氨態(tài)氮生物在線測定裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種氨態(tài)氮生物在線測定的裝置，裝置包括生物傳感器，用于測定氨態(tài)氮；恒電位儀；連接管；液體輸送泵；水力旋流器；樣品自動稀釋器；靜態(tài)混勻器；在線脫氣機；儲液罐；恒溫箱；計算機和控制系統(tǒng)，用于控制整個裝置的運行；計算機和控制系統(tǒng)分別和生物傳感器連接；生物傳感器通過連接管與液體輸送泵、水力旋流器、樣品自動稀釋器、靜態(tài)混勻器、在線脫氣機和儲液罐連接。本實用新型裝置由于消除了氧氣的影響，因而具有靈敏度高、檢測時間短（檢測時間小于10 min）、線性范圍寬、檢測下限濃度低及操作簡單等優(yōu)點，可在線測定氨態(tài)氮，大大提高了監(jiān)測水平。
【專利說明】
氨態(tài)氮生物在線測定裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種氨態(tài)氮濃度測定的裝置，具體涉及一種氨態(tài)氮生物在線測定氨態(tài)氮濃度的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]由于現(xiàn)代工、農(nóng)業(yè)的發(fā)展會排放大量的含氨氮的污水。水體中的氨態(tài)氮是指以游離氨(或稱非離子氨，NH3)和離子氨(NH4+)形式存在的氮。氨氮成為最普遍存在的水體污染物之一。近年來，我國地下水中氨氮的污染問題日益突出。氨氮含量較高時，對人體具有不同程度的危害。因此，對各種水體中氨氮的在線監(jiān)測是一個亟待解決的問題。
[0003]目前水體中氨態(tài)氮濃度測定的常規(guī)方法包括:納氏試劑比色法、水楊酸-次氯酸鹽比色法和凱氏定氮儀蒸餾-滴定法。納氏試劑比色法和水楊酸-次氯酸鹽比色法是檢測器通過測量樣品或樣品反應(yīng)產(chǎn)物的吸光度，把檢測樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)產(chǎn)生的吸光值進行比較得出檢測樣品的濃度，存在有機質(zhì)和顆粒物干擾、檢測時間長、樣品預(yù)處理繁瑣(針對污水)及不適用于有濁度或顏色的水樣的缺點，因而不適合在線測定氨態(tài)氮濃度。雖然凱氏定氮儀蒸餾-滴定法適用范圍廣，但是樣品預(yù)處理時間長，因而也不適合在線測定氨態(tài)氮濃度。
[0004]因此，有必要研究和開發(fā)氨態(tài)氮濃度測定的新方法。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型需要解決的技術(shù)問題就在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種氨態(tài)氮在線測定裝置，本實用新型具有靈敏度高、線性范圍寬及檢測時間短等優(yōu)點，可用于在線測定污水中的氨態(tài)氮值。
[0006]為解決上述問題，本實用新型采用如下技術(shù)方案:
[0007]本實用新型提供了一種氨態(tài)氮在線測定裝置，其特征在于:包括用于測定氨態(tài)氮的生物傳感器;連接管;液體輸送栗;水力旋流器;樣品自動稀釋器;靜態(tài)混勻器;在線脫氣機;恒電位儀;儲液罐;恒溫箱；電阻;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集生物傳感器的輸出信號;計算機和控制系統(tǒng)，用于控制整個裝置的運行;計算機和控制系統(tǒng)分別和生物傳感器、液體輸送栗、樣品自動稀釋器、在線脫氣機、恒溫箱及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電阻并聯(lián)。
[0008]生物傳感器通過連接管與液體輸送栗、水力旋流器、樣品自動稀釋器、靜態(tài)混勻器、在線脫氣機及緩沖液儲液罐連接。
[0009]生物傳感器可為雙室微生物燃料電池、單室微生物燃料電池、雙室微生物電解池、單室微生物電解池。生物傳感器陽極室中的陽極電極表面附著的功能微生物為電活性厭氧氨氧化菌(電活性ΑΝΑΜΜ0Χ菌:Anaerobic Ammonium Oxidat1n Bacteria)。
[0010]所述功能微生物可以以水底沉積物、活性污泥及厭氧消化污泥為接種物富集獲得。
