專利名稱：生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用了生物傳感器技術(shù)的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控 裝置，所述生物傳感器技術(shù)是監(jiān)控微生物的呼吸活性，將呼吸活性的 阻礙作為指標來檢測試樣水中的有害物質(zhì)的混入。
背景技術(shù)：
為了對凈水場所的取水、下水的流入水等進行有害物質(zhì)的檢測， 以往一直使用利用了微生物的生物傳感器型水質(zhì)監(jiān)控裝置。該生物傳 感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置中，微生物被固定在膜上，通過與氧電極組 合，監(jiān)控因微生物的呼吸產(chǎn)生的氧消耗量。于是，當混入有害物質(zhì)時， 由于阻礙了微生物的呼吸而氧消耗量減少，所以可以通過檢測此時減 少的氧消耗量來檢測有害物質(zhì)的混入。
上述微生物通常把特定的化學物質(zhì)(基質(zhì))作為營養(yǎng)源而生存。 即使在利用了微生物的生物傳感器中，也是通過把微生物所需的基質(zhì) 成分與試樣水混合，并供給至存在微生物膜的反應(yīng)槽中，來活化微生 物的呼吸代謝。因此，可采用例如專利文獻1中公開的各種裝置結(jié)構(gòu)。 在該以往裝置的結(jié)構(gòu)中，預先將含有基質(zhì)成分的濃縮基質(zhì)溶液蓄留在 保管容器中，用泵輸送該溶液而與試樣水混合，并將其引入配置有微 生物膜的反應(yīng)槽內(nèi)部，由此向微生物供給基質(zhì)成分。
另外，本申請人己經(jīng)提出了具有利用鐵氧化細菌作為微生物的生
物傳感器的異常水質(zhì)監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)(參考專利文獻2)。鐵氧化細菌 是化學合成獨立營養(yǎng)細菌，利用將亞鐵離子加入三價鐵離子時產(chǎn)生的 能量而生存。因此，最重要的基質(zhì)成分是亞鐵離子(Fe2+)。本申請 人將使用Thiobacillus ferrooxidans(以下表示為T.ferrooxidans)作為鐵 氧化細菌的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置進行了實用化。該生物傳
感器中，利用圖8的圖表中所示組成的培養(yǎng)基作為微生物的培養(yǎng)液。 該培養(yǎng)基除了含有作為亞鐵離子供給源的硫酸亞鐵 七水合物之外， 還含有微生物代謝所需的磷酸鹽、鈣、鎂等無機鹽。
圖7是表示以往的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)的說明 圖。該圖7中，由第1試樣水供給管線1供給的試樣水3被蓄留在空 氣擴散水槽2中，通過向試樣水3中吹入空氣來調(diào)整溶解氧濃度。調(diào) 整過溶解氧濃度的試樣水通過安裝有閥5和泵6的第2試樣水供給管 線4和試樣水及基質(zhì)溶液供給管線7，被引入到配置在流動池9中的 生物傳感器8中。
生物傳感器8具有從試樣水及基質(zhì)溶液供給管線7將試樣水和基 質(zhì)溶液的混合水引入的反應(yīng)槽10、用于取出對應(yīng)于反應(yīng)槽10內(nèi)的混 合水中含有的氧量的電流信號的溶解氧電極11、和在溶解氧電極11 的一端通過固定夾具12安裝的微生物膜13。而且，在反應(yīng)槽10內(nèi)結(jié) 束了與微生物膜13所保持的微生物的反應(yīng)的試樣水通過排液排出管 線14排出到外部。
另外，在基質(zhì)溶液保管容器15中，蓄留了含有例如圖8的圖表中 所示的基質(zhì)成分、而且調(diào)整了濃度和pH (酸、堿度)的基質(zhì)溶液。該 基質(zhì)溶液通過安裝有閥17和泵18的基質(zhì)溶液供給管線16后與試樣水 及基質(zhì)溶液供給管線7的試樣水合流，用作保持在微生物膜13中的微 生物的營養(yǎng)液而供給至生物傳感器8中。之所以這樣，從基質(zhì)溶液保 管容器15將基質(zhì)溶液供給至生物傳感器8是基于以下段落記載的理 由。
艮口，由于微生物在不存在基質(zhì)的狀態(tài)下不能增殖，這樣的話，微 生物膜中的微生物就會慢慢地死亡。另外，在基質(zhì)的濃度低于一定濃 度的狀態(tài)下，由于與增殖的微生物個體數(shù)相比，死亡的微生物個體數(shù) 上升，所以微生物膜中的微生物個體數(shù)緩慢地減少，從而損害生物傳 感器8作為傳感器功能的穩(wěn)定性。因此，為了將利用了微生物的生物 傳感器8的功能保持為良好的狀態(tài)，需要將所使用的微生物的生長所 需的基質(zhì)成分以某一定需要量以上的量供給至微生物膜?；谶@樣的 理由，從基質(zhì)溶液保管容器15將基質(zhì)溶液供給至生物傳感器8。
