[发明专利]一种微生物燃料电池毒性传感器及运行方法

说明书

一种微生物燃料电池毒性传感器及运行方法，属于新能源与环境工程技术领域。反应装置为双室MFC，中间由阳离子交换膜隔开；阴极室为营养液并曝气，同时阴极室经由蠕动泵与营养液槽连通并构成循环管路；阳极室为重金属废水，阳极室经由蠕动泵与重金属废水槽连通并构成循环管路；阳极室的阳极材料采用碳刷，阴极室的阴极材料采用碳毡；阴极和阳极通过外加电阻连接在一起，外加电阻的两端连接电压数据采集系统；在最优条件下电压达到稳定后即可进行毒性检测。阴极室循环自配营养液并曝气，阳极室循环含重金属的废水。该系统从毒性物质最低浓度进行检测，在电压稳定时运行12h后的去除率均能达到90％以上。

技术领域

本发明属于新能源与环境工程技术领域，具体涉及一种新型微生物燃料电池毒性传感器，通过该方法可直接在线监测水中的毒性物质并根据抑制率的百分比来设计预警装置。

背景技术

水体中的重金属主要来源于自然环境与人为活动，重金属进入到环境中不断进行着迁移转换，造成严重的二次污染。抗生素(antibiotics)是指具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物，能干预其他生活细胞发育功能的一类化学物质，它可由微生物培养液和高等动植物的代谢物中提取或化学合成与半合成的化合物。抗生素的滥用广泛使得生活废水以及医疗、畜牧业废水中的抗生素严重超标，且污水处理厂对抗生素的处理还未达标，出水水质中对抗生素没有严格的控制。

水环境中少量的重金属一般无色无味，很难被察觉，且重金属通过长期积累在生物体内，不易被降解，威胁人类的生命健康。我国属重金属污染很严重的国家，已超标的重金属主要有Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Hg、As等，主要来自工业污染如：电镀、电池制造、制革、化肥工业。对人体的危害主要通过呼吸道吸入、口部摄取吞咽、和皮肤吸收进入人体、而Cr、Cd等非必须元素与Cu、Zn等必需元素竞争取代微生物细胞壁上的结合位点，与配基反应，产生毒害作用。尽管重金属的毒性早被大家熟知，但在全球工业化的大趋势下水体重金属污染仍然呈现出越来越严重的趋势。

当前用于检测水体中重金属的方法较多，主要有原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、溶出伏安法、电感耦合等离子体法、生物酶抑制法，核酸适配体法、免疫分析法等。大多数方法由于其费用高、检测耗时、样品需要经过预处理来减少信号的干扰等的限制而不能进行大型实验设备的应用。而近年来的检测方法的改进也改善了其检测条件，耗时短，处理样品简单，但检测的重复性仍需要进一步提高。微生物燃料电池是一项非常具有发展前景的技术，它提供了一种产电与检测同时进行的高效有机结合方法，主要原理方法是将含重金属的废水置于微生物燃料电池阳极室，在一定条件下，MFC产电量或电流与阳极室添加的可代谢底物的浓度或微生物数量成正比，同时，当重金属进入阳极室时，会导致MFC产电下降，而电流的下降与有毒物质存在一定的相关性，根据这一相关性可估算重金属的浓度。实验反应器阳极采用相对厌氧环境，阴极采用曝气处理，利用氧气作为电子受体，氧气廉价且资源丰富，以其作为电子受体的MFC产生的电流密度和输出功率均十分有限。这是由于氧气在水中溶解度有限，在电极上的氧化还原速率较慢等对MFC性能起到了一定限制作用。

近些年的研究显示，重金属如Cu、Zn等均能用单室MFC进行快速检测，吴峰(2009)和Liu(2014)等的研究充分证实了MFC作为重金属传感器检测的可行性。由于MFC电压和输出功率有限，当每次检测完后需重新配置废水，使电压升高，对于清洗不充分，电压恢复效果不好的反应器给予重新清洗或多次换水的方法。随着高浓度重金属废水的检测，外接循环管道容易被腐蚀甚至更容易堵塞，应及时更换管道，检查电路。因此，该传感器读运行环境要求较高，同时也限制了传感器的扩大化实施与运用，对干传感器需进一步的探寻和研究。

发明内容

本发明提供一种优化参数下，电压达到稳定后，重金属浓度与反应器产电量呈现很好的线性关系。本系统采用的MFC基本单元均为典型双室MFC，中间由阳离子交换膜隔开。阴极室循环自配营养液并曝气，阳极室循环不同浓度待测重金属废水并封闭。该系统通过外电路电量的变化情况设计MFC传感器的可行性与准确性。