本申請是國際申請日為2012年06月14日、申請?zhí)枮?01280034071.2(PCT/US2012/042501)、發(fā)明名稱為“生物需氧量傳感器”的分案申請。

本申請要求2011年6月14日提交的美國臨時申請?zhí)?1/496,608的權(quán)益，所述臨時申請以引用的方式整體并入本文。

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物需氧量(BOD)傳感器。BOD傳感器可以用于(例如)監(jiān)測水中有機污染物。

背景

生物需氧量(BOD)是流體(通常是水)中需氧生物有機體所需用以分解存在的有機物質(zhì)的溶解氧量。BOD通常被表示為給定流體樣本在給定溫度下、在給定時間段上所需要的氧量。由于BOD涉及生物活性，因此所引用的BOD值并非很精確，但它給出了對流體中有機質(zhì)含量的良好指示。

BOD測量最常用于監(jiān)測水的有機質(zhì)含量，例如，廢水、工業(yè)過程水、農(nóng)業(yè)過程水、農(nóng)業(yè)徑流、地表水的有機質(zhì)含量。盡管水中的有機物可能來自多種“天然”來源，例如，水生植物或者落葉，但是水中的有機物最經(jīng)常源自動物糞便或使用化學品的工業(yè)過程中的污染。有機污染還可以包括(例如)食品加工廢料、碳氫化合物、個人護理產(chǎn)品或殺蟲劑。因此，測量水的BOD給出水清潔度和其可飲用性的一般含義。如揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的一些有機化合物僅與動物糞便相關(guān)聯(lián)并且發(fā)出可能存在危險微生物(例如，霍亂)的信號。要求定期監(jiān)測水質(zhì)的大多數(shù)機構(gòu)會測量BOD以及懸浮固體和氨含量。

用于在廢水處理過程和工業(yè)中監(jiān)測BOD的當前實踐要求BOD₅測試，其以獲得結(jié)果所需的五天而命名。由于它的實施需要五天，因此在采集樣本與獲取BOD測量結(jié)果之間存在顯著延遲，從而使得不可能進行實時監(jiān)測。另外，BOD₅測試的準確度可疑并且具有非再現(xiàn)性，同時耗時耗力。參見DiLorenzo等，Water Research，43(2009)3145-3154，其以引用方式整體并入本文。

因此，人們極大地關(guān)注用于BOD監(jiān)測的改進的實時傳感器。這些傳感器將通過允許開發(fā)條件進行更快速的調(diào)整、同時降低成本來大大益于綜合水管理方法。理想的傳感器是廉價、穩(wěn)健、準確的，并且具有傳感器所有效的大范圍的樣本濃度。

概述

本發(fā)明提供改進的BOD傳感器，所述BOD傳感器尤其適用于監(jiān)測工藝廢水、工業(yè)過程水以及農(nóng)業(yè)過程水的質(zhì)量。本發(fā)明包括：傳感器；包括所述傳感器的系統(tǒng)；使用所述傳感器來測量BOD的方法；以及與本發(fā)明的所述系統(tǒng)一起使用的稀釋液。所述傳感器優(yōu)于先前BOD傳感器之處在于它們廉價、穩(wěn)健、對BOD變化響應迅速并且能夠檢測大范圍的BOD。

本發(fā)明包括生物需氧量(BOD)傳感器，其并有至少三個工作電極、至少一個反電極、稀釋液儲槽以及用于測量從所述工作電極流至所述反電極的電流或電壓的傳感器。所述BOD傳感器通常也將包括至少一種安置在所述工作電極附近的電活性微生物。本發(fā)明的BOD傳感器可以另外包括接收將監(jiān)測BOD的樣本的混合腔室，其中所述樣本經(jīng)過稀釋以制成至少三個不同稀釋物，測量所有所述至少三個不同稀釋物的BOD。通過對至少三個樣本測量BOD，可能快速確定BOD值，同時仍然保持測量大范圍的BOD值的能力。在本發(fā)明的一些實施方案中，電壓來源可操作地連接在所述工作電極與所述反電極之間。

