Research advances on BOD sensor based on microbial electrochemical technology

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0097

Abstract

Abstract:

Biochemical oxygen demand （BOD） is an important indicator to determine the degree of pollution of water and guide the design of wastewater treatment processes. In recent years，the development of BOD sensors based on microbial electrochemical technology has become a promising method for the rapid and accurate determination of BOD. This review summarized the working components and principles of microbial electrochemical BOD sensors，and compared different types of microbial electrochemical BOD sensors. On this basis，the development history，sensing principle，reactor configuration and product application of microbial fuel cell（MFC）-type BOD sensors are analyzed. Further，the development opportunities of MFC-type BOD sensors brought by various emerging technologies were discussed，and the insight of commercialization was proposed. Finally，the development of electrochemical BOD microbial sensors was summarized and prospected，laying the foundation for the development of fast and efficient microbial electrochemical BOD sensor technology，and promoting the innovative development of water ecology and environment monitoring technology.

Key words: biochemical oxygen demand, microbial sensors, microbial fuel cells, microbial electrochemical technology

摘要：

生化需氧量（BOD）是判断水体受污染程度、指导污水处理工艺设计的重要指标。近年来基于微生物电化学技术开发的BOD传感器因能快速、准确地测定BOD而成为极具应用前景的方法。总结了微生物电化学BOD传感器的工作元件及其原理，并对不同类型的微生物电化学BOD传感器进行了对比；在此基础上重点分析了微生物燃料电池（MFC）型BOD传感器的发展历程、传感原理、反应器构型以及产品化应用；进一步讨论了各种新兴技术给MFC型BOD传感器带来的发展契机，提出了将其商品化的发展见解；最后对微生物电化学BOD传感器的发展进行了总结与展望，以期为开发快速高效的微生物电化学BOD传感器技术奠定基础，为推动水生态环境监测技术的创新发展提供思路。

关键词: 生化需氧量, 微生物传感器, 微生物燃料电池, 微生物电化学技术

CLC Number:

X703.1

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类型	微生物类型	响应时间/min	动态响应范围/（mg·L^-1）	参考文献
氧电极型	酵母	—	10~50	〔25〕
氧电极型	酵母	—	1~45	〔26〕
氧电极型	丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）	3~5	5~100	〔27〕
氧电极型	恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）	13~17	0.5~10	〔28〕
介质型	酵母	—	2~100（谷氨酸）	〔29〕
光纤型	费氏弧菌（Vibrio fischeri）	—	3~200	〔30〕
光纤型	地衣芽孢杆菌（B. licheniformis），马氏芽孢杆菌（D. maris和M. marinus）	3.2	0.2~40	〔31〕
光纤型	海水提取的混菌体系	27~32	4~200	〔32〕
光纤型	荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）	—	14~176	〔33〕

类型	微生物类型	响应时间/min	动态响应范围/（mg·L^-1）	参考文献
氧电极型	酵母	—	10~50	〔25〕
氧电极型	酵母	—	1~45	〔26〕
氧电极型	丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）	3~5	5~100	〔27〕
氧电极型	恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）	13~17	0.5~10	〔28〕
介质型	酵母	—	2~100（谷氨酸）	〔29〕
光纤型	费氏弧菌（Vibrio fischeri）	—	3~200	〔30〕
光纤型	地衣芽孢杆菌（B. licheniformis），马氏芽孢杆菌（D. maris和M. marinus）	3.2	0.2~40	〔31〕
光纤型	海水提取的混菌体系	27~32	4~200	〔32〕
光纤型	荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）	—	14~176	〔33〕

类型	微生物类型	检测范围/（mg·L^-1）	阳极材料	阴极材料	质子交换膜	运行模式	主要工况条件	参考文献
MEC型	污水中的混合微生物	0~130	石墨纤维刷	不锈钢编织网	—	—	22.1 ℃，pH≈7.2	〔42〕
MEC型	S. loihica PV-4	0~435	碳布	铂	—	3 mL/min连续流	22 ℃	〔40〕
MEC型	海水原位培养的微生物	1.0~8.0	溶解氧探针	溶解氧探针	—	3.5 mL/min连续流	37 ℃	〔41〕
MFC型	污水中的混合微生物	100~300	碳毡	碳纤维刷	Nafion 117	0.3~1 mL/min连续流	25~33 ℃	〔43〕
MFC型	污水中的混合微生物	10~50	碳毡	碳毡	Nafion 117	20 mL /min连续流	—	〔44〕
MFC型	污水中的混合微生物	0~350	碳布	碳纸	Nafion 117	0.12~1.5 mL/min连续流	小体积单室MFC，19~23 ℃	〔45〕
MFC型	运行1 a并正常产电的MFC阳极液	5~50	碳毡	负载MnO₂的碳布	以阳离子交换膜替代	序批式	30 ℃	〔46〕

类型	微生物类型	检测范围/（mg·L^-1）	阳极材料	阴极材料	质子交换膜	运行模式	主要工况条件	参考文献
MEC型	污水中的混合微生物	0~130	石墨纤维刷	不锈钢编织网	—	—	22.1 ℃，pH≈7.2	〔42〕
MEC型	S. loihica PV-4	0~435	碳布	铂	—	3 mL/min连续流	22 ℃	〔40〕
MEC型	海水原位培养的微生物	1.0~8.0	溶解氧探针	溶解氧探针	—	3.5 mL/min连续流	37 ℃	〔41〕
MFC型	污水中的混合微生物	100~300	碳毡	碳纤维刷	Nafion 117	0.3~1 mL/min连续流	25~33 ℃	〔43〕
MFC型	污水中的混合微生物	10~50	碳毡	碳毡	Nafion 117	20 mL /min连续流	—	〔44〕
MFC型	污水中的混合微生物	0~350	碳布	碳纸	Nafion 117	0.12~1.5 mL/min连续流	小体积单室MFC，19~23 ℃	〔45〕
MFC型	运行1 a并正常产电的MFC阳极液	5~50	碳毡	负载MnO₂的碳布	以阳离子交换膜替代	序批式	30 ℃	〔46〕

[1]	Pan Chaozhi, Niu Dongjie, Huang Hui, Mohammed Awad Ali Yousif. Progress in research of microbial fuel cells and its outlook [J]. INDUSTRIAL WATER TREATMENT, 2010, 30(12): 15-20.
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