CN102636545B - 一种水质综合毒性生物预警装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水质综合毒性生物预警装置，包括配水区，检测区和控制区。其中配水区由采样槽、清水槽、三通阀、清水阀、进样泵、清水泵、培养液浓缩液储液罐、微量元素、维生素浓缩液储液罐、pH缓冲液储液罐、混合脱氧罐、磁力搅拌器、加液控制阀和紧急排水样管道组成；检测区包括微生物燃料电池检测单元、进样布水阀、布水管、清洗控制阀、微生物燃料电池出水管、沉淀槽、微生物回流泵、排水管道和微生物排除管道；控制区包括监测控制及报警系统和显示屏。本装置可实现水质综合毒性的在线监测和预警，具有使用寿命长，抗干扰能力强，敏感度高，监测范围广，日常管理简单以及运行费用低等优点，适用于常规和应急性的水质急性毒性监测。
Description
技术领域
本发明属于环境监测领域，具体涉及一种水质综合毒性生物预警装置。
背景技术
随着我国工业水平的高速发展，人民生活水平的快速提高，环境污染特别是水体污染已经成为我国目前所面临的重大问题之一。据环保部门统计全国九大水系都已遭受到不同程度的污染，绝大多数已相当严重，直接威胁到水体生态环境以及人民群众的正常生活，因水体污染导致的集体中毒事件屡见报端。因此，及时有效地发现有毒污染物的泄漏或排放，并对水质突发变化进行迅速的预警有着十分重要的意义。
废水毒性检测方法主要有理化分析法和生物学方法。理化分析主要采用气相或液相色谱等方法进行，其原理是通过分析某一种或几种代表性污染物浓度来估测水体的毒性，由于不能直接和全面反映毒性物质对环境的综合影响，其有效性并不为毒理学界所广泛认同；另外，理化方法虽然精密度和灵敏度较高，但设备庞大，无法在野外进行水质毒性的快速检测。而生物学方法，包括以水蚤、藻类、贻贝、鱼和微生物等为指示的方法，可以反映污染物对生物的直接影响，弥补了传统理化分析方法的不足。特别是微生物法更适合于在线监测水中的急性毒性，因其快速、灵敏和经济等特点得以迅速发展。然而目前应用较多的基于微生物呼吸作用和发光特性的生物传感器，因其误差较大、易受干扰等问题而限制了应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种水质综合毒性生物预警装置。具有使用寿命长，抗干扰能力强，敏感度高，监测范围广，日常管理简单以及运行费用低等优点。
为了达到上述目的，采取的技术方案是：一种水质综合毒性生物预警装置，包括配水区（30）、检测区（31）、控制区（32），其特征在于：配水区（30）由采样槽（1）、清水槽（2）、三通阀（3）、清水阀（4）、进样泵（5）、清水泵（6）、第一培养液浓缩液储液罐（7）、第一微量元素及维生素浓缩液储液罐（8）、第一pH缓冲液储液罐（9）、第一混合脱氧罐（10）、第一磁力搅拌器（11）、第一加液控制阀（21）、第二培养液浓缩液储液罐（12）、第二微量元素及维生素浓缩液储液罐（13）、第二pH缓冲液储液罐（14）、第二混合脱氧罐（15）、第二磁力搅拌器（16）、第二加液控制阀（29）和紧急排水样管道（28）组成；检测区（31）由微生物燃料电池检测单元（18）、进样布水阀（19）、布水管（20）、清洗控制阀（22）、微生物燃料电池出水管（25）、沉淀槽（24）、微生物回流泵（23）、排水管道（26）、微生物排除管道（27）组成；需要检测的水样从采样槽（1）经三通阀（3）和进样泵（5）进入第一混合脱氧罐（10），使水样厌氧；第一培养液浓缩液储液罐（7）、第一微量元素及维生素浓缩液储液罐（8）和第一pH缓冲液储液罐（9）在监测控制及报警系统（17）控制下分别向第一混合脱氧罐（10）自动连续投加培养液浓缩液、微量元素及维生素浓缩液和pH缓冲液，并通过第一磁力搅拌器（11）带动搅拌子与检测水样混合均匀，混合后水样有机物浓度为100-1000mg/L，pH为6.0-8.0；混合后水样经进样布水阀（19）、布水管（20）均匀地从进水口（18-4）进入微生物燃料电池