專利名稱：一種水質綜合毒性生物預警裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于環境監測領域，具體涉及一種水質綜合毒性生物預警裝置。
背景技術：
隨著我國工業水平的高速發展，人民生活水平的快速提高，環境污染特別是水體污染已經成為我國目前所面臨的重大問題之一。據環保部門統計全國九大水系都已遭受到不同程度的污染，絕大多數已相當嚴重，直接威脅到水體生態環境以及人民群眾的正常生活，因水體污染導致的集體中毒事件屢見報端。因此，及時有效地發現有毒污染物的泄漏或排放，并對水質突發變化進行迅速的預警有著十分重要的意義。廢水毒性檢測方法主要有理化分析法和生物學方法。理化分析主要采用氣相或液相色譜等方法進行，其原理是通過分析某一種或幾種代表性污染物濃度來估測水體的毒性，由于不能直接和全面反映毒性物質對環境的綜合影響，其有效性并不為毒理學界所廣泛認同；另外，理化方法雖然精密度和靈敏度較高，但設備龐大，無法在野外進行水質毒性的快速檢測。而生物學方法，包括以水蚤、藻類、貽貝、魚和微生物等為指示的方法，可以反映污染物對生物的直接影響，彌補了傳統理化分析方法的不足。特別是微生物法更適合于在線監測水中的急性毒性，因其快速、靈敏和經濟等特點得以迅速發展。然而目前應用較多的基于微生物呼吸作用和發光特性的生物傳感器，因其誤差較大、易受干擾等問題而限制了應用。
發明內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種水質綜合毒性生物預警裝置。具有使用壽命長，抗干擾能力強，敏感度高，監測范圍廣，日常管理簡單以及運行費用低等優點。為了達到上述目的，采取的技術方案是一種水質綜合毒性生物預警裝置，包括配水區(30)、檢測區(31)、控制區(32)，其特征在于配水區(30)由采樣槽(I)、清水槽(2)、三通閥(3)、清水閥(4)、進樣泵(5)、清水泵(6)、培養液濃縮液儲液罐(7，12)、微量元素、維生素濃縮液儲液罐(8，13)、pH緩沖液儲液罐(9，14)、混合脫氧罐(10，15)、磁力攪拌器(11，16)、加液控制閥(21，29)和緊急排水樣管道(28)組成；檢測區(31)由微生物燃料電池檢測單元(18)、進樣布水閥(19)、布水管(20)、清洗控制閥(22)、微生物燃料電池出水管(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)組成；需要檢測的水樣從采樣槽(I)經三通閥(3 )和進樣泵(5 )進入混合脫氧罐(10 )，使水樣厭氧；培養液濃縮液儲液罐(7)、微量元素、維生素濃縮液儲液罐(8)和pH緩沖液儲液罐(9)在監測控制及報警系統(17)控制下分別向混合脫氧罐(10)自動連續投加培養液濃縮液、微量元素、維生素濃縮液和PH緩沖液，并啟動磁力攪拌器(11);混合水樣經進樣布水閥(19)、布水管(20)均勻地從進水口(18-4)進入微生物燃料電池檢測單元(18)，與具有電化學活性的微生物反應后從出水口( 18-5 )排出，沿微生物燃料電池出水管(25 )流入沉淀槽(24);檢測混合水樣的微生物燃料電池產生的電壓信號由監測控制及報警系統(17)實時監測，當產生電壓低于正常電壓的50%或者比正常電壓高50%時，監測控制及報警系統(17)發出警報，并控制三通閥(3)切換，將混合水樣從緊急排水樣管道(28)排出，以避免微生物燃料電池檢測單元(18)嚴重中毒，同時，監測控制及報警系統(17)控制進樣泵(5)停止工作，加液控制閥
