论文部分内容阅读
水质预警对保障人体健康及水生态安全都十分重要。基于微生物电化学技术（Microbial Electrochemical Technology,MET）的水质预警系统近年来受到广泛关注,其工作原理是毒性物质的存在能够抑制电化学活性微生物的代谢,引起电信号变化而实现预警。MET传感器的最基本形式是微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MFC）传感器。现有MET用于水质预警存在灵敏度低（表现为检出限浓度高和响应时间长）和当发生有机物和毒性物质复合冲击时出现假阴性的缺点。本研究优化微生物电化学传感器电极材料、装置结构与电路控制模式,提高灵敏度;构建生物阴极敏感元件解决假阴性问题;在此基础上,进行污水处理厂现场监测预警。开发了以穿透电极构型为核心的生物阳极MFC传感器。相对于侧流进水模式,本研究采用的穿透电极可以有效促进传质,灵敏度提升15-41倍。本研究进一步提出一种小型化阴极共享型MFC传感器阵列构型。小型化通过促进传质缩短了响应时间,阴极共享构型通过消除阴极性能差异提高了装置间的平行性。系统比较了恒定外阻和恒定阳极电势两种稳态电路控制模式,并优化了参数。恒定阳极电势模式比恒定外阻模式的灵敏度提升2-10倍。恒定阳极电势模式下,最优的阳极电势为-0.15 V。暂态操作模式对MFC传感器监测的灵敏度可提高50%-247%。通过等效电路分析发现,暂态操作模式提升的机制是对活化阻力(Rct)及生物膜内电容(Cin)变化均灵敏,而传统稳态操作仅对Rct变化灵敏。基于生物阴极敏感元件构建MFC传感器并用于水质监测。与传统的生物阳极敏感元件相比,生物阴极MFC传感器的灵敏度增加了1-15倍。该MFC传感器对甲醛监测的浓度范围为0.0005%-0.01%,生物阴极敏感元件避免传统的生物阳极敏感元件在有机物/毒性物质复合水质冲击下的假阴性。进一步构建了气体扩散生物阴极敏感元件,适用于好氧及厌氧水体的直接监测,拓宽了MFC传感器应用范围。使用基于MET的水质预警系统进行污水处理厂现场测试。采用了基于物联网技术的无线数据传输技术,实现电信号的远程传输及预警信号的接收。使用生物阴极传感器,当进水COD提高到320 mg/L时,40分钟内触发预警信号。使用生物阳极传感器,进水中投加甲醛0.1%时,10分钟内触发预警信号。分别针对生物阴极传感器和生物阳极传感器提出性能恢复策略。