本發(fā)明包括用于確定樣本生物需氧量(BOD)的方法，所述方法包括：用稀釋液稀釋所述樣本以獲得所述樣本的至少三個不同稀釋物；使用生物電化系統(tǒng)(BES)測量所述至少三個不同稀釋物的每個的BOD以獲得至少三個BOD值；以及比較所述至少三個BOD值以確定所述樣本的BOD。測量程序通常將使來自BES的電流或電壓測量結(jié)果與BOD值相關(guān)聯(lián)，例如，通過參照BES的校準曲線進行所述關(guān)聯(lián)。在一個實施方案中，所述方法在1小時內(nèi)完成。

本發(fā)明包括用于測定目標有機化合物的存在的另一類型的傳感器。這種傳感器包括：第一電極和第二電極；可操作地連接至所述第一電極和第二電極上的電壓來源；可操作地連接至所述第一電極和第二電極并能測量所述第一電極與第二電極之間的電流的電流傳感器；以及產(chǎn)電細菌的培養(yǎng)物，其代謝式使用有機物質(zhì)作為電子供體的能力大致上限于目標有機化合物。在一個實施方案中，這種傳感器另外包括用于所述第一電極和第二電極的殼體，其中所述殼體限制所述第一電 極或所述第二電極附近的有氧代謝。所述傳感器可使用如硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)的產(chǎn)電細菌。這種傳感器將極適用于測量如在城市廢水和厭氧消化器中所見的揮發(fā)性脂肪酸。

本發(fā)明另外包括使用一個或多個電極對的生物電化系統(tǒng)(BES)，所述生物電化系統(tǒng)能實時感測并且監(jiān)測BOD，包括VFA和其它復雜有機物。所述系統(tǒng)可將單電極對用作傳感器來操作，或者將多電極對用作傳感器陣列來操作。在使用多個BES的情況下，它們可以能夠使用通常用緩沖過的稀釋液制備的一系列稀釋物來鑒別實現(xiàn)亞飽和條件的最小稀釋度。這種方法使傳感器響應時間最少，因為它使用了瞬時電流作為信號。這種方法還會避免pH值和鹽度問題，因為樣本經(jīng)過緩沖。此外，所述一系列稀釋物確保至少一個傳感器在大多數(shù)情況下不飽和并且所述傳感器將無需校準即在較長周期內(nèi)具有較大的準確度。

本發(fā)明還包括一種用于測量流體需氧量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：生物電化系統(tǒng)(BES)；連接至樣本的稀釋溶液混合系統(tǒng)；可操作地連接至所述BES的電流或電壓傳感器；以及控制電子器件，其可操作地連接至所述電流或電壓傳感器和緩沖液注射系統(tǒng)上，并且能從所述電流或電壓傳感器接收測量結(jié)果并使所述緩沖液混合系統(tǒng)以緩沖液接觸所述樣本。

附圖簡述

圖1描繪示例微生物燃料電池。

圖2是本發(fā)明的生物需氧量傳感器的一個實施方案的示意圖。

圖3A描繪用于BOD傳感器的生物電化系統(tǒng)的一個實施方案。

圖3B描繪用于BOD傳感器的生物電化系統(tǒng)的一個實施方案。

圖4A描繪用于VFA傳感器的生物電化系統(tǒng)的一個實施方案。

圖4B描繪用于VFA傳感器的生物電化系統(tǒng)的一個實施方案。

圖5示出用于確定BOD傳感器的有效操作范圍的稀釋曲線。

圖6示出BOD與BOD傳感器的電流之間的關(guān)聯(lián)。

詳述

本發(fā)明提供用于測量流體(例如，水)的生物需氧量(BOD)的傳感器、系統(tǒng)以及方法。所述傳感器是迅速、廉價、穩(wěn)健的并對測量樣本中的BOD而言具有大動態(tài)范圍。所述傳感器將允許針對包括廢水處理、工業(yè)過程水處理、農(nóng)業(yè)過程水 處理和地表水監(jiān)測的多種應用進行實時BOD測量。

生物電化系統(tǒng)(BES)

