生物电解池安装于一个恒温箱内。
7.根据权利要求1所述的利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的装置，其特征在于:进入微生物电解池阴极室的样品溶液的流量范围为0.Γ100 mL/min。
【文档编号】G01N27/416GK204028037SQ201420392224
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】蒋海明, 李侠, 司万童, 张金山, 潘建刚 申请人:内蒙古科技大学