本发明属于水质监测技术领域，具体涉及一种检测污水浓度的生物传感器。
背景技术：
随着经济的高速发展，我国工业化和城镇化建设进程也在逐步加速，随之带来了环境污染的问题，并以水污染问题最为突出。微生物燃料电池可将有机物的化学能转化为电能，为去除环境中有机污染物并生产清洁能源提供了一种新途径。
生化需氧量(bod)是水质监测的重要指标。传统bod监测需要5天时间，耗时较长，不适于实时在线监测。微生物燃料电池是一种使化学能转化为电能的装置，在一定条件下，其产电量和电流与阳极室添加的代谢底物浓度或微生物数量成正比，因而这两者可被用于bod快速检测。
两阶段厌氧发酵可最大限度地提高原料利用率和生物质能产率。但目前两阶段厌氧发酵在线监测的指标主要包括挥发性有机酸、ph、溶解氧等，而bod并没有得到有效的实时监测，对bod的检测仍处于研究阶段。
中国专利《连续处理污水产电的碳纳米管载体型微生物电化学装置》(公开号cn103326052a)公开了一种碳纳米管的阳极材料，可连续高效处理污水，所用装置为双室结构，但未对水质检测作进一步研究。
公开号为cn101620201a的中国专利则提供了一种生化需氧量的测定方法，构建了单室空气阴极无介体微生物燃料电池，采用间歇性进料，获得了良好的线性曲线，但存在间歇进料需反复清洗以及测定范围小的问题。
公开号为cn103207230的中国专利公开了一种高锰酸钾作阴极电子受体构建双室微生物燃料电池型bod传感器的方法，此方法大大扩大了bod的检测范围，但阴极室需要添加高锰酸钾，长期工作时电信号受金属离子的干扰。
中国专利《用于有机废弃物发酵过程监测的微生物燃料电池及方法》(公开号为cn103326052a)将微生物燃料电池用于有机发酵过程检测，运行稳定、信号及时，但其采用双室结构，需阴极室供氧，操作复杂。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种检测污水浓度的生物传感器，实现对水质的连续快速检测，增大检测范围，并具有成本低廉、操作简单、精巧便携的特点。
本发明解决技术问题所采用的方案是：
一种检测污水浓度的生物传感器，所述生物传感器为一管状结构，包括阳极室1、空气阴极2、碳刷6以及布水板7。
生物传感器管状结构内部为阳极室1，管状结构的顶端设有盖12，盖12上设有出料口4，底端为一漏斗型结构，并设有进料口5。生物传感器管状结构底端内部设有布水板7，布水板7固定在管状结构内侧，布水板7上设有布水孔。碳刷6穿过盖12延伸入生物传感器的管状结构内部，并伸进布水孔中固定于布水板7上。生物传感器管壁均匀分布圆孔3。
所述阳极室1内填充微生物载体。
所述空气阴极2包括防水碳布和有机玻璃圆柱体，防水碳布包裹有机玻璃圆柱体固定在生物传感器管壁外侧，同时覆盖管壁上的圆孔3。空气阴极2有机玻璃圆柱体与管壁接触的一侧涂抹铂-碳催化剂。所述空气阴极2防水碳布外侧缠绕钛丝。
空气阴极2与碳刷6间用导线串联外电阻9。外电阻9与数据采集卡10并联，数据采集卡10与电子计算机11电连接。
所述生物传感器的生化需氧量(bod)检测范围为50～1000mg/l。
当生物传感器启动时，所述阳极室1内接种有机污水和厌氧污泥。
所述生物传感器管状结构材质为有机玻璃。
所述生物传感器管状结构直径3.5cm，高12cm，管壁厚0.5cm，总体积115ml。
所述圆孔3直径为2mm，圆孔3数量200～220个，圆孔3面积总和为6.6cm2。
所述阳极室1内填充的微生物载体为碳纳米管、活性炭、石墨烯中的一种。