(21)、進樣布水閥(19)關閉，清洗控制閥(22)開啟，對混合水樣的微生物燃料電池進行清洗，直至輸出電壓信號恢復正常；清水從清水槽(2)經清水閥(4)和清水泵(6)進入混合脫氧罐(15)，使清水厭氧；培養液濃縮液儲液罐(12)、微量元素、維生素濃縮液儲液罐(13)和PH緩沖液儲液罐(14)在監測控制及報警系統(17)控制下分別向混合脫氧罐(15)自動連續投加培養液濃縮液、微量元素、維生素濃縮液和PH緩沖液，并啟動磁力攪拌器(16)，混合清水樣經水管從進水口(18-7)進入作為參照的微生物燃料電池(18-6)，與具有電化學活性的微生物反應后從出水口(18-5)排出，沿微生物燃料電池出水管(25)流入沉淀槽(24);作為參照的微生物燃料電池(18-6)產生的電壓信號由監測控制及報警系統(17)實時監測，作為另外2-20個檢測水樣的微生物燃料電池故障以及日常清洗的指示；當檢測水樣的微生物燃料電池需要日常清洗時，監測控制及報警系統(17)控制進樣布水閥(19)部分關 閉，清洗控制閥(22)部分開啟，對其中1-10個檢測水樣的微生物燃料電池進行清洗，另外1-10個微生物燃料電池正常工作，清洗直至輸出電壓信號與參照的微生物燃料電池相當后切換至正常工作狀態，隨后將另外ι- ο個微生物燃料電池采用相同程序進行清洗；微生物燃料電池檢測單元(18)的出水經微生物燃料電池出水管(25)排入沉淀槽(24)，出水中懸浮的電化學活性微生物在沉淀槽(24)中沉淀，上清液經排水管道(26)排出裝置，沉淀的微生物部分經微生物回流泵(23)、布水管(20)返回到微生物燃料電池檢測單元(18)，多余的微生物從微生物排除管道(27)排出裝置。本實用新型中，所述的水質綜合毒性生物預警裝置還包括一微生物燃料電池檢測單元(18)，由3-21個空氣陰極微生物燃料電池組成，其中一個微生物燃料電池(18-6)用清水運行作為參照，剩余2-20個微生物燃料電池用于檢測水樣；每個微生物燃料電池的陽極(18-1)和陰極(18-2)分別以導線與監測控制及報警系統(17)連接，以實時監測微生物燃料電池產生的電壓信號；每個微生物燃料電池的陽極室(18-3)中和陽極(18-1)上懸浮和附著具有電化學活性的微生物；每個檢測水樣的微生物燃料電池的陽極室(18-3)底部設進水口( 18-4)與進樣布水閥(19)相連，作為參照的微生物燃料電池(18-6)底部進水口(18-7)則通過水管與混合脫氧罐(15)相連；每個微生物燃料電池的陽極室(18-3)頂部設出水口(18-5)與微生物燃料電池出水管(25)相連。本實用新型中，所述的水質綜合毒性生物預警裝置還包括一控制區(32)，由監測控制及報警系統(17)和顯示屏(33)組成；監測控制及報警系統(17)通過導線分別與配水區(30)的三通閥(3)、清水閥(4)、進樣泵(5)、清水泵(6)、加液控制閥(21，29)和檢測區
(31)的微生物燃料電池檢測單元(18)、進樣布水閥(19)、清洗控制閥(22)、微生物回流泵
(23)連接，以實現數據監測和控制；顯示屏(33)與監測控制及報警系統(17)連接，以直觀顯示裝置運行情況。本實用新型基于微生物燃料電池原理。微生物燃料電池是一種以具有電化學活性的微生物為陽極催化劑，將化學能直接轉化成電能的裝置，微生物燃料電池中的電化學活性微生物可進行胞外呼吸，它將水體有機物生物氧化過程產生的電子直接傳遞至電極，通過回路形成電流，而在一定范圍內，陽極液中有毒物質種類和濃度與MFC的產電抑制率呈線性關系，通過在線檢測MFC的電壓輸出信號可實現水質生物毒性的實時監控。本實用新型的有益效果是可以實現水質綜合毒性生物預警裝置的自動在線監測、預警以及清洗等功能，具有使用壽命長，抗干擾能力強，敏感度高，監測范圍廣，日常管理簡單以及運行費用低等優點。
圖I是本實用新型水質綜合毒性生物預警裝置的示意圖。圖2是微生物燃料電池檢測單元(18)的放大圖。圖中1是采樣槽；2是清水槽；3是三通閥；4是清水閥；5是進樣泵；6是清水泵；