[0011]優(yōu)選地，本實用新型生物傳感器為雙室微生物電解池，包括陽極室和陰極室，陽極室和陰極室之間設(shè)置有分隔膜，所述分隔膜為陰離子交換膜或雙極膜；陽極室和陰極室內(nèi)分別放置陽極電極和陰極電極;所述微生物電解池以惰性鍍鉑導(dǎo)電材料或鉑材料為陰極電極、導(dǎo)電惰性材料(碳布、碳紙、石墨氈、網(wǎng)狀玻璃碳或碳纖維刷)為陽極電極；陽極電極和陰極電極間通過鈦絲、導(dǎo)線、恒電位儀及電阻連接;微生物電解池陽極室的陽極電極表面附著有電活性微生物。
[0012]陽極室通過連接管與液體輸送栗、樣品自動稀釋器、靜態(tài)混勻器、在線脫氣機、儲液罐及采樣栗連接。
[0013]陰極室通過連接管及液體輸送栗和儲液罐連接。
[0014]—種氨態(tài)氮在線測定的方法與裝置，其特征在于:其特征在于:恒電位儀低電位端通過導(dǎo)線與電阻相連，電阻通過鈦絲與陰極電極相連，恒電位儀的高電位端通過鈦絲與陽極電極相連，電阻兩端連接一個用于測定電阻兩端電壓的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0015]所述的氨態(tài)氮在線測定的方法與裝置，其特征在于:恒電位儀輸出的直流電壓范圍為0.2?3.0 V。
[0016]所述的氨態(tài)氮在線測定的方法與裝置，其特征在于:進入微生物電解池陽極室的樣品溶液的流量范圍為0.1?100 mL/min。
[0017]所述的氨態(tài)氮在線測定的方法與裝置，其特征在于:裝置上的所有輸送栗、采樣栗、樣品自動稀釋器、在線脫氣機、恒溫箱及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均和計算機控制系統(tǒng)連接;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電阻并聯(lián)，用于采集電阻兩端的電壓。
[0018]所述的氨態(tài)氮在線測定裝置，其特征在于:所述微生物電解池安裝于一個恒溫箱內(nèi)。
[0019]—種氨態(tài)氮在線測定的方法與裝置，其特征在于:測定氨態(tài)氮時，將含氨態(tài)氮的樣品脫氧氣后連續(xù)不斷地輸入到微生物電解池陽極室中，測定由微生物電解池產(chǎn)生的最大電流，再根據(jù)微生物電解池產(chǎn)生的最大電流大小與氨態(tài)氮濃度之間的相關(guān)性來確定樣品中氨態(tài)氮值。
[0020]本實用新型由于消除了氧氣的影響，因而具有靈敏度高、檢測下限濃度低、檢測時間短、線性范圍寬、檢測下限濃度低及操作簡單等優(yōu)點，可在線測定氨態(tài)氮。本實用新型方法具有快捷靈敏，檢測時間短，大大提高了監(jiān)測水平，并且具有較大的社會效益，是常規(guī)監(jiān)測手段所無法達到的。
【附圖說明】
[0021]圖1為氨態(tài)氮在線測定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]通過下面的詳細說明并結(jié)合附圖，可以更清楚地理解本實用新型的上面的及其他的目的、特征和優(yōu)點。
【具體實施方式】
[0023]實施例1
[0024]1.用于在線測定氨態(tài)氮裝置的結(jié)構(gòu)及微生物電解池感應(yīng)器的設(shè)計與組裝
[0025]圖1是用于氨態(tài)氮在線測定裝置的一個圖解說明，所述裝置包括:連接管1、采樣栗
2、連接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、連接管6、蠕動栗7、連接管8、樣品自動稀釋器9、連接管1、儲液罐11、連接管12、蠕動栗13、連接管14、靜態(tài)混勻器15、連接管16、在線脫氣機17、連接管18、微生物電解池19、排液管20、導(dǎo)氣管21、導(dǎo)氣管22、恒溫箱23、儲液罐24、連接管25、蠕動栗26、連接管27、排液管28、鈦絲29、電阻30、導(dǎo)線31、恒電位儀32、鈦絲33、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)34及計算機和控制部分35。
[0026]以下對具有上述結(jié)構(gòu)的用微生物電解池來在線測定氨態(tài)氮裝置的工作原理進行說明。