所述碳刷6包括刷杆和刷毛，刷毛呈圆周式排布于刷杆上；所述刷杆总长12cm，其中，刷杆上的刷毛区域长度为11cm；所述刷毛长1.5cm。
所述铂-碳催化剂中铂含量为20％，铂含量分布为：每平方厘米防水碳布含有0.5mg铂。
所述管状结构底部侧面还设有取样口8。
本发明的有益效果在于：
1)本发明提供一种检测污水浓度的生物传感器，在其阳极室填充碳材料，同时采用碳刷导电，构成复合微生物富集系统；
2)本发明提供的一种检测污水浓度的生物传感器，采用连续进料，能够将生化需氧量bod检测范围提高至50～1000mg/l；
3)本发明提供的一种检测污水浓度的生物传感器，具有运行稳定、无需严格厌氧操作、耐受性强、维护成本低等优点；
4)本发明提供的一种检测污水浓度的生物传感器，可用来监测氢烷两阶段厌氧发酵过程，包括但不限于市政污水、农业废水等。
附图说明
图1为本发明一种检测污水浓度的生物传感器结构示意图；
图2为本发明一种检测污水浓度的生物传感器生化需氧量(bod)标准曲线。
附图标记：
1阳极室2空气阴极3圆孔4出料口
5进料口6碳刷7布水板8取样口
9外电阻10数据采集卡11电子计算机12盖
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种检测污水浓度的生物传感器，所述生物传感器为一管状结构，包括阳极室1、空气阴极2、碳刷6以及布水板7。其中，
生物传感器管状结构内部为阳极室1，管状结构的顶端设有盖12，盖12上设有出料口4，底端为一漏斗型结构，并设有进料口5。生物传感器管状结构底端内部设有布水板7，布水板7固定在管状结构内侧，布水板7上设有布水孔。碳刷6穿过盖12延伸入生物传感器的管状结构内部，并伸进布水孔中固定于布水板7上。生物传感器管壁均匀分布圆孔3。优选地，圆孔3为200～220个。所述管状结构底部侧面还设有取样口8。
所述阳极室1内填充微生物载体。
所述空气阴极2包括防水碳布和有机玻璃圆柱体，防水碳布包裹有机玻璃圆柱体固定在生物传感器管壁外侧，同时覆盖管壁上的圆孔3。空气阴极2有机玻璃圆柱体与管壁接触的一侧涂抹铂-碳催化剂。所述空气阴极2防水碳布外侧缠绕一圈钛丝。空气阴极2与碳刷6间用导线串联外电阻9。外电阻9与数据采集卡10并联，数据采集卡10与电子计算机11电连接。数据采集卡10采集负载外电阻9两端电压信号后传递给电子计算机11进行数据收集和处理。
优选地，所述生物传感器管状结构材质为有机玻璃。
优选地，所述生物传感器管状结构直径3.5cm，高12cm，管壁厚0.5cm，总体积115ml。
优选地，所述圆孔3直径为2mm，圆孔3数量200～220个，圆孔3面积总和为6.6cm2。
优选地，所述阳极室1内填充的微生物载体为碳纳米管、活性炭、石墨烯中的一种。
优选地，所述碳刷6包括刷杆和刷毛，刷毛呈圆周式排布于刷杆上。所述刷杆总长12cm，其中，刷杆上的刷毛区域长度为11cm。所述刷毛长1.5cm。
优选地，所述防水碳布的产品号为w1s1005，铂-碳催化剂中铂含量为20％，铂含量分布为：每平方厘米防水碳布含有0.5mg铂。
所述生物传感器的生化需氧量(bod)检测范围为50～1000mg/l。
当生物传感器启动时，所述阳极室1内接种有机污水和厌氧污泥，其中有机污水作为电解液，厌氧污泥提供产电微生物。
本发明的工作过程为：
一种检测污水浓度的生物传感器，其测定生化需氧量(bod)浓度步骤为：