本發(fā)明的BOD傳感器基于如微生物燃料電池的生物電化系統(tǒng)(BES)。BES是一種新型裝置，其使用電活性微生物(通?？苫Q地稱作光電分子、產(chǎn)電微生物(electrogen)或產(chǎn)電菌群(exoelectrogen))以在燃料電池(陽極、陰極、可穿透的屏障)或準燃料電池(兩個電極)、架構(gòu)中產(chǎn)電。通常，電活性微生物需要營養(yǎng)素或基質(zhì)(例如，化學物種)來完成某些代謝過程。在這種代謝過程中，電活性微生物將會將電子供至電路的電極或從電路接收電子，從而使電路內(nèi)的電位或電流發(fā)生可測量的變化。由于BES可以將各種范圍的有機物用作營養(yǎng)素，因此BES輸出將會隨著BOD加載率以及有機營養(yǎng)素的類型而變化。

本發(fā)明提供多個BES布置，所述多個BES布置能夠檢測并且測量包括VFA的總BOD或僅測量VFA，其通過測定電化學活性微生物群落的代謝活動所產(chǎn)生的電流來實現(xiàn)。通常，在存在充當催化劑的光電分子時，有機材料在一個電極(例如，陽極)處氧化。在這種布置中，電子從陽極流至第二電極(例如，陰極)，從而產(chǎn)生電流。所述電流可以直接測量，或它可以通過電阻測量為電位。

已經(jīng)使用微生物燃料電池(MFC)、即一種類型的BES來報道生物需氧量(BOD)的濃度。示例微生物燃料電池(MFC)在圖1中示出。MFC包括：兩個電極，即陽極和陰極；電活性微生物；選擇性膜，例如，質(zhì)子可穿透膜；以及連接陽極和陰極的電路。在MFC的陽極側(cè)，微生物使用水來進行有機物質(zhì)代謝以產(chǎn)生二氧化碳和質(zhì)子。在這個過程中，產(chǎn)生電子(e^-)，所述電子被供至電極(例如，陽極)。如圖1所示，所供給的電子可以通過電路行進到達另一電極(例如，陰極)，其中將電子供至氧以產(chǎn)生水。然而，如在本領(lǐng)域中已知，可得使用多種物種的許多陰極布置。陰極例如可以暴露于空氣中。如圖1所示，質(zhì)子可以行進通過半穿透膜以與流過電路的電子一起平衡電荷。

如圖1所示，由于存在由微生物代謝的營養(yǎng)素(或基質(zhì))，因此MFC可以產(chǎn)生電流。令人驚訝的是，由于代謝，因此多種微生物都能將電子供至電極。營養(yǎng)素可以是有機化合物(糖、碳水化合物、小的有機酸)或硝酸鹽，或者更外來的物質(zhì)。在下文中更詳細地討論特定微生物。在圖1所示的示例MFC中，當存在有機物質(zhì)、并且條件正確時，電極之間產(chǎn)生電流。然而，通過在MFC暴露于具有不同水平的所需營養(yǎng)素的不同流體培養(yǎng)基時測量電流或電位，可以利用相同代謝過程來產(chǎn)生傳感器?；蛘撸梢杂猛獠侩娫?未示出)和監(jiān)測以確定代謝活動何時 發(fā)生并因此與營養(yǎng)素的存在相關(guān)聯(lián)的電位偏置圖1所示的電池布置。在一些實施方案中，無需選擇性膜就可執(zhí)行感測。

使用圖1中公開的MFC在實際應用上存在多個挑戰(zhàn)。確切地說，對于在線工業(yè)應用，MFC傳感器具有以下問題：(1)無法提供短的響應時間和大的動態(tài)范圍兩者；(2)低再現(xiàn)性和穩(wěn)定性；以及(3)所測量的BOD隨著有機質(zhì)組成而有大的變化。參見Kim等，Biotechnology Letters，25(2003)541-545，其以引用方式整體并入本文。

