你可能没听过这些污水厂新型检测设备

2微生物燃料电池生物传感器

目前，环境友好型的生物电化学系统(BESs)在污水处理和回用中发挥的潜力正日益受到关注，其中最热门的技术便是微生物燃料电池(MFC)。

MFC可利用微生物作为生物催化剂来分解有机物，同时释放出电子和质子，电子通过外电路从阳极传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原。MFC可将废水中的污染物转变为能量，从而减小活性污泥法等生物化学工艺所需的能耗，是一种非常具有应用前景的技术。

MFC生物传感器(biosensor)则是一种利用MFC产生的弱电来方便而可持续地对水体环境中的目标污染物进行原位或在线监测的技术。

MFC产生的电流同阳极生物膜上发生的具有电活性的代谢活动直接相关，其间电子可通过直接传递(纳米线或直接接触)或间接传递(中间介质或胞外基质)从生物膜传递到阳极表面，而温度、pH、电导率等操作条件都会对电流稳定性产生影响。

MFC生物传感器的工作原理正是基于将阳极生物膜作为识别元件，其可对电子从生物膜传递到阳极时发生的流量变化作出响应，将其转化为可测的信号强度，从而监测水体中有机物的含量水平。MFC生物传感器产生的电流使得其可在无能源供给的偏远地区进行水质监测，是一种理想的可持续性监测装置。

通常采用天然的混合微生物菌种可以提高MFC生物传感器检测的效率和稳定性。当前研究已有的几种不同的微生物燃料电池(MFC)生物传感器装置如图3所示。

A—硅基MFC生物传感器;B—叠层3D打印微型MFC生物传感器;C—阳极流入式MFC生物传感器;D—四阳极室-共阴极MFC生物传感器;E—单室型MFC生物传感器;F—双感应元MFC生物传感器

图3 不同的微生物燃料电池(MFC)生物传感器装置

当MFC装置用于产电时，其研究重点主要为如何提高电池效率和电能输出;而当MFC作为生物传感器应用时，其研究重点主要为如何提高对目标物的检测灵敏度，定义如式(1)所示：

因此，MFC生物传感器的检测灵敏度和目标检测物单位浓度变化引起的电流变化以及阳极表面积的大小相关。另外，MFC生物传感器还应具备以下特性：能产生平稳恒定的电流输出(基线);无论温度、pH、电导率等水样条件如何波动，电输出需具备重现性;响应时间(即电流达到稳定状态的95%所需的时间)需足够短;对于干扰，需能在足够快的时间内恢复到基线状态。

Yang等采用阳极碳和活性污泥开发了一套单室型MFC生物感应器作为BOD实时监测系统，装置在运行132 min后仍具备稳定性，当用于检测合成污水的BOD时，其输出信号强度随着BOD浓度的升高而呈比例地加强，当BOD超过120 mg/L时，其输出信号仍保持稳定。

Liu等采用单室型MFC生物感应器来在线监测污水中的污染物，结果表明，该感应器检测毒性污染物和非毒性污染物时呈现的电压变化显著不同，其中具有生物毒性的Cr6+在低浓度时即可使电压显著下降，无毒的NO3-对电压无明显影响，而醋酸钠作为一种理想的外加碳源能加强微生物的代谢，使得电压信号显著上升;感应器在运行65 h后仍能保持工作效率。此外，MFC生物传感器还被用于监测DO、病原菌、挥发性脂肪酸(VFA)等水质指标。

尽管由于简单紧凑的结构和低廉的成本，MFC生物传感器近年来在水厂和污水厂的水质监测和控制中得到了一定应用，但其进一步推广和普及仍存在一定的挑战，包括对污染物的选择性较低、检出限较高、准确度较低、微生物易被其他菌株污染、对极端环境的耐受性较差、不能长期监测、对污染物的响应存在时间滞后等。今后的研究重点主要在高效且低价的电极和膜材料的开发、新型微生物菌株的分离等方面。

3图像分析技术在絮体检测和絮凝剂控制中的应用

在污水处理工艺中，图像分析技术在判断絮凝过程中絮体的大小、碎片维度、强度和破碎程度方面具备一定优势，然而受准确度、操作可行性和软硬件的限制，该技术目前仅在实验室范围内试验成功。Sivchenko等基于一种图像纹理分析技术(texture image analysis)——灰度共生矩阵(grey level co-occurrence matrix，GLCM)，设计了一种新型的絮体检测器，并在挪威一座污水处理厂对其性能进行测试。

该装置位于二沉池上方，主要由蠕动泵、图像采集室、LED灯源、相机模块、显示屏及Raspberry Pi单板计算机等部件构成，其结构如图4所示，其中图像采集室实物如图5所示，单板计算机可用来控制和改变相机参数。

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