检测单元（18），与具有电化学活性的微生物反应后从出水口（18-5）排出，沿微生物燃料电池出水管（25）流入沉淀槽（24）；检测水样的微生物燃料电池产生的电压信号由监测控制及报警系统（17）实时监测，当产生电压低于正常电压的50%或者比正常电压高50%时，监测控制及报警系统（17）发出警报，并控制三通阀（3）切换，将水样从紧急排水样管道（28）排出，以避免微生物燃料电池检测单元（18）严重中毒，同时，监测控制及报警系统（17）控制进样泵（5）停止工作，第一加液控制阀（21）、进样布水阀（19）关闭，清洗控制阀（22）开启，对检测水样的微生物燃料电池进行清洗，直至输出电压信号恢复正常；清水从清水槽（2）经清水阀（4）和清水泵（6）进入第二混合脱氧罐（15），使清水厌氧；第二培养液浓缩液储液罐（12）、第二微量元素及维生素浓缩液储液罐（13）和第二pH缓冲液储液罐（14）在监测控制及报警系统（17）控制下分别向第二混合脱氧罐（15）自动连续投 加培养液浓缩液、微量元素及维生素浓缩液和pH缓冲液，并通过第二磁力搅拌器（16）与清水混合均匀，混合后清水有机物浓度为100-1000mg/L，pH为6.0-8.0；混合后清水经水管从进水口（18-7）进入作为参照的微生物燃料电池（18-6），与具有电化学活性的微生物反应后从出水口（18-5）排出，沿微生物燃料电池出水管（25）流入沉淀槽（24）；作为参照的微生物燃料电池（18-6）产生的电压信号由监测控制及报警系统（17）实时监测，作为另外2-20个检测水样的微生物燃料电池故障以及日常清洗的指示；当检测水样的微生物燃料电池需要日常清洗时，监测控制及报警系统（17）控制进样布水阀（19）部分关闭，清洗控制阀（22）部分开启，对其中1-10个检测水样的微生物燃料电池进行清洗，另外1-10个微生物燃料电池正常工作，清洗直至输出电压信号与参照的微生物燃料电池相当后切换至正常工作状态，随后将另外1-10个微生物燃料电池采用相同程序进行清洗；微生物燃料电池检测单元（18）的出水经微生物燃料电池出水管（25）排入沉淀槽（24），出水中悬浮的电化学活性微生物在沉淀槽（24）中沉淀，上清液经排水管道（26）排出装置，沉淀的微生物部分经微生物回流泵（23）、布水管（20）返回到微生物燃料电池检测单元（18），多余的微生物从微生物排除管道（27）排出装置。
本发明中，所述的水质综合毒性生物预警装置还包括一微生物燃料电池检测单元（18），由3-21个空气阴极微生物燃料电池组成，其中一个微生物燃料电池（18-6）用清水运行作为参照，剩余2-20个微生物燃料电池用于检测水样；每个微生物燃料电池的阳极（18-1）和阴极（18-2）分别以导线与监测控制及报警系统（17）连接，以实时监测微生物燃料电池产生的电压信号；每个微生物燃料电池的阳极室（18-3）中和阳极（18-1）上悬浮和附着具有电化学活性的微生物；每个检测水样的微生物燃料电池的阳极室（18-3）底部设进水口（18-4）与进样布水阀（19）相连，作为参照的微生物燃料电池（18-6）底部进水口（18-7）则通过水管与第二混合脱氧罐（15）相连；每个微生物燃料电池的阳极室（18-3）顶部设出水口（18-5）与微生物燃料电池出水管（25）相连。
本发明中，所述的水质综合毒性生物预警装置还包括一控制区（32），由监测控制及报警系统（17）和显示屏（33）组成；监测控制及报警系统（17）通过导线分别与配水区（30）的三通阀（3）、清水阀（4）、进样泵（5）、清水泵（6）、第一加液控制阀（21）、第二加液控制阀（29）和检测区（31）的微生物燃料电池检测单元（18）、进样布水阀（19）、清洗控制阀（22）、微生物回流泵（23）连接，以实现数据监测和控制；显示屏（33）与监测控制及报警系统（17）连接，以直观显示装置运行情况。