所公開的本發(fā)明已經(jīng)大致上解決了上文所指出的問題。也就是說，本發(fā)明的傳感器、系統(tǒng)和方法提供一種具有迅速響應和大的動態(tài)范圍的BOD傳感器，其中值是可再現(xiàn)的并穩(wěn)定的。如圖2中所公開，本發(fā)明是通過提供多個并聯(lián)BES傳感器來解決響應時間和動態(tài)范圍的問題，所述多個并聯(lián)BES傳感器各自監(jiān)測樣本的分別稀釋過的流的BOD。

圖2呈現(xiàn)本發(fā)明的一個實施方案，然而，組件的替代性布置(例如，電池數(shù)量、電測量類型)將對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見。如圖2所示，傳感器系統(tǒng)包括多個BES電池、緩沖液槽(稀釋液儲槽)、泵(例如，蠕動泵)、電阻箱和萬用表或能測量電壓和/或電流的其它傳感器。在一個實施方案中，每個BES電池大致上相同。在測量期間，每個電池接收一些量的樣本，并且在每個電池中測量電流或電壓以確定BOD值。在一些實施方案中，一個電池將接收未稀釋的樣本，而其余電池將接收可替代地稀釋過的樣本?？扇缦轮苽湎♂屛铮菏瓜♂屢?緩沖液)以恒定速率連續(xù)地流入每個電池中并且計量樣本的量以產(chǎn)生樣本的替代濃度?；蛘?，稀釋物可通過將不同量的稀釋液與相同量的樣本混合(接觸)來產(chǎn)生?；蛘?，可以連續(xù)稀釋第一稀釋物以產(chǎn)生一系列稀釋過的樣本。

稀釋液可以是與微生物和電極都相容的任何流體。稀釋液將優(yōu)選地具有比樣本(例如，由具有足夠高鹽度的緩沖鹽溶液組成的稀釋液)大的離子強度(導電性)。稀釋液通常將用弱酸或弱堿緩沖并且含有合適反離子以在樣本性質(zhì)波動時維持緩沖條件。在一個實施方案中，稀釋液的導電性是至少約20毫西門子，例如，至少約50毫西門子，例如，至少約100毫西門子，例如，至少約200毫西門子，例如，至少約500毫西門子。稀釋液還可含有保持微生物最佳地起作用所需的營養(yǎng)素，例如，糖、氨基酸、電解質(zhì)、氮源、磷源、硫源。

由本發(fā)明的系統(tǒng)分析的樣本可以來自如在背景部分中概述的多個過程中的任何過程。另外，整個樣本可以在其引入本發(fā)明的系統(tǒng)之前進行稀釋，在所述系 統(tǒng)中，它將經(jīng)受進一步的稀釋。盡管圖2公開了泵，但是另外可能的是，泵由操作人員的行動所替代，所述操作人員制備樣本的獨立稀釋物并將樣本引入多個電池，從而確定BOD。

如在下文更詳細地討論，每個BES電池將在操作之前進行校準，以使給定電流或電壓可與給定BOD水平相關(guān)聯(lián)。BES響應可以通過更改電池大小/形狀、電極大小/形狀、流動速率或電池的微生物密度而進行修改。因此，可能調(diào)整每個BES電池以實現(xiàn)電流(或電位)可與BOD水平相關(guān)聯(lián)的有益線性范圍。另外，由于針對給定BOD水平來調(diào)整每個電池以實現(xiàn)更好性能，因此系統(tǒng)的動態(tài)范圍可以通過包括并聯(lián)操作的具有不同性質(zhì)的多個電池來變大。由于每個電池將以線性模式操作，因此響應性將也是高的。也就是說，BOD水平的變化將快速導致至少一個BES的所測量的電流(或電位)的變化，從而允許快速識別BOD的變化。因此，傳感器將允許實時監(jiān)測BOD。