而且，還設(shè)置了蓄留有洗滌液的洗滌液保管容器19，該洗滌液通
3i安裝有閥21和泵22的洗滌液輸出管線20、和試樣水及基質(zhì)溶液供 給管線7后被輸出至生物傳感器8。
下面，對圖7的操作進行說明。操作者在開始試樣水的水質(zhì)監(jiān)控 時，首先打開閥5并起動泵6。由此，蓄留在空氣擴散水槽2中的試 樣水3經(jīng)由第2試樣水供給管線4和試樣水及基質(zhì)溶液供給管線7被 供給至生物傳感器8。然后，在反應(yīng)槽10中，保持在微生物膜13中 的微生物和試樣水進行反應(yīng)，根據(jù)其反應(yīng)狀態(tài)判斷水質(zhì)有無異常。艮P， 當試樣水的水質(zhì)沒有異常時，由于不會阻礙保持在微生物膜13中的微 生物的活性，所以試樣水中的溶解氧如通常那樣被消耗，由溶解氧電 極11檢測的電流信號的水平是低水平(該電流信號由省略圖示的輸出 轉(zhuǎn)換部進行轉(zhuǎn)換后，在顯示部被顯示)。但是，當在試樣水中含有有害 物質(zhì)時，由于會阻礙微生物的活性，所以溶解氧的消耗量變少，上述 電流信號變?yōu)楦咚?。因此，操作者可以根?jù)該電流信號的水平變化 知道水質(zhì)異常。
保持在微生物膜13中的微生物在繼續(xù)進行與如上所述的試樣水 的反應(yīng)的過程中，個體數(shù)減少等從而整體的活性逐漸消失，將損害作 為傳感器功能的穩(wěn)定性。因此，操作者在打開閥17的同時起動泵18， 將蓄留在基質(zhì)溶液保管容器15中的基質(zhì)溶液經(jīng)由基質(zhì)溶液供給管線 16和試樣水及基質(zhì)溶液供給管線7適當供給至生物傳感器8。由此， 保持在微生物膜13中的微生物的活性可再次恢復到原來的水平，恢復 作為傳感器功能的穩(wěn)定性。
圖9是表示如上所述的基質(zhì)溶液的供給和電流信號的水平變化的 一個例子的特性圖。在該圖9中，在最初時刻微生物的活性下降，電 流值上升至l.O[uA]附近，但是在某一時刻(7分鐘的時候)操作者 供給含有硫酸亞鐵的基質(zhì)溶液時，微生物被迅速活化，電流值下降至 O.IOA]附近的水平。然后，暫時在該水平下保持穩(wěn)定狀態(tài)，但是在 時間為15分鐘的時候向試樣水中加入有害物質(zhì)時，微生物的活性因此 而下降，所以電流值逐漸上升。然后，在超出異常設(shè)定水平的時刻(21 分鐘的時候)，發(fā)出異常警報或進行異常顯示等。
在如上所述的水質(zhì)監(jiān)控操作繼續(xù)進行一段時間的過程中，在試樣
水及基質(zhì)溶液供給管線7和排液排出管線14中會蓄積污物和雜質(zhì)等， 如果放置不管，將不能順利地進行水質(zhì)監(jiān)控操作。因此，操作者每隔 規(guī)定時間就要停止泵6、 18，同時關(guān)閉閥5、 17,然后，打開閥21并 起動泵22。由此，將蓄留在洗滌液保管容器19中的洗滌液從洗滌液 輸出管線20輸出至其它各個管線，進行洗滌而除去污物和雜質(zhì)等。特開2002—243698號公報特開平11—37969號公報

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，操作者在監(jiān)控溶解氧電極11的檢測電流，判斷微生物 的活性下降時，可以通過從基質(zhì)溶液保管容器15將基質(zhì)溶液供給至生 物傳感器8來恢復微生物的活性。但是，適當控制該基質(zhì)溶液的供給 量未必容易。
艮P，為了可靠地使生物傳感器的使用穩(wěn)定化，可以過量加入基質(zhì)， 但是過量含有需要量以上的基質(zhì)時，微生物進行過度增殖，混入有害 物質(zhì)時被阻礙呼吸的只是部分微生物。于是，由剩余微生物的呼吸會 消耗與混入有害物質(zhì)前大致相同程度的氧，氧消耗量的變化難以體現(xiàn) 出來。其結(jié)果，對有害物質(zhì)的檢測靈敏度下降，難以檢測低濃度的有 害物質(zhì)的混入。
圖10是表示生物傳感器的檢測靈敏度受到微生物數(shù)的較大影響 的說明圖，(a)表示微生物數(shù)和有害物質(zhì)(KCN)濃度的組合分別不 同的特性曲線M1 M4的特性圖，(b)表示特性曲線M1 M4的各 微生物數(shù)和有害物質(zhì)濃度的數(shù)值的圖表。
由圖10 (b)的數(shù)值顯而易見的是，特性Ml是表示微生物數(shù)少 (所述的"少"是指與M3， M4相比較少，也可以換言之為"適合的 數(shù)")、而且有害物質(zhì)濃度高的情況，特性M2是表示微生物數(shù)少、而 且有害物質(zhì)濃度低的情況，特性M3是表示微生物數(shù)多，而且，有害 物質(zhì)濃度高的情況，特性M4是表示微生物數(shù)多、而且有害物質(zhì)濃度 低的情況。