本发明基于微生物燃料电池原理。微生物燃料电池是一种以具有电化学活性的微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成电能的装置，微生物燃料电池中的电化学活性微生物可进行胞外呼吸，它将水体有机物生物氧化过程产生的电子直接传递至电极，通过回路形成电流，而在一定范围内，阳极液中有毒物质种类和浓度与MFC的产电抑制率呈线性关系，通过在线检测MFC的电压输出信号可实现水质生物毒性的实时监控。
本发明的有益效果是可以实现水质综合毒性生物预警装置的自动在线监测、预警以及清洗等功能，具有使用寿命长，抗干扰能力强，敏感度高，监测范围广，日常管理简单以及运行费用低等优点。
附图说明
图1是本发明水质综合毒性生物预警装置的示意图。
图2是微生物燃料电池检测单元（18）的放大图。
图中：1是采样槽；2是清水槽；3是三通阀；4是清水阀；5是进样泵；6是清水泵；7是第一培养液浓缩液储液罐；12是第二培养液浓缩液储液罐；8是第一微量元素及维生素浓缩液储液罐；13是第二微量元素及维生素浓缩液储液罐；9是第一pH缓冲液储液罐；14是第二pH缓冲液储液罐；10是第一混合脱氧罐；15是第二混合脱氧罐；11是第一磁力搅拌器；16是第二磁力搅拌器；17是监测控制及报警系统；18是微生物燃料电池检测单元；18-1是阳极；18-2是阴极；18-3是阳极室；18-4、18-7是进水口；18-5是出水口；18-6是作为参照的微生物燃料电池；19是进样布水阀、20是布水管；21是第一加液控制阀；29是第二加液控制阀；22是清洗控制阀；23是微生物回流泵；24是沉淀槽；25是微生物燃料电池出水管；26是排水管道；27是微生物排除管道；28是紧急排水样管道；30是配水区；31是检测区；32是控制区； 33是显示屏。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步说明。
实施例1：
如图1、图2所示，本发明装置包括配水区（30）、检测区（31）和控制区（32）三部分。其中配水区（30）由采样槽（1）、清水槽（2）、三通阀（3）、清水阀（4）、进样泵（5）、清水泵（6）、第一培养液浓缩液储液罐（7）、第一微量元素及维生素浓缩液储液罐（8）、第一pH缓冲液储液罐（9）、第一混合脱氧罐（10）、第一磁力搅拌器（11）、第一加液控制阀（21）、第二培养液浓缩液储液罐（12）、第二微量元素及维生素浓缩液储液罐（13）、第二pH缓冲液储液罐（14）、第二混合脱氧罐（15）、第二磁力搅拌器（16）、第二加液控制阀（29）和紧急排水样管道（28）组成；检测区（31）由微生物燃料电池检测单元（18）、进样布水阀（19）、布水管（20）、清洗控制阀（22）、微生物燃料电池出水管（25）、沉淀槽（24）、微生物回流泵（23）、排水管道（26）、微生物排除管道（27）组成；控制区（32）由监测控制及报警系统（17）和显示屏（33）组成。
所述微生物燃料电池检测单元（18）由3-21个空气阴极微生物燃料电池组成，本实施例中微生物燃料电池检测单元（18）由5个空气阴极微生物燃料电池组成，其中一个微生物燃料电池（18-6）用清水运行作为参照，剩余4个微生物燃料电池用于检测水样。
所述的控制区（32）由监测控制及报警系统（17）和显示屏（33）组成；监测控制及报警系统（17）通过导线分别与配水区（30）的三通阀（3）、清水阀（4）、进样泵（5）、清水泵（6）、第一加液控制阀（21）、第二加液控制阀（29）和检测区（31）的微生物燃料电池检测单元（18）、进样布水阀（19）、清洗控制阀（22）、微生物回流泵（23）连接，以实现数据监测和控制；显示屏（33）与监测控制及报警系统（17）连接，以直观显示装置运行情况。