7、12是培養液濃縮液儲液罐；8、13是微量元素、維生素濃縮液儲液罐；9、14是pH緩沖液儲 液罐；10、15是混合脫氧罐；11、16是磁力攪拌器；17是監測控制及報警系統；18是微生物燃料電池檢測單兀；18_1是陽極；18_2是陰極；18_3是陽極室；18_4、18-7是進水口 ； 18_5是出水口 ；18-6是作為參照的微生物燃料電池；19是進樣布水閥、20是布水管；21、29是加液控制閥；22是清洗控制閥；23是微生物回流泵；24是沉淀槽；25是微生物燃料電池出水管；26是排水管道；27是微生物排除管道；28是緊急排水樣管道；30是配水區；31是檢測區；32是控制區；33是顯示屏。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本實用新型做進一步說明。實施例I :如圖I、圖2所示，本實用新型裝置包括配水區(30)、檢測區(31)和控制區(32)三部分。其中配水區(30)由采樣槽(I)、清水槽(2)、三通閥(3)、清水閥(4)、進樣泵(5)、清水泵(6 )、培養液濃縮液儲液罐(7，12 )、微量元素、維生素濃縮液儲液罐(8，13 )、pH緩沖液儲液罐(9，14)、混合脫氧罐(10，15)、磁力攪拌器(11，16)、加液控制閥(21，29)和緊急排水樣管道(28)組成；檢測區(31)由微生物燃料電池檢測單元(18)、進樣布水閥(19)、布水管(20 )、清洗控制閥(22 )、微生物燃料電池出水管(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)組成；控制區(32)由監測控制及報警系統(17)和顯示屏(33)組成。所述微生物燃料電池檢測單元(18)由3-21個空氣陰極微生物燃料電池組成，本實施例中微生物燃料電池檢測單元(18)由5個空氣陰極微生物燃料電池組成，其中一個微生物燃料電池(18-6)用清水運行作為參照，剩余4個微生物燃料電池用于檢測水樣。所述的控制區(32)由監測控制及報警系統(17)和顯示屏(33)組成；監測控制及報警系統(17)通過導線分別與配水區(30)的三通閥(3)、清水閥(4)、進樣泵(5)、清水泵(6)、加液控制閥(21，29)和檢測區(31)的微生物燃料電池檢測單元(18)、進樣布水閥
(19)、清洗控制閥(22)、微生物回流泵(23)連接，以實現數據監測和控制；顯示屏(33)與監測控制及報警系統(17)連接，以直觀顯示裝置運行情況。檢測水樣時，水樣從采樣槽(I)經三通閥(3 )和進樣泵(5 )進入混合脫氧罐(10 )，使水樣厭氧；培養液濃縮液儲液罐(7)、微量元素、維生素濃縮液儲液罐(8)和pH緩沖液儲液罐(9)在監測控制及報警系統(17)控制下分別向混合脫氧罐(10)自動連續投加培養液濃縮液、微量元素、維生素濃縮液和PH緩沖液，本實例中使用微生物易于利用的醋酸鈉作為培養液中的有機物，并通過磁力攪拌器(11)帶動攪拌子與檢測水樣混合均勻，混合后水樣有機物濃度為100-1000mg/L，pH為6. 0-8. O ;混合后水樣經進樣布水閥(19)、布水管(20)均勻地從進水口(18-4)進入微生物燃料電池檢測單元(18)，與具有電化學活性的微生物反應后從出水口( 18-5 )排出，沿微生物燃料電池出水管(25 )流入沉淀槽(24);同時，清水從清水槽(2)經清水閥(4)和清水泵(6)進入混合脫氧罐(15)，使清水厭氧；培養液濃縮液儲液罐(12)、微量元素、維生素濃縮液儲液罐(13)和pH緩沖液儲液罐(14)在監測控制及報警系統(17)控制下分別向混合脫氧罐(15)自動連續投加培養液濃縮液、微量元素、維生素濃縮液和PH緩沖液，并通過磁力攪拌器(16)與清水混合均勻，混合后清水有機物濃度為100-1000mg/L，pH為6. 0-8. O ;混合后清水經水管從進水口( 18_7)進入作為參照的微生物燃料電池(18-6)，與具有電化學活性的微生物反應后從出水口(18-5)排出，沿微生物燃料電池出水管(25 )流入沉淀槽(24 )。出水中懸浮的電化學活性微生物在沉淀槽(24 )中沉淀，上清液經排水管道(26)排出裝置，沉淀的微生物部分經微生物回流泵(23)、布水管