而且，圖10 (a)表示在20秒時刻左右向試樣水中添加了作為有 害物質(zhì)的例如KCN (氰化鉀)時的生物傳感器的檢測電流值的變化狀 態(tài)，但是如特性曲線M1、 M2所示，在微生物數(shù)較少時，有害物質(zhì)濃 度高或者低的任何一種情況都具有足夠的檢測靈敏度。與此相反，如 特性曲線M3、 M4所示，在微生物數(shù)較多時，有害物質(zhì)濃度高或者低
的任何一種情況檢測靈敏度都不足。由該結(jié)果可知，微生物膜中的微 生物數(shù)是對添加了有害物質(zhì)時的響應(yīng)性帶來極大影響的因素。
為了回避如上所述的對有害物質(zhì)的檢測靈敏度下降的現(xiàn)象，需要 將作為微生物膜13整體的活性保持為一定的水平，需要適當設(shè)定營養(yǎng) 液中的基質(zhì)濃度。因此，只要供給能使固定了一定數(shù)量微生物的微生 物膜13的呼吸按照需要充分活化的濃度的基質(zhì)即可，但是有時微生物 的活性會因含在試樣水中的基質(zhì)成分而增加。在這種情況下，也有可 能與加入過量基質(zhì)時同樣，微生物變?yōu)檫^度增殖的狀態(tài)，從而有害物 質(zhì)的檢測靈敏度下降。
相反，當基質(zhì)濃度低時，由于試樣水pH的變化和有害物質(zhì)以外 的微量呼吸阻礙成分混入等原水水質(zhì)的影響、還有洗滌工序的低營養(yǎng) 狀態(tài)、營養(yǎng)液的送液量的變化等裝置的影響，微生物有可能慢慢地死 亡。這種情況下，因為微生物膜中的微生物個體數(shù)慢慢地減少，所以 不能獲得使用生物傳感器所必需的足夠的活性，難以實現(xiàn)穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。
因此，可以考慮預先使基質(zhì)濃度為高濃度，設(shè)置成可連續(xù)地長期 使用的狀態(tài)的方法，但是采用該方法時，從營養(yǎng)液的長期穩(wěn)定保存、 和穩(wěn)定供給的觀點考慮，有時反而不利。原因是由于通常微生物增殖 時需要多種化學物質(zhì)，所以基質(zhì)成分含有多種活性物質(zhì)，但是存在多 種化學物質(zhì)時，含有的化學物質(zhì)彼此產(chǎn)生化學反應(yīng)，出現(xiàn)產(chǎn)生析出物 等現(xiàn)象。由于該析出物而有可能在試樣水和基質(zhì)溶液的混合水所流動 的配管中產(chǎn)生堵塞等，從而不能穩(wěn)定地輸送液體。而且，該化學反應(yīng) 隨著基質(zhì)濃度變?yōu)楦邼舛?，更加易于產(chǎn)生。
本發(fā)明是鑒于上述情況提出的，目的是提供可以容易且適當?shù)乜?制為了恢復生物傳感器內(nèi)微生物的活性而供給的基質(zhì)溶液的基質(zhì)濃度 的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置。
作為用于解決上述課題的手段，第1發(fā)明是生物傳感器型異常水 質(zhì)監(jiān)控裝置，其具備生物傳感器，所述生物傳感器引入成為微生物營 養(yǎng)源的含有多種基質(zhì)成分的基質(zhì)溶液和試樣水的混合水，并具有微生 物膜和溶解氧電極，所述微生物膜上保持有將上述混合水中含有的溶 解氧消耗的上述微生物，所述溶解氧電極用于輸出對應(yīng)于上述溶解氧
的消耗量的電流信號，當上述電流信號超出異常設(shè)定水平時就判斷為 水質(zhì)異常，其特征在于，所述生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置具備活 性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器和活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給機構(gòu)，其中所 述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器中蓄留有含有不參與上述微生物的呼 吸代謝的基質(zhì)成分、并用于使上述微生物活化的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液， 所述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給機構(gòu)是根據(jù)上述電流信號的輸出，當上 述溶解氧的消耗量下降到一定量以下而判斷上述微生物的活性下降 時，將上述蓄留的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給至上述生物傳感器。
