微生物燃料电池型BOD传感器研究进展

2017-04-10马永梅

山东化工 2017年23期

马永梅

(淮阴工学院化学工程学院，江苏淮安 223003)

生化需氧量是水污染的常用监测指标，简称BOD，是有机物相对含量的综合指标之一，是废水生化处理工艺设计和评价生化处理效果中的重要参数。五日培养法为测定生化需氧量的标准方法，该方法需时五天，操作繁琐。微生物燃料电池 (microbial fuel cell，MFC)型BOD传感器操作简单，响应时间短，稳定性好，适用范围广，准确度高。微生物燃料电池型BOD传感器分为单室微生物燃料电池型BOD传感器和双室微生物燃料电池型BOD传感器。

1 单室微生物燃料电池型BOD传感器

单室微生物燃料电池型BOD传感器结构简单，但是库伦效率不高。吴锋、刘志、周顺桂等[1]研究结果表明：①以廉价MnO2为阴极催化剂，阳离子交换膜为隔膜，构建的单室MFC型BOD传感器成本低，结构简单，操作方便，可用于BOD的在线检测；②该BOD传感器的适宜运行条件为样品pH值7.0，外接电阻12 kΩ，检测时间2 h，清洗时间2～10min。

张金娜、赵庆良、袁一星等[2]为缩短生化需氧量(BOD) 检测时间，研究了一种基于空气阴极微生物燃料电池技术快速测定生活污水中BOD的方法。利用葡萄糖作为单一底物，发现在葡萄糖质量浓度小于100 mg/L时，电压输出和葡萄糖质量浓度呈现良好的线性关系。利用空气生物燃料电池测定污水处理厂曝气沉砂池、初沉池和曝气池出水的BOD仅需10 h，有效缩短了BOD 的检测时间。

2 双室微生物燃料电池型BOD传感器

双室微生物燃料电池型BOD传感器检测水体的BOD响应快，测量范围宽，稳定性强，准确度高。蒋海明、罗生军、李潇萍等[3]研究结果表明:阴极流量在1.5～5 mL/min时，阴极流量变化对响应信号具有显著的影响，且响应信号随阴极流量增大而增大；当阴极流量由5 mL/min增加到10 mL/min时，阴极流量变化对响应信号影响不显著。BOD浓度在10～150 mg/L时，响应信号随底物浓度增加而升高，而BOD浓度大于150 mg/L时，BOD浓度变化对响应信号无显著影响。电池稳态电压与BOD浓度在10～150 mg/L范围内成指数衰减关系，而电池电压的初始变化速率与BOD浓度在50～200 mg/L范围有线性响应。孙世昌[4]设计了一套系统，研究出用氧气作为阴极电子接受体，温度为30℃，外接电阻为10Ω，缓冲溶液浓度为0.1 mol/L，通气速率为100 mL/min是系统最好运行条件。

田帅、张盼月、梁英梅等[5]构建了双室微生物燃料电池(MFC)，并应用于污水BOD的检测。优化了MFC型BOD传感器的检测条件，分析了传感器进行污水 BOD检测的特征。结果表明，以A2/O污水处理工艺中厌氧段污泥进行接种，双室MFC型 BOD传感器2周内完成启动，所产电流达到稳定。传感器的最佳检测条件为外接电阻500Ω，添加缓冲溶液并维持待测水样pH值为7.0，添加35 mg/L 的L-半胱氨酸作为吸氧剂维持阳极室厌氧环境，阴极室富氧水流量为20 mL/min。利用 MFC 电流峰值和电荷量检测污水水样 BOD 浓度，偏差均小于 15%，传感器运行稳定，寿命较长。

海冰寒[6]以厌氧段污泥作接种物、质子交换膜作阴阳极室的分隔物构建了双室无介体MFC型BOD传感器，并通过优化阳极材料和阴极电子受体等关键措施，改善MFC型BOD传感器的检测性能。BOD传感器稳定运行后，通过模拟实际废水初步研宄了MFC型BOD传感器检测实际废水的可行性，并利用PCR-DGGE技术分析了阳极微生物群落结构。

海冰寒、张盼月、王靖怡等[7]通过石墨毡表面润湿性的变化，确定了硝酸酸化处理石墨毡的操作条件。采用硝酸处理后的石墨毡作为电极材料，构建双室无介体微生物燃料电池型BOD 传感器，并对BOD 传感器的性能进行评价。结果表明，硝酸酸化处理明显提高石墨毡表面的润湿性，经过4 h 酸化处理，石墨毡的表面接触角由 142.5°下降到 86.5°。采用硝酸处理的石墨毡作为电极材料，MFC 的电流输出明显提高且稳定，在响应时间小于10 h 条件下，废水 BOD 检测上限为100 mg/L。废水BOD 浓度在2～50 mg/L范围内，可以利用BOD浓度与电流最大值之间的线性关系进行废水BOD浓度检测，废水 BOD 浓度在 2～100 mg/L范围内，可以利用BOD浓度与电荷量之间的线性关系对废水BOD 浓度进行检测，检测相对误差均在 12%以下。MFC 型 BOD传感器运行稳定，相对标准偏差均在10% 以下。