申请日2015.12.29
公开(公告)日2016.05.04
IPC分类号G01N27/26; G01N33/18
摘要
本发明公开了检测废水生化需氧量的一种库伦方法，首先构建生物电化学反应系统，反应系统的阴极室和阳极室用离子交换膜隔开;反应系统阴极和阳极之间用20-1000Ω的外电阻连接;保持反应系统的阴极为氧还原反应，阳极为被测水样的厌氧生物代谢反应;最后数据采集系统采集阳极厌氧生物代谢反应开始至结束期间的生物电化学反应系统输出电压，通过公式(I)获得BOD值。本发明所述库伦法可以准确测定生化需氧量浓度在2-500mg/L范围内的水样，相对于五日生化法的测量误差小于5%，时间可缩短为6-48小时，操作流程更加简单，可以实现废水中生化需氧量浓度的实时在线检测，具有可观的应用前景。
摘要附图
权利要求书
1.检测废水生化需氧量的一种库伦方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建生物电化学反应系统，反应系统的阴极室和阳极室用离子交换膜隔开;反应系统阴极和阳极之间用20-1000Ω的外电阻连接;保持反应系统的阴极为氧还原反应，阳极为被测水样的厌氧生物代谢反应;
(2)数据采集系统采集阳极厌氧生物代谢反应开始至结束期间的生物电化学反应系统输出电压，通过公式(I)获得BOD值;
E表示生物电化学反应系统输出电压，R表示外电阻阻值，F为法拉第常数，V为被测水样体积，t表示时间;当E单位为伏特，R单位为欧姆，V单位为升时，BOD的单位为mgO2·L-1。
2.根据权利要求1所述的检测废水生化需氧量的一种库伦方法，其特征在于，所述生物电化学反应系统的导电薄膜为质子交换膜。
3.根据权利要求1所述的检测废水生化需氧量的一种库伦方法，其特征在于，所述生物电化学反应系统的阳极室装有被测水样，被测水样pH为6.5～8且电导率不小于5ms/cm，阳极反应温度保持在25-40℃之间;阴极室为与阳极室pH值和电导率相同的不含有机物的磷酸盐溶液。
4.根据权利要求1所述的检测废水生化需氧量的一种库伦方法，其特征在于，所述生物电化学反应系统的阴极为空气阴极或曝气阴极，阳极参与生物代谢反应的微生物包含至少一种产电微生物。
5.根据权利要求4所述的检测废水生化需氧量的一种库伦方法，其特征在于，所述空气阴极的支撑材料为防水碳布或网状金属材料，空气一侧涂刷聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷作为防水层，溶液一侧负载氧还原催化剂;所述曝气阴极选择石墨棒、碳布为基体，负载氧还原催化剂。
6.根据权利要求1所述的检测废水生化需氧量的一种库伦方法，其特征在于，所述生物电化学反应系统的阳极材料选择比表面积高、导电性好、无生物毒害的材料。
7.根据权利要求6所述的检测废水生化需氧量的一种库伦方法，其特征在于，所述生物电化学反应系统的阳极材料为碳基材料或不锈钢材料。
8.根据权利要求6所述的检测废水生化需氧量的一种库伦方法，其特征在于，所述生物电化学反应系统的阳极材料为碳毡、碳刷或泡沫碳。
9.根据权利要求4所述的检测废水生化需氧量的一种库伦方法，其特征在于，所述产电微生物为地杆菌或希瓦氏菌。
10.根据权利要求1所述的检测废水生化需氧量的一种库伦方法，其特征在于，所述生物电化学反应系统为微生物燃料电池。
说明书
检测废水生化需氧量的一种库伦方法
技术领域
本发明属于水环境化学分析领域，具体涉及检测废水生化需氧量的一种库伦方法。
背景技术