[0027 ]裝置中恒電位儀32的高電位端通過鈦絲31與微生物電解池19的陽極電極相連，低電位端通過導(dǎo)線31、電阻30及鈦絲29與微生物電解池19的陰極電極相連，恒電位儀32的直流輸出電壓設(shè)為0.9 V，從而促使在微生物電解池19陽極室中發(fā)生有效的生物電化學(xué)反應(yīng)。
[0028]計算機和控制部分35分別對采樣栗2、蠕動栗7、樣品自動稀釋器9、蠕動栗13、在線脫氣機17、恒溫箱23、蠕動栗26及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)34進行控制。
[0029]待測樣品通過連接管1、采樣栗2、連接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、連接管6、蠕動栗7、連接管8、樣品自動稀釋器9、連接管10進入靜態(tài)混勻器15;同時儲液罐11中的磷酸鹽緩沖液經(jīng)連接管12、蠕動栗13及連接管14也進入靜態(tài)混勻器15;待測樣品和磷酸鹽緩沖液經(jīng)靜態(tài)混勻器15混勻后經(jīng)連接管16、在線脫氣機17及連接管18從微生物電解池19的陽極室的側(cè)底部進入陽極室，流經(jīng)陽極室后通過排液管20從陽極室的側(cè)頂部排出；與此同時，純犯分別通過導(dǎo)氣管21和導(dǎo)氣管22分別進入微生物電解池19的陽極室和陰極室。陽極室里有陽極電極及附著在陽極電極表面能代謝氨態(tài)氮產(chǎn)生電子和質(zhì)子的電活性微生物(微生物催化劑)。
[0030]與此同時，儲液罐24中的磷酸鹽緩沖液通過連接管25、蠕動栗26及連接管27從微生物電解池19的陰極室的側(cè)底部進入陰極室，流經(jīng)陰極室后通過排液管28從陰極室的側(cè)頂部排出。陰極室里有鉑陰極電極。也就是說，待測樣品與磷酸鹽緩沖液經(jīng)脫氧后同時進入微生物電解池19的陽極室，而磷酸鹽緩沖液脫氧后進入微生物電解池19的陰極室。此時，附著在微生物電解池19陽極電極表面的電活性微生物代謝氨態(tài)氮產(chǎn)生電子和質(zhì)子;在恒電位儀32提供的直流外加電壓的作用下，微生物代謝氨態(tài)氮產(chǎn)生的電子傳遞到陽極電極后經(jīng)鈦絲33、恒電位儀32、導(dǎo)線31、電阻30及鈦絲29傳遞到微生物電解池19的陰極電極;微生物代謝氨態(tài)氮產(chǎn)生的質(zhì)子經(jīng)分隔膜從微生物電解池19的陽極室迀移到微生物電解池19陰極室的陰極電極表面附近，并與從陽極電極傳遞過來的電子在陰極電極表面結(jié)合形成氫氣，從而產(chǎn)生電流。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)34采集電阻30兩端的電壓后輸入到計算機和控制部分35。
[0031]微生物電解池主要包括陽極室、陰極室、質(zhì)子交換膜、石墨氈陽極電極、鍍鉑鈦網(wǎng)陰極電極、硅膠密封圈及不銹鋼螺絲(直徑5 mm)固定螺絲。微生物電解池的陽極室和陰極室分別由一塊聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板(60 X 100 X 20 mm)構(gòu)成，每塊板中間雕刻形成一個20 X 60 X 10 mm的空腔，且微生物電解池的陽極室和陰極室之間用質(zhì)子交換膜(30 X 70mm，Naf1n?117，Dupont C0.，USA)隔開。陽極室和陰極室都分別設(shè)有進水管及出水管(直徑3 mm)。陽極室中固定有石墨租陽極電極(20 X 50 X 5 mm , GF series , Electro-synthesis C0., USA)，而陰極室中固定有鍍鈾鈦網(wǎng)陰極電極(18X50X2 mm，表面積約為25 cm2)。石墨氈陽極電極在使用之前先用丙酮浸泡過夜，干燥后用I mol/L的鹽酸浸泡24h，然后再用蒸餾水沖洗至中性后待用。質(zhì)子交換膜在使用之前依次用3%(w/w)的過氧化氫水溶液、I mol/L的硫酸水溶液及蒸餾水煮沸I h，然后置于蒸餾水中待用。鍍鉑鈦網(wǎng)陰極電極使用前用0.5 mol/L的硝酸溶液清洗。先將石墨氈陽極電極和鍍鉑鈦網(wǎng)陰極電極分別固定在陽極室和陰極室內(nèi)，然后依次分別將硅膠密封圈、質(zhì)子交換膜、硅膠密封圈及陰極室置于陽極室上，再用不銹鋼螺絲固定。鍍鉑鈦網(wǎng)陰極電極與石墨氈陽極電極之間通過鈦絲(直徑0.3 mm)與恒電位儀和電阻(10.1 Ω )相連，其中恒電位儀的高電位端與石墨氈陽極電極相連，恒電位儀的低電位端與電阻相連，電阻與陰極電極相連，恒電位儀的直流輸出電壓設(shè)為0.9 V。電阻兩端連接一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(myDAQ，上海恩艾儀器有限公司)，用于測定電阻兩端的電壓。