检测水样时，水样从采样槽（1）经三通阀（3）和进样泵（5）进入第一混合脱氧罐（10），使水样厌氧；第一培养液浓缩液储液罐（7）、第一微量元素及维生素浓缩液储液罐（8）和第一pH缓冲液储液罐（9）在监测控制及报警系统（17）控制下分别向第一混合脱氧罐（10）自动连续投加培养液浓缩液、微量元素及维生素浓缩液和pH缓冲液，本实例中使用微生物易于利用的醋酸钠作为培养液中的有机物，并通过第一磁力搅拌器（11）带动搅拌子与检测水样混合均匀，混合后水样有机物浓度为100-1000mg/L，pH为6.0-8.0；混合后水样经进样布水阀（19）、布水管（20）均匀地从进水口（18-4）进入微生物燃料电池检测单元（18），与具有电化学活性的微生物反应后从出水口（18-5）排出，沿微生物燃料电池出水管（25）流入沉淀槽（24）；同时，清水从清水槽（2）经清水阀（4）和清水泵（6）进入第二混合脱氧罐（15），使清水厌氧；第二培养液浓缩液储液罐（12）、第二微量元素及维生素浓缩液储液罐（13）和第二pH缓冲液储液罐（14）在监测控制及报警系统（17）控制下分别向第二混合脱氧罐（15）自动连续投加培养液浓缩液、微量元素及维生素浓缩液和pH缓冲液，并通过第二磁力搅拌器（16）与清水混合均匀，混合后清水有机物浓度为100-1000mg/L，pH为6.0-8.0；混合后清水经水管从进水口（18-7）进入作为参照的微生物燃料电池（18-6），与具有电化学活性的微生物反应后从出水口（18-5）排出，沿微生物燃料电池出水管（25）流入沉淀槽（24）。出水中悬浮的电化学活性微生物在沉淀槽（24）中沉淀，上清液经排水管道（26）排出装置，沉淀的微生物部分经微生物回流泵（23）、布水管（20）返回到微生物燃料电池检测单元（18），多余的微生物从微生物排除管道（27）排出装置。
检测水样的4个微生物燃料电池产生的电压信号由监测控制及报警系统（17）实时监测，当产生电压下降至正常电压的50%或者比正常电压提高50%时，监测控制及报警系统（17）发出警报，并控制三通阀（3）切换，将水样从紧急排水样管道（28）排出，以避免微生物燃料电池检测单元（18）严重中毒，同时，监测控制及报警系统（17）控制进样泵（5）停止工作，第一加液控制阀（21）、进样布水阀（19）关闭，清洗控制阀（22）开启，对检测水样的微生物燃料电池进行清洗，直至输出电压信号恢复正常。
作为参照的微生物燃料电池（18-6）产生的电压信号由监测控制及报警系统（17）实时监测，作为4 个检测水样的微生物燃料电池故障以及日常清洗的指示。当检测水样的微生物燃料电池需要日常清洗时，监测控制及报警系统（17）控制进样布水阀（19）部分关闭，清洗控制阀（22）部分开启，对其中2个检测水样的微生物燃料电池进行清洗，另外2个微生物燃料电池仍正常工作，清洗直至输出电压信号与参照的微生物燃料电池相当后切换至正常工作状态，随后将另外2个微生物燃料电池采用相同程序进行清洗。
Claims (3)
1.一种水质综合毒性生物预警装置，包括配水区（30）、检测区（31）、控制区（32），其特征在于：配水区（30）由采样槽（1）、清水槽（2）、三通阀（3）、清水阀（4）、进样泵（5）、清水泵（6）、第一培养液浓缩液储液罐（7）、第一微量元素及维生素浓缩液储液罐（8）、第一pH缓冲液储液罐（9）、第一混合脱氧罐（10）、第一磁力搅拌器（11）、第一加液控制阀（21）、第二培养液浓缩液储液罐（12）、第二微量元素及维生素浓缩液储液罐（13）、第二pH缓冲液储液罐（14）、第二混合脱氧罐（15）、第二磁力搅拌器（16）、第二加液控制阀（29）和紧急排水样管道（28）组成；检测区（31）由微生物燃料电池检测单元（18）、进样布水阀（19）、布水管（20）、清洗控制阀（22）、微生物燃料电池出水管（25）、沉淀槽（24）、微生物回流泵（23）、排水管道（26）、微生物排除管道（27）组成；需要检测的水样从采样槽（1）经三通阀（3）和进样泵（5）进入第一混合脱氧罐（10），使水样厌氧；第一培养液浓缩液储液罐（7）、第一微量元素及维生素浓缩液储液罐（8）和第一pH缓冲液储液罐（9）在监测控制及报警系统（17）控制下分别向第一混合脱氧罐（10）自动连续投加培养液浓缩液、微量元素及维生素浓缩液和pH缓冲液，并通过第一磁力搅拌器（11）带动搅拌子与检测水样混合均匀，混合后水样有机物浓度为100-1000mg/L，pH为6.0-8.0；混合后水样经进样布水阀（19）、布水管（20）均匀地从进水