生化需氧量(biochemicaloxygendemand，BOD)是反映水或污水中生物可降解有机物含量的一个综合性指标，用以表征水体的污染状况。生化需氧量的值越高，说明水中有机污染物质越多，污染也就越严重。传统的生化需氧量测试方法通常规定使用20℃、5天的测试条件，并将结果以氧的mg/L表示，记为五日生化法(BOD5)。随着突发性水污染事件愈发频繁，这种方法越来越不能适应快速检测的要求。因此，开发一种新的、快速检测生化需氧量的方法就成为水环境化学分析领域的研究重点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供检测废水生化需氧量的一种库伦方法。
本发明采取的技术方案如下：
1、检测废水生化需氧量的一种库伦方法，包括如下步骤：
(1)构建生物电化学反应系统，反应系统的阴极室和阳极室用离子交换膜隔开;反应系统阴极和阳极之间用20-1000Ω的外电阻连接;保持反应系统的阴极为氧还原反应，阳极为被测水样的厌氧生物代谢反应;
(2)数据采集系统采集阳极厌氧生物代谢反应开始至结束期间的生物电化学反应系统输出电压，通过公式(I)获得BOD值;
E表示生物电化学反应系统输出电压，R表示外电阻阻值，F为法拉第常数，V为被测水样体积，t表示时间;当E单位为伏特，R单位为欧姆，V单位为升时，BOD的单位为mgO2·L-1。
优选的，所述生物电化学反应系统的导电薄膜为质子交换膜。
优选的，所述生物电化学反应系统的阳极室装有被测水样，被测水样pH为6.5～8且电导率不小于5ms/cm，阳极反应温度保持在25-40℃之间;阴极室为与阳极室pH值和电导率相同的不含有机物的磷酸盐溶液。
电导率可以为5～10ms/cm。
优选的，所述生物电化学反应系统的阴极为空气阴极或曝气阴极，阳极参与生物代谢反应的微生物包含至少一种产电微生物。
优选的，所述空气阴极的支撑材料为防水碳布或网状金属材料，空气一侧涂刷聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷作为防水层，溶液一侧负载氧还原催化剂;所述曝气阴极选择石墨棒、碳布为基体，负载氧还原催化剂。
优选的，所述生物电化学反应系统的阳极材料选择比表面积高、导电性好、无生物毒害的材料。
优选的，所述生物电化学反应系统的阳极材料为碳基材料或不锈钢材料。
优选的，所述生物电化学反应系统的阳极材料为碳毡、碳刷或泡沫碳。
优选的，所述产电微生物为地杆菌或希瓦氏菌。
优选的，所述生物电化学反应系统为微生物燃料电池。
需要说明的是，本发明中未提到的其它条件或材料等均为本领域常规使用的条件或材料等。
传统五日生化法基本原理是有机物在生物代谢过程中产生电子，氧气消耗电子(如反应方程式1所示)，通过检测反应前后氧气含量的变化可以计算出BOD5值。因为氧气浓度的测定存在不准确性，为此本发明设计了一种生物电化学体系，将生物代谢过程与氧气还原反应过程以电极反应形式分开(如反应方程式2和3所示)，通过测定反应过程中所产生的电量来计算BOD的浓度。本发明借助微生物燃料电池的基本原理，将阳极反应设计为有机物的生物代谢过程，阴极反应设计为氧还原反应，通过测定从阳极反应开始至结束时间内所产生的全部电量，通过数学计量关系直接计算出被测水样的生化需氧量浓度。
O2+H++e→H2O(3)
本发明的有益效果在于：根据本发明所述库伦法测得的BOD值其精确度比传统五日生化法精确度更高，可以准确测定生化需氧量浓度在2-500mg/L范围内的水样，相对于五日生化法的测量误差小于5%，且测试偏差更小。另外，本发明在pH值为6.5～8.0、电导率不小于5ms/cm以及反应温度在25-40℃范围内的测试时间为6-48小时，不仅大幅度减少了生化需氧量的测试时间，且操作流程更加简单，可以实现废水中生化需氧量浓度的实时在线检测，具有可观的应用前景。