盡管未在圖2中示出，但是本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括將從萬用表接收例如每個BES電池的值的處理器。處理器將來自萬用表的值與之前對每個BES電池測量的BOD與電流/電位之間的相關(guān)性進行比較，并且對BOD值賦值。在一個實施方案中，處理器可簡單地將計算出的BOD值輸出至例如顯示器。在一個實施方案中，處理器將確定所測量的電流/電位是否在線性范圍外(例如，低于測量閾值或者飽和)并輸出所述電池的空值(例如，NV、Err、N/A等)。在一個實施方案中，處理器將僅輸出所具有的電流/電位測量結(jié)果在線性范圍內(nèi)的一個或多個電池的BOD值。在一個實施方案中，處理器將對所具有的電流/電位測量結(jié)果在線性范圍內(nèi)的一個或多個電池的測量值求平均值，并且隨后將平均值輸出。處理器還可以使用一個或多個電池的變化速率信息來確定BOD水平已經(jīng)發(fā)生變化，并且因此重新開始測量算法。

盡管圖2中顯示的是萬用表，但技術(shù)人員將能夠使用多個電流或電位(例如，電壓)傳感器中的任何傳感器來測量BES電池電性質(zhì)的變化。例如，傳感器可包括電壓計、電流計、靜電計、電阻計或電位計。也構(gòu)想出測量電流或電位的非傳統(tǒng)的方法，例如，測量響應于電流增大的電阻系統(tǒng)的溫度變化，或者測量從系統(tǒng)接收電流的LED亮度。

在圖2所示的實施方案中，傳感器陣列系統(tǒng)含有五個相同電池。各個電池共享公共緩沖溶液供應槽，但含有它自己的陽極和陰極腔室。電流與每個電池的BOD的線性關(guān)系將在五個電池并聯(lián)工作之前證實并且確認。每個電池的供料將 為具有固定流動速率的緩沖溶液與具有不同流動速率的樣本的混合物以制成各種稀釋物。緩沖溶液與樣本的混合物將被連續(xù)泵送至每個電池中。泵送至每個電池中的樣本量將由流動速率控制，控制方式為使每個電池將含有由預定量的緩沖液稀釋的樣本。例如，在五電極對系統(tǒng)中，用于電池1、2、3、4、5的流動速率的比可為1:0.5:0.25:0.125:0.075，因此可將樣本分別稀釋至1、2、4、8、16倍。連續(xù)稀釋的益處是可以鑒別最小稀釋比率以提高準確度。

盡管圖2示出了具有它們自己的電極的獨立電池，但預期可使用替代性電極布置。例如，兩個或更多個BES電池可以共享公共電極，例如公共陰極。電極可由多種材料(金屬、塑料等)中的任何材料構(gòu)造。在一些實施方案中，陽極包括碳纖維、例如碳絲，并且陰極包括不銹鋼、例如不銹鋼絲線。電極能以任何形狀制成，例如、箔形、桿形、方形、鈕形等。在一個實施方案中，電極是由網(wǎng)狀材料(例如，開孔網(wǎng)(篩狀)材料)制成，從而允許流體通過電極。

圖3A和圖3B中示出BES電池的特定設計。圖3A和圖3B兩者都包括具有內(nèi)部陽極的流電池室。樣本或稀釋過的樣本將會流入一個端口并從另一端口流出。如圖3A和圖3B所示，陽極將由碳纖維網(wǎng)構(gòu)造。圖3A中的電池使用空氣陰極，而圖3B中的電池具有流電池陽極和陰極，這與傳統(tǒng)微生物燃料電池設計類似。在圖3A和圖3B兩者中，半穿透膜存在于陽極與陰極之間，然而，在圖3A中，膜在外部(暴露于空氣中)，而圖3B中，膜在內(nèi)部并且介于兩個流電池之間。圖3B中的電池可以用含氧流體(例如，含氧水)進行操作，或可通過例如用泵、壓縮空氣或者一側(cè)的弱真空使空氣通過電池而將其用作空氣陰極。

施加電流

在本發(fā)明的一方面，將電流施加于系統(tǒng)。另一方面，沒有將電流未施加于系統(tǒng)。優(yōu)選施加電位為約0.8V。系統(tǒng)可由單電極對或并聯(lián)操作的多電極對陣列組成。當將電流施加至系統(tǒng)時，能在缺氧環(huán)境中較有效地操作。在氧存在量最小化時，目標物質(zhì)氧化、尤其是BOD中所用的電子將會存放在電極上。這可改進所產(chǎn)生的信號的準確度。類似原理適用其它可能具有競爭性的電子受體(如硝酸鹽)，并且因此，它們各別濃度的最小化將會改進信號的響應性。例如，在進入傳感器前的脫氮和/或氮化步驟可以是有利的。