第2發(fā)明是根據(jù)第1發(fā)明所記載的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝 置，其特征在于，上述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給機構(gòu)是定流量泵，并 且可以根據(jù)上述微生物的活性下降的程度來改變該定流量泵的工作時 間。
第3發(fā)明是根據(jù)第1發(fā)明所記載的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝 置，其特征在于，上述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給機構(gòu)是流量可變泵， 并且可以根據(jù)上述微生物的活性下降的程度來改變該流量可變泵的流
第4發(fā)明是根據(jù)第1發(fā)明所記載的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝 置，其特征在于，上述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器分為第1活性調(diào) 整用基質(zhì)溶液保管容器和第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器，其中所 述第1活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器中蓄留有不參與上述微生物的呼 吸代謝的基質(zhì)成分的濃度為通常濃度的第1活性調(diào)整用基質(zhì)溶液，所 述第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器中蓄留有不參與上述微生物的呼 吸代謝的基質(zhì)成分的濃度為低濃度的第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液，上述 活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給機構(gòu)在上述微生物的活性下降的程度較小 時，將上述蓄留的第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給至上述生物傳感器，
在上述微生物的活性下降的程度為通常情況或明顯時，將上述蓄留的 第1活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給至上述生物傳感器。
第5發(fā)明是根據(jù)第1至第4中任一項發(fā)明所記載的生物傳感器型 異常水質(zhì)監(jiān)控裝置，其特征在于，上述微生物是鐵氧化細菌，不參與 上述微生物的呼吸代謝的基質(zhì)成分是磷酸氫二鉀(K2HP04)。
第6發(fā)明是根據(jù)第1至第5中任一項發(fā)明所記載的生物傳感器型 異常水質(zhì)監(jiān)控裝置，其特征在于，其具備洗滌液保管容器和洗漆液輸 出機構(gòu)，其中所述洗滌液保管容器中蓄留有用于洗滌上述混合水和上 述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液的供給管線的洗滌液，所述洗滌液輸出機構(gòu)用 于在洗滌時將上述蓄留的洗滌液向上述供給管線輸出。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以提供生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝 置，由于該裝置具備活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器和活性調(diào)整用基質(zhì) 溶液供給機構(gòu)，所以可以容易且適當?shù)乜刂茷榱嘶謴蜕飩鞲衅鲀?nèi)微 生物的活性而供給的基質(zhì)溶液的基質(zhì)濃度，其中所述活性調(diào)整用基質(zhì) 溶液保管容器中蓄留有含有不參與微生物的呼吸代謝的基質(zhì)成分、并 用于使微生物活化的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液，所述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液 供給機構(gòu)是根據(jù)電流信號的輸出，當溶解氧的消耗量下降到一定量以 下而判斷微生物的活性下降時，將蓄留的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給至 生物傳感器。