(20)返回到微生物燃料電池檢測單元(18)，多余的微生物從微生物排除管道(27)排出裝置。 檢測水樣的4個微生物燃料電池產生的電壓信號由監測控制及報警系統(17)實時監測，當產生電壓下降至正常電壓的50%或者比正常電壓提高50%時，監測控制及報警系統(17)發出警報，并控制三通閥(3)切換，將水樣從緊急排水樣管道(28)排出，以避免微生物燃料電池檢測單元(18)嚴重中毒，同時，監測控制及報警系統(17)控制進樣泵(5)停止工作，加液控制閥(21)、進樣布水閥(19)關閉，清洗控制閥(22)開啟，對檢測水樣的微生物燃料電池進行清洗，直至輸出電壓信號恢復正常。作為參照的微生物燃料電池(18-6)產生的電壓信號由監測控制及報警系統(17)實時監測，作為4個檢測水樣的微生物燃料電池故障以及日常清洗的指示。當檢測水樣的微生物燃料電池需要日常清洗時，監測控制及報警系統(17)控制進樣布水閥(19)部分關閉，清洗控制閥(22 )部分開啟，對其中2個檢測水樣的微生物燃料電池進行清洗，另外2個微生物燃料電池仍正常工作，清洗直至輸出電壓信號與參照的微生物燃料電池相當后切換至正常工作狀態，隨后將另外2個微生物燃料電池采用相同程序進行清洗。
權利要求1.一種水質綜合毒性生物預警裝置，包括配水區(30)、檢測區(31)、控制區(32)，其特征在于配水區(30)由采樣槽(I)、清水槽(2)、三通閥(3)、清水閥(4)、進樣泵(5)、清水泵(6)、培養液濃縮液儲液罐(7，12)、微量元素、維生素濃縮液儲液罐(8，13)、pH緩沖液儲液罐(9，14)、混合脫氧罐(10，15)、磁力攪拌器(11，16)、加液控制閥(21，29)和緊急排水樣管道(28)組成；檢測區(31)由微生物燃料電池檢測單元(18)、進樣布水閥(19)、布水管(20)、清洗控制閥(22)、微生物燃料電池出水管(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)組成；需要檢測的水樣從采樣槽(I)經三通閥(3)和進樣泵(5)進入混合脫氧罐(10)，使水樣厭氧；培養液濃縮液儲液罐(7)、微量元素、維生素濃縮液儲液罐(8)和pH緩沖液儲液罐(9)在監測控制及報警系統(17)控制下分別向混合脫氧罐(10)自動連續投加培養液濃縮液、微量元素、維生素濃縮液和pH緩沖液，并啟動磁力攪拌器(11);混合水樣經進樣布水閥(19)、布水管(20)均勻地從進水口( 18-4)進入微生物燃料電池檢測單元(18)，與具有電化學活性的微生物反應后從出水口( 18-5)排出，沿微生物燃料電池出水管(25 )流入沉淀槽(24 );檢測混合水樣的微生物燃料電池產生的電壓信號由監測控制及報警系統(17)實時監測，當產生電壓低于正常電壓的50%或者比正常電壓高·50%時，監測控制及報警系統(17)發出警報，并控制三通閥(3)切換，將混合水樣從緊急排水樣管道(28)排出，以避免微生物燃料電池檢測單元(18)嚴重中毒，同時，監測控制及報警系統(17)控制進樣泵(5)停止工作，加液控制閥(21)、進樣布水閥(19)關閉，清洗控制閥(22)開啟，對混合水樣的微生物燃料電池進行清洗，直至輸出電壓信號恢復正常；清水從清水槽(2)經清水閥(4)和清水泵(6)進入混合脫氧罐(15)，使清水厭氧；培養液濃縮液儲液罐(12)、微量元素、維生素濃縮液儲液罐(13)和pH緩沖液儲液罐(14)在監測控制及報警系統(17)控制下分別向混合脫氧罐(15)自動連續投加培養液濃縮液、微量元素、維生素濃縮液和PH緩沖液，并啟動磁力攪拌器(16)，混合清水樣經水管從進水口( 