口（18-4）进入微生物燃料电池检测单元（18），与具有电化学活性的微生物反应后从出水口（18-5）排出，沿微生物燃料电池出水管（25）流入沉淀槽（24）；检测水样的微生物燃料电池产生的电压信号由监测控制及报警系统（17）实时监测，当产生电压低于正常电压的50%或者比正常电压高50%时，监测控制及报警系统（17）发出警报，并控制三通阀（3）切换，将水样从紧急排水样管道（28）排出，以避免微生物燃料电池检测单元（18）严重中毒，同时，监测控制及报警系统（17）控制进样泵（5）停止工作，第一加液控制阀（21）、进样布水阀（19）关闭，清洗控制阀（22）开启，对检测水样的微生物燃料电池进行清洗，直至输出电压信号恢复正常；清水从清水槽（2）经清水阀（4）和清水泵（6）进入第二混合脱氧罐（15），使清水厌氧；第二培养液浓缩液储液罐（12）、第二微量元素及维生素浓缩液储液罐（13）和第二pH缓冲液储液罐（14）在监测控制及报警系统（17）控制下分别向第二混合脱氧罐（15）自动连续投加培养液浓缩液、微量元素及维生素浓缩液和pH缓冲液，并通过第二磁力搅拌器（16）与清水混合均匀，混合后清水有机物浓度为100-1000mg/L，pH为6.0-8.0；混合后清水经水管从进水口（18-7）进入作为参照的微生物燃料电池（18-6），与具有电化学活性的微生物反应后从出水口（18-5）排出，沿微生物燃料电池出水管（25）流入沉淀槽（24）；作为参照的微生物燃料电池（18-6）产生的电压信号由监测控制及报警系统（17）实时监测，作为另外2-20个检测水样的微生物燃料电池故障以及日常清洗的指示；当检测水样的微生物燃料电池需要日常清洗时，监测控制及报警系统（17）控制进样布水阀（19）部分关闭，清洗控制阀（22）部分开启，对其中1-10个检测水样的微生物燃料电池进行清洗，另外1-10个微生物燃料电池正常工作，清洗直至输出电压信号与参照的微生物燃料电池相当后切换至正常工作状态，随后将另外1-10个微生物燃料电池采用相同程序进行清洗；微生物燃料电池检测单元（18）的出水经微生物燃料电池出水管（25）排入沉淀槽（24），出水中悬浮的电化学活性微生物在沉淀槽（24）中沉淀，上清液经排水管道（26）排出装置，沉淀的微生物部分经微生物回流泵（23）、布水管（20）返回到微生物燃料电池检测单元（18），多余的微生物从微生物排除管道（27）排出装置。
2.根据权利要求1所述的水质综合毒性生物预警装置，其特征在于：还包括一微生物燃料电池检测单元（18），由3-21个空气阴极微生物燃料电池组成，其中一个微生物燃料电池（18-6）用清水运行作为参照，剩余2-20个微生物燃料电池用于检测水样；每个微生物燃料电池的阳极（18-1）和阴极（18-2）分别以导线与监测控制及报警系统（17）连接，以实时监测微生物燃料电池产生的电压信号；每个微生物燃料电池的阳极室（18-3）中和阳极（18-1）上悬浮和附着具有电化学活性的微生物；每个检测水样的微生物燃料电池的阳极室（18-3）底部设进水口（18-4）与进样布水阀（19）相连，作为参照的微生物燃料电池（18-6）底部进水口（18-7）则通过水管与第二混合脱氧罐（15）相连；每个微生物燃料电池的阳极室（18-3）顶部设出水口（18-5）与微生物燃料电池出水管（25）相连。
3.根据权利要求1所述的水质综合毒性生物预警装置，其特征在于：还包括一控制区（32），由监测控制及报警系统（17）和显示屏（33）组成；监测控制及报警系统（17）通过导线分别与配水区（30）的三通阀（3）、清水阀（4）、进样泵（5）、清水泵（6）、第一加液控制阀（21）、第二加液控制阀（29）和检测区（31）的微生物燃料电池检测单元（18）、进样布水阀（19）、清洗控制阀（22）、微生物回流泵（23） 连接，以实现数据监测和控制；显示屏（33）与监测控制及报警系统（17）连接，以直观显示装置运行情况。
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