[0032]2.微生物電解池陽極電極表面電活性厭氧氨氧化微生物的富集
[0033]電活性ΑΝΑΜΜ0Χ菌培養(yǎng)基組成(每IL溶液含):KH2P04 56.7 mg,MgCl2.6H2O 165mg；CaCl2.6H2O 300 mg；NaHCO3 105 mg; NH4HCO3 3.95 g;細菌抑制劑青霉素G 100 yg；微量元素溶液I 0.5 mL;微量元素溶液II 0.5 mL。
[0034]微量元素溶液I組成(g/L):FeS04.7H20 5; EDTA 5。
[0035]微量元素溶液II組成(g/L):EDTA 15； ZnCl2 0.255; CoCl2.6H2O 0.3;MnCl2.4H20 1.238; CuCl2.2H20 0.213; Na2Mo4.2H20 0.304; NiCl2.6H2O 0.238;Na2SeO3 0.067; H3BO3 0.014; Na2WO4.2H20 0.063; ρΗ=7.5?8.0。
[0036]以青島白沙河入?？谔幹谐练e物(沉積物與水體交界面以下5cm的沉積物)和厭氧氨氧化污泥(北京環(huán)境科學(xué)研究院一套運行3年的推流式反應(yīng)器中的厭氧氨氧化污泥)混合物為接種物，接種量為10%(質(zhì)量分數(shù))，電活性ΑΝΑΜΜ0Χ菌培養(yǎng)基為營養(yǎng)液接種微生物電解池19的陽極室富集產(chǎn)電微生物。電活性ΑΝΑΜΜ0Χ菌通過連接管1、采樣栗2、連接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、連接管6、蠕動栗7、連接管8、樣品自動稀釋器9及連接管10以1.8 mL/min的流量進入靜態(tài)混勻器15;與此同時，儲存罐11中磷酸鉀緩沖液(0.5 mol/L,pH=7.0)以0.2 mL/min的流量經(jīng)連接管12、蠕動栗13、連接管14及連接管10進入靜態(tài)混勻器15，并與待測樣品在在靜態(tài)混勻器15中混合后經(jīng)連接管16、在線脫氣機17及連接管18從微生物電解池19的陽極室的側(cè)底部進入陽極室，流經(jīng)陽極室后經(jīng)排液管20排出。純N2分別通過導(dǎo)氣管21和導(dǎo)氣管22以20 mL/min的流量分別進入微生物電解池19的陽極室和陰極室。與此同時，儲液罐24中的磷酸鈉緩沖液(50 mmoI/L，pH=7.0)以0.5 mL/min的流量連續(xù)不斷地經(jīng)連接管25、蠕動栗26及連接管27輸入到微生物電解池19的陰極室。同時每隔5 s用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)34(myDAQ，上海恩艾儀器有限公司)測定電阻30兩端的電壓，并將其保存到計算機和控制部分35。微生物電解池置于35°C的恒溫箱中保持溫度恒定。經(jīng)過3個多月的連續(xù)操作后，電阻30兩端的電壓穩(wěn)定，說明在微生物電解池的陽極電極表面充分富集了電活性厭氧氨氧化微生物，此時微生物電解池可以用來在線測定樣品中的氨態(tài)氮。
[0037]3.待測樣品中氨態(tài)氮測定