a)向生物传感器阳极室1内接种污泥，控制有机负荷为2.5g/l/d，阳极室1内填充的微生物载体富集电化学活性微生物，调整外接电阻r为100ω。当数据采集卡10采集的电压值稳定后视为生物传感器启动完毕。
b)配制不同浓度的生化需氧量(bod)溶液。
c)将步骤b)中不同浓度的生化需氧量(bod)溶液通过进料口5连续进料，并保持一定的水力停留时间(hrt)。
d)测定反应过程中的连续稳定电流i，以生物传感器连续稳定电流i对不同生化需氧量(bod)的浓度作图并进行线性拟合，得到bod标准曲线。
e)通过进料口5连续进料待检测的水样，待电压值稳定后读取电压并计算测定反应过程中的连续稳定电流i’。
f)将步骤e)中得到的i’代入步骤d)中的标准曲线，计算bod值。
实施例1
监测氢烷两阶段厌氧发酵过程。
氢烷两阶段厌氧发酵：采用升流式厌氧污泥床反应器(uasb)进行氢烷两阶段厌氧发酵。使用的升流式厌氧污泥床反应器(uasb)工作体积为2.5l，发酵温度为37℃，水力停留时间hrt为24h。氢烷两阶段厌氧发酵产氢阶段有机负荷为10gcod/l/d，产甲烷阶段有机负荷为5gcod/l/d。升流式厌氧污泥床反应器(uasb)运行2个月，期间，实时监测反应器内的ph、氧化还原电位(orp)和产气量。
升流式厌氧污泥床反应器(uasb)稳定后，产氢阶段氢气产率0.94l/l/d，ph值稳定在3.7，产甲烷阶段甲烷产率1.64l/l/d，ph值稳定在7。
在升流式厌氧污泥床反应器(uasb)运行稳定后，将生物传感器安装到发酵末端，监测氢烷两阶段厌氧发酵过程。生物传感器的工作过程为：
a)向生物传感器阳极室1内接种污泥，控制有机负荷为2.5g/l/d，阳极室1内填充的微生物载体富集电化学活性微生物，调整外接电阻r为100ω。当数据采集卡10采集的电压值稳定后视为生物传感器启动完毕。
其中，生物传感器阳极室1内的微生物载体为碳纳米管和碳刷。生物传感器的圆孔3数量210个。所述污泥来自北京市小红门污水处理厂消化污泥。
b)配制不同浓度的生化需氧量(bod)溶液并调节ph值。
其中，生化需氧量(bod)溶液浓度分别为：89mg/l、181mg/l、267mg/l、448mg/l、622g/l、800g/l、889mg/l。ph值均调至7。
c)将步骤a)中不同浓度的生化需氧量(bod)溶液通过进料口5连续进料，并保持水力停留时间hrt为2小时。
d)测定反应过程中的连续稳定电流i，以生物传感器连续稳定电流i对不同生化需氧量(bod)的浓度作图并进行线性拟合，得到bod标准曲线。所得到的标准曲线为：
i＝0.0024bod+0.4726
其中，标准差为：r2＝0.9806。
其中，对稳定电流i的检测时间为8h。
e)通过进料口5连续进料待检测的水样，待电压值稳定后读取电压并计算测定反应过程中的连续稳定电流i’。
其中，待检测的水样与测得的连续稳定电流i’分别为：
a.产氢阶段：将发酵出水稀释30倍，连续稳定电流i’1为1.24ma。
b.产甲烷阶段：产甲烷阶段的发酵出水，测得的稳定电流i’2为2.58ma。
f)将步骤e)中得到的i’代入步骤d)中的标准曲线，计算bod值。所述标准曲线如图2所示。计算得到的bod值分别为319mg/l和878mg/l。
采用现有bod检测仪对上述两阶段发酵水进行检测，测得的bod浓度分别为275mg/l和750mg/l。
将由本生物传感器测得的bod值与采用现有的bod测量仪测定值为相比较可以得到绝对误差分别为16％和17％。由此可见本设计中生物传感器可以有效反应厌氧反应器内有机物的状况。