微生物燃料電池型BOD傳感器研究進展

馬永梅

(淮陰工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

生化需氧量是水污染的常用監(jiān)測指標(biāo)，簡稱BOD，是有機物相對含量的綜合指標(biāo)之一，是廢水生化處理工藝設(shè)計和評價生化處理效果中的重要參數(shù)。五日培養(yǎng)法為測定生化需氧量的標(biāo)準(zhǔn)方法，該方法需時五天，操作繁瑣。微生物燃料電池 (microbial fuel cell，MFC)型BOD傳感器操作簡單，響應(yīng)時間短，穩(wěn)定性好，適用范圍廣，準(zhǔn)確度高。微生物燃料電池型BOD傳感器分為單室微生物燃料電池型BOD傳感器和雙室微生物燃料電池型BOD傳感器。

1 單室微生物燃料電池型BOD傳感器

單室微生物燃料電池型BOD傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但是庫倫效率不高。吳鋒、劉志、周順桂等[1]研究結(jié)果表明：①以廉價MnO2為陰極催化劑，陽離子交換膜為隔膜，構(gòu)建的單室MFC型BOD傳感器成本低，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可用于BOD的在線檢測；②該BOD傳感器的適宜運行條件為樣品pH值7.0，外接電阻12 kΩ，檢測時間2 h，清洗時間2～10min。

張金娜、趙慶良、袁一星等[2]為縮短生化需氧量(BOD) 檢測時間，研究了一種基于空氣陰極微生物燃料電池技術(shù)快速測定生活污水中BOD的方法。利用葡萄糖作為單一底物，發(fā)現(xiàn)在葡萄糖質(zhì)量濃度小于100 mg/L時，電壓輸出和葡萄糖質(zhì)量濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。利用空氣生物燃料電池測定污水處理廠曝氣沉砂池、初沉池和曝氣池出水的BOD僅需10 h，有效縮短了BOD 的檢測時間。

2 雙室微生物燃料電池型BOD傳感器

雙室微生物燃料電池型BOD傳感器檢測水體的BOD響應(yīng)快，測量范圍寬，穩(wěn)定性強，準(zhǔn)確度高。蔣海明、羅生軍、李瀟萍等[3]研究結(jié)果表明:陰極流量在1.5～5 mL/min時，陰極流量變化對響應(yīng)信號具有顯著的影響，且響應(yīng)信號隨陰極流量增大而增大；當(dāng)陰極流量由5 mL/min增加到10 mL/min時，陰極流量變化對響應(yīng)信號影響不顯著。BOD濃度在10～150 mg/L時，響應(yīng)信號隨底物濃度增加而升高，而BOD濃度大于150 mg/L時，BOD濃度變化對響應(yīng)信號無顯著影響。電池穩(wěn)態(tài)電壓與BOD濃度在10～150 mg/L范圍內(nèi)成指數(shù)衰減關(guān)系，而電池電壓的初始變化速率與BOD濃度在50～200 mg/L范圍有線性響應(yīng)。孫世昌[4]設(shè)計了一套系統(tǒng)，研究出用氧氣作為陰極電子接受體，溫度為30℃，外接電阻為10Ω，緩沖溶液濃度為0.1 mol/L，通氣速率為100 mL/min是系統(tǒng)最好運行條件。

田帥、張盼月、梁英梅等[5]構(gòu)建了雙室微生物燃料電池(MFC)，并應(yīng)用于污水BOD的檢測。優(yōu)化了MFC型BOD傳感器的檢測條件，分析了傳感器進行污水 BOD檢測的特征。結(jié)果表明，以A2/O污水處理工藝中厭氧段污泥進行接種，雙室MFC型 BOD傳感器2周內(nèi)完成啟動，所產(chǎn)電流達到穩(wěn)定。傳感器的最佳檢測條件為外接電阻500Ω，添加緩沖溶液并維持待測水樣pH值為7.0，添加35 mg/L 的L-半胱氨酸作為吸氧劑維持陽極室厭氧環(huán)境，陰極室富氧水流量為20 mL/min。利用 MFC 電流峰值和電荷量檢測污水水樣 BOD 濃度，偏差均小于 15%，傳感器運行穩(wěn)定，壽命較長。

海冰寒[6]以厭氧段污泥作接種物、質(zhì)子交換膜作陰陽極室的分隔物構(gòu)建了雙室無介體MFC型BOD傳感器，并通過優(yōu)化陽極材料和陰極電子受體等關(guān)鍵措施，改善MFC型BOD傳感器的檢測性能。BOD傳感器穩(wěn)定運行后，通過模擬實際廢水初步研宄了MFC型BOD傳感器檢測實際廢水的可行性，并利用PCR-DGGE技術(shù)分析了陽極微生物群落結(jié)構(gòu)。

海冰寒、張盼月、王靖怡等[7]通過石墨氈表面潤濕性的變化，確定了硝酸酸化處理石墨氈的操作條件。采用硝酸處理后的石墨氈作為電極材料，構(gòu)建雙室無介體微生物燃料電池型BOD 傳感器，并對BOD 傳感器的性能進行評價。結(jié)果表明，硝酸酸化處理明顯提高石墨氈表面的潤濕性，經(jīng)過4 h 酸化處理，石墨氈的表面接觸角由 142.5°下降到 86.5°。采用硝酸處理的石墨氈作為電極材料，MFC 的電流輸出明顯提高且穩(wěn)定，在響應(yīng)時間小于10 h 條件下，廢水 BOD 檢測上限為100 mg/L。廢水BOD 濃度在2～50 mg/L范圍內(nèi)，可以利用BOD濃度與電流最大值之間的線性關(guān)系進行廢水BOD濃度檢測，廢水 BOD 濃度在 2～100 mg/L范圍內(nèi)，可以利用BOD濃度與電荷量之間的線性關(guān)系對廢水BOD 濃度進行檢測，檢測相對誤差均在 12%以下。MFC 型 BOD傳感器運行穩(wěn)定，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在10% 以下。

3 結(jié)束語

近年來，通過減小傳感器內(nèi)阻、提升陰極反應(yīng)效率、提高陽極性能、增強陽極微生物活性和優(yōu)化操作條件的研究，微生物燃料電池型BOD傳感器的檢測性能和實際應(yīng)用價值得到了很大的提高。

參考文獻

[1]吳 鋒,劉 志,周順桂,等.低成本單室微生物燃料電池型BOD傳感器的研制[J].環(huán)境科學(xué)，2009，30(10)：3099-3103.

[2]張金娜,趙慶良,袁一星,等.微生物燃料電池測定生活污水BOD方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，42(11)：1788-1792.

[3]蔣海明,羅生軍,李瀟萍,等.微生物燃料電池法測BOD影響因素研究[J].環(huán)境工程學(xué)報，2010，4(10)：2381-2386.

[4]孫世昌.雙室無介體型微生物燃料電池在傳感器中的研究初探[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2011.

[5]田 帥,張盼月,梁英梅,等.雙室微生物燃料電池型BOD傳感器性能[J].環(huán) 境工程學(xué)報，2014，8(6)：2626-2632.

[6]海冰寒.微生物燃料電池型BOD傳感器性能改善關(guān)鍵措施研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2015.

[7]海冰寒, 張盼月,王靖怡,等.陽極石墨氈酸處理對微生物燃料電池型BOD傳感器性能的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報，2016，10(3)：1075-1080.

[8]佟 萌,杜竹瑋,李頂杰,等.微生物燃料電池型傳感器在BOD檢測中的應(yīng)用進展[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2008，20(6)：7-12.