[0038]分別配制一系列不同氨態(tài)氮濃度的模擬人工廢水(Img/L、2.5 mg/L、5 mg/L、10mg/L、25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L)，并讓樣品依次通過連接管1、采樣栗2、連接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、連接管6、蠕動栗7、連接管8、樣品自動稀釋器9、連接管10、靜態(tài)混勻器15、連接管16、在線脫氣機17及連接管18，以1.8 mL/min的流量進入微生物電解池19的陽極室；與此同時，儲液罐11中磷酸鉀緩沖液(0.5 mol/L,pH=7.0)以0.2mL/min的流量經(jīng)連接管12、蠕動栗13、連接管14及連接管10進入靜態(tài)混勻器15，并與待測樣品在在靜態(tài)混勻器15中混合后經(jīng)連接管16、在線脫氣機17及連接管18從微生物電解池17的陽極室的側(cè)底部進入陽極室。與此同時，儲液罐24中的磷酸鈉緩沖液(50 mmo I /L，pH=7.0 )以0.5 mL/min的流量連續(xù)不斷地經(jīng)連接管25、蠕動栗26及連接27輸入到微生物電解池19的陰極室。同時每隔5 s用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)34(myDAQ，上海恩艾儀器有限公司)測定電阻30兩端的電壓，并將其保存到計算機和控制部分35。實驗結(jié)果結(jié)果表明氨態(tài)氮濃度與最大電流在I?100 mg/L的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，測定時間小于10 min。
【主權(quán)項】
1.一種氨態(tài)氮在線測定的裝置，其特征在于:包括用于測定氨態(tài)氮的生物傳感器;連接管；液體輸送栗；水力旋流器;樣品自動稀釋器;靜態(tài)混勻器;在線脫氣機;恒電位儀;儲液罐;恒溫箱；電阻;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集生物傳感器的輸出信號;計算機和控制系統(tǒng)，用于控制整個裝置的運行;計算機和控制系統(tǒng)分別和生物傳感器、液體輸送栗、樣品自動稀釋器、在線脫氣機、恒溫箱及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電阻并聯(lián)； 生物傳感器通過連接管與液體輸送栗、水力旋流器、樣品自動稀釋器、靜態(tài)混勻器、在線脫氣機及緩沖液儲液罐連接； 生物傳感器為雙室微生物燃料電池、單室微生物燃料電池、雙室微生物電解池、單室微生物電解池;生物傳感器陽極室中的陽極電極表面附著的功能微生物為電活性厭氧氨氧化菌； 所述功能微生物以水底沉積物、活性污泥及厭氧消化污泥為接種物富集獲得。2.如權(quán)利要求1所述的氨態(tài)氮在線測定的裝置，其特征在于:所述生物傳感器為雙室微生物電解池，包括陽極室和陰極室，陽極室和陰極室之間設(shè)置有分隔膜，所述分隔膜為陰離子交換膜或雙極膜；陽極室和陰極室內(nèi)分別放置陽極電極和陰極電極;所述微生物電解池以惰性鍍鉑導(dǎo)電材料或鉑材料為陰極電極、導(dǎo)電惰性材料為陽極電極；陽極電極和陰極電極間通過鈦絲、導(dǎo)線、恒電位儀及電阻連接;微生物電解池陽極室的陽極電極表面附著有電活性微生物；陽極室通過連接管與液體輸送栗、樣品自動稀釋器、靜態(tài)混勻器、在線脫氣機、儲液罐及采樣栗連接;陰極室通過連接管及液體輸送栗和儲液罐連接。3.如權(quán)利要求1所述的氨態(tài)氮在線測定的裝置，其特征在于:恒電位儀低電位端通過導(dǎo)線與電阻相連，電阻通過鈦絲與陰極電極相連，恒電位儀的高電位端通過鈦絲與陽極電極相連，電阻兩端連接一個用于測定電阻兩端電壓的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。4.如權(quán)利要求1所述的氨態(tài)氮在線測定的裝置，其特征在于:裝置上的所有輸送栗、采樣栗、樣品自動稀釋器、在線脫氣機、恒溫箱及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均和計算機控制系統(tǒng)連接;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電阻并聯(lián)，用于采集電阻兩端的電壓。
【文檔編號】G01N27/416GK205426846SQ201520996434
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年12月5日
【發(fā)明人】蔣海明, 李俠, 張金山, 代靜
【申請人】內(nèi)蒙古科技大學(xué)