18-7)進入作為參照的微生物燃料電池(18-6)，與具有電化學活性的微生物反應后從出水口(18-5)排出，沿微生物燃料電池出水管(25)流入沉淀槽(24);作為參照的微生物燃料電池(18-6)產生的電壓信號由監測控制及報警系統(17)實時監測，作為另外2-20個檢測水樣的微生物燃料電池故障以及日常清洗的指示；當檢測水樣的微生物燃料電池需要日常清洗時，監測控制及報警系統(17)控制進樣布水閥(19)部分關閉，清洗控制閥(22)部分開啟，對其中1-10個檢測水樣的微生物燃料電池進行清洗，另外ι- ο個微生物燃料電池正常工作，清洗直至輸出電壓信號與參照的微生物燃料電池相當后切換至正常工作狀態，隨后將另外ι- ο個微生物燃料電池采用相同程序進行清洗；微生物燃料電池檢測單元(18)的出水經微生物燃料電池出水管(25)排入沉淀槽(24)，出水中懸浮的電化學活性微生物在沉淀槽(24)中沉淀，上清液經排水管道(26)排出裝置，沉淀的微生物部分經微生物回流泵(23)、布水管(20)返回到微生物燃料電池檢測單元(18)，多余的微生物從微生物排除管道(27)排出裝置。
2.根據權利要求I所述的水質綜合毒性生物預警裝置，其特征在于還包括一微生物燃料電池檢測單元(18)，由3-21個空氣陰極微生物燃料電池組成，其中一個微生物燃料電池(18-6)用清水運行作為參照，剩余2-20個微生物燃料電池用于檢測水樣；每個微生物燃料電池的陽極(18-1)和陰極(18-2)分別以導線與監測控制及報警系統(17)連接，以實時監測微生物燃料電池產生的電壓信號；每個微生物燃料電池的陽極室(18-3)中和陽極(18-1)上懸浮和附著具有電化學活性的微生物；每個檢測水樣的微生物燃料電池的陽極室(18-3)底部設進水口( 18-4)與進樣布水閥(19)相連，作為參照的微生物燃料電池(18-6)底部進水口(18-7)則通過水管與混合脫氧罐(15)相連；每個微生物燃料電池的陽極室(18-3)頂部設出水口(18-5)與微生物燃料電池出水管(25)相連。
3.根據權利要求I所述的水質綜合毒性生物預警裝置，其特征在于還包括一控制區(32)，由監測控制及報警系統(17)和顯示屏(33)組成；監測控制及報警系統(17)通過導線分別與配水區(30)的三通閥(3)、清水閥(4)、進樣泵(5)、清水泵(6)、加液控制閥(21，29)和檢測區(31)的微生物燃料電池檢測單元(18)、進樣布水閥(19)、清洗控制閥(22)、微生 物回流泵(23)連接，以實現數據監測和控制；顯示屏(33)與監測控制及報警系統(17)連接，以直觀顯示裝置運行情況。
專利摘要本實用新型公開了一種水質綜合毒性生物預警裝置，包括配水區，檢測區和控制區。其中配水區由采樣槽、清水槽、三通閥、清水閥、進樣泵、清水泵、培養液濃縮液儲液罐、微量元素、維生素濃縮液儲液罐、pH緩沖液儲液罐、混合脫氧罐、磁力攪拌器、加液控制閥和緊急排水樣管道組成；檢測區包括微生物燃料電池檢測單元、進樣布水閥、布水管、清洗控制閥、微生物燃料電池出水管、沉淀槽、微生物回流泵、排水管道和微生物排除管道；控制區包括監測控制及報警系統和顯示屏。本裝置可實現水質綜合毒性的在線監測和預警，具有使用壽命長，抗干擾能力強，敏感度高，監測范圍廣，日常管理簡單以及運行費用低等優點，適用于常規和應急性的水質急性毒性監測。
文檔編號G01N27/403GK202710513SQ201220101090
公開日2013年1月30日 申請日期2012年3月16日 優先權日2012年3月16日
發明者劉紅, 謝倍珍 申請人:北京航空航天大學