在一個實施方案中，本發(fā)明包括兩個生物電極，在所述電極之間施加有電壓(從而形成了陽極和陰極)。并不需要膜來將電極對分開。在固定的施加電壓下，系統(tǒng)中的電流將會隨著溶液中的復合有機化合物(如VFA)的濃度而變化。在這個 實施方案中，陽極將氧化醋酸鹽和揮發(fā)性脂肪酸(VFA)。陰極可以將如CO₂的其它物質(zhì)還原成甲烷。

在圖4A和圖4B中示出用作VFA傳感器的BES電池的示例實施方案(例如沒有膜)。電池可為兩個大致并聯(lián)的電極(圖4B)，或者電池可以包括管道，所述電極安置在所述管道內(nèi)(圖4A)。當布置在流管末端時，圖4A中描繪的電池提供以下附加益處：大致上允許所有氧都在到達電極之前耗盡。因此，提供缺氧環(huán)境，其中較大比例的在有機物的代謝氧化期間所形成的電子將存放到電極。

在第二實施方案中，可以使用控制陰極，從而僅將生物陽極留作為活性劑。如果耗盡，那么可再次填充或者替換這個控制陰極。

細菌

可將大量電活性微生物并入BSE中以實現(xiàn)所需的響應和敏感性。一般來說，電活性微生物是選自下屬的物種：芽孢桿菌屬(Bacillus)、地桿菌屬(Geobacter)、希瓦氏菌屬(Shewanella)、梭狀菌屬(Clostridia)、假單細胞菌屬(Pseudomonas)、脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)、脫硫單胞菌屬(Desulfuromonas)、脫硫球莖菌屬(Desulfobulbus)、紅育菌屬(Rhodoferax)或埃希氏菌屬(Escherichia)。微生物物種的組合也可用于本發(fā)明的系統(tǒng)、傳感器和方法。通過選擇電活性微生物的所需特性或者鼓勵自然選擇優(yōu)勢微生物，可以開發(fā)對某些化學物質(zhì)(例如，VFA)特定的BES。另外，最適于如有機化合物的水解、發(fā)酵或者氧化的某些過程條件的微生物可以用于棲息于BES中。因此，穩(wěn)健的化學傳感器將會具有各種微生物，它們各自在代謝特定化合物或化合物集中起到作用。例如，已經(jīng)示出硫還原地桿菌對VFA進行活性代謝，尤其是在可接收過程中產(chǎn)生的電子的金屬的存在下。

本發(fā)明涵蓋在一個或多個電池中具有電活性微生物的混合培養(yǎng)物或具有多個電池，其中每個電池具有獨立或不同的微生物群落的BES。可以使用具有電池陣列(各自具有獨立微生物群落)的傳感器，例如以對樣本執(zhí)行多重分析，例如同時測量BOD和其它物質(zhì)(例如，硝酸鹽)，或以分別測量BOD和它的組分部分，例如VFA和碳氫化合物。

控制特定性

為了檢測并監(jiān)測VFA和其它特定有機物，本發(fā)明可使用以其受限的代謝多樣性為特征的產(chǎn)電微生物群落的純培養(yǎng)物或大致上純培養(yǎng)物。在過程條件取決于特定副產(chǎn)品的產(chǎn)生的情況下或在用戶有義務來報道超過BOD測量結(jié)果的物質(zhì)水平的情況下，這些控制器將是有用的。受限的代謝多樣性使得產(chǎn)電菌群能夠僅使 用目標用作電子供體的物質(zhì)。優(yōu)選的微生物群落將能僅使用醋酸鹽或氫作為電子供體，如硫還原地桿菌分離菌。硫還原地桿菌的代謝不靈活性類似于通常使用醋酸鹽或氫作為電子供體并使用二氧化碳作為碳源的其它產(chǎn)甲烷的微生物物種的代謝不靈活性。因此，硫還原地桿菌可以成為用于特定物質(zhì)(例如，VFA)的傳感器的基礎(chǔ)，如在下文所討論。當然，還可使用其它物種或混合產(chǎn)電群落來開發(fā)系統(tǒng)，所述其它物種或混合產(chǎn)電群落已經(jīng)最優(yōu)化以使每個組分物種的代謝特征指示廢料流中存在的揮發(fā)性脂肪酸的相對濃度。

采用如硫還原地桿菌的特定微生物群落的傳感器可以得到校準并且用于控制特定過程，例如，厭氧消化器。信號可與厭氧消化活動模擬模型進行比較。這個模型可以包括隨著各種參數(shù)(例如，溫度、pH值、鹽度)而變化的預期VFA濃度以及特定失效模式兩者。生物電化信號還可用于過程控制系統(tǒng)，從而最優(yōu)化系統(tǒng)性能并在早期階段突顯潛在的系統(tǒng)不平衡性。醋酸和另外VFA的高濃度或低濃度(指示系統(tǒng)不平衡性)將會快速檢測出來，并且將會調(diào)整系統(tǒng)控制器以消除反應器不穩(wěn)定性的威脅。生物電化系統(tǒng)可以部署在流入物/流出物端口處以及整個厭氧反應器自身的內(nèi)部。每個傳感器產(chǎn)生的信號還可用于預測最佳系統(tǒng)參數(shù)，包括消化器的水力停留時間、化學需氧量加載率、溫度或pH值。

BOD的校準和測量

無論BOD檢測系統(tǒng)的布置或用于棲息于傳感器中的細菌的培養(yǎng)物如何，電池都將必須在成為BOD傳感器的基礎(chǔ)之前進行校準或以其它方式表征。如圖5和圖6所示，將測量電池所產(chǎn)生的電流并將其與在所述電池的稀釋水平下以各種BOD水平產(chǎn)生的電流的已知值進行比較。首先，如圖5所示，將確定用于所述電池的準確BOD分析的最小稀釋比率。換句話說，在小于最小稀釋比率的稀釋比率下，電池可以飽和，并且相應電流測量結(jié)果的精確度小于線性區(qū)域中的例如在大于最小稀釋比率的稀釋度下的電流測量結(jié)果。

確定最小稀釋比率之后，可以如下校準電池：將電池暴露于多個標準化BOD樣本并測量電流以構(gòu)建相關(guān)性，例如，如圖6所示。盡管圖6將BOD與電流相關(guān)聯(lián)，但也可能將BOD與例如具有已知值的電阻上的電位相關(guān)聯(lián)。圖6所示的相關(guān)性可以被編程到用于本發(fā)明的系統(tǒng)的處理器中，或者操作人員可以使用相關(guān)性解釋來自萬用表測量結(jié)果的BOD值。相關(guān)性系可表現(xiàn)為數(shù)學相關(guān)性，或可將它準備在“查閱”表中，在所述表中，假定點間的值在校準點間的值之間是近似線性的。

在對每個電池校準對應電流等的BOD值之后，可將電池并入本發(fā)明的系統(tǒng)中。由于可將每個電池容易地鑒別為在它的關(guān)聯(lián)(線性)范圍中、或飽和、或低于閾值操作，因此，可以快速并準確地收集有意義的測量結(jié)果，所述測量結(jié)果對應于至少一個在它的關(guān)聯(lián)范圍中操作的傳感器。這將允許更寬范圍的BOD值，所述BOD值可以得到準確測量并將允許對于測量的更迅速的響應時間。

以引用的方式并入

本公開中已經(jīng)參考并且引用如專利、專利申請、專利公開、期刊、書籍、論文、網(wǎng)絡內(nèi)容的其它文獻。出于所有目的，所有這些文獻都以引用的方式整體并入本文。

等效方案

在不脫離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，本發(fā)明能以其它具體形式來實施。因此，前述實施方案在所有方面都應被視為說明性的，而非是對本文中描述的本發(fā)明的限制。因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書而非前述描述指示，并且在權(quán)利要求書的等效物的含義和范圍內(nèi)的所有變化因此都意圖涵蓋于其中。