圖1是表示本發(fā)明第1實施方式的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝 置的結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖2是記載了在用于確定圖1中蓄留在基質(zhì)溶液保管容器15中的 基質(zhì)溶液的基質(zhì)成分的實驗中使用的三種基質(zhì)溶液A,B，C的各成分的 圖表。
圖3是表示使用圖2的圖表中所示的三種基質(zhì)溶液A，B，C并連續(xù) 地運轉(zhuǎn)時的生物傳感器8的電流值的變化狀態(tài)的特性圖。
圖4是針對由圖1的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器23供給活性調(diào) 整用基質(zhì)溶液時的活性調(diào)整用基質(zhì)的濃度控制的說明圖，(a)是有關(guān)
生物傳感器8的電流值變化的特性圖，(b)是表示來自保管容器23 的活性調(diào)整用基質(zhì)的供給時機的時間圖，(c)是有關(guān)活性調(diào)整用基質(zhì) 的濃度變化的特性圖。
圖5是表示本發(fā)明第2實施方式的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝 置的結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖6是表示本發(fā)明第3實施方式的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝 置的結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖7是表示以往的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖8是表示在圖7的生物傳感器8中，作為微生物的培養(yǎng)液使用 的培養(yǎng)基的組成的圖表。
圖9是表示圖7中的生物傳感器8的電流信號水平變化的一個例 子的特性圖。
圖IO是表示圖7中的生物傳感器8的檢測靈敏度受到微生物數(shù)的 較大影響的說明圖，(a)是表示微生物數(shù)和有害物質(zhì)(KCN)濃度的 組合分別不同的特性曲線M1 M4的特性圖，(b)是表示特性曲線 M1 M4的各微生物數(shù)和有害物質(zhì)濃度的數(shù)值的圖表。
符號說明
1第1試樣水供給管線 2空氣擴散水槽 3試樣水
4第2試樣水供給管線 5閥 6泵
7試樣水及基質(zhì)溶液供給管線
8生物傳感器
9流動池
10反應(yīng)槽
11溶解氧電極
12固定夾具
13微生物膜
14排液排出管線 15基質(zhì)溶液保管容器 16基質(zhì)溶液供給管線 17閥 18泵
19洗滌液保管容器 20洗滌液輸出管線 21閥 22泵
23活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器 24活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給管線 25閥
26定流量泵
26A流量可變泵
27輸出轉(zhuǎn)換部
28供給量控制機構(gòu)
29第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器
30第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給管線
31閥
32泵
Ml-M4特性曲線
具體實施例方式
下面，根據(jù)附圖對本發(fā)明的各實施方式進行說明。但是，對與圖 7的以往裝置相同的結(jié)構(gòu)要素附加相同符號并省略重復的說明。
圖1是表示本發(fā)明第1實施方式的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝 置的結(jié)構(gòu)的說明圖。圖1與圖7的不同點是，增加了活性調(diào)整用基質(zhì) 溶液保管容器23，其中蓄留的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液通過安裝了閥25 和作為活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給機構(gòu)的泵26 (定流量泵)的活性調(diào)整
用基質(zhì)溶液供給管線24，被送至試樣水及基質(zhì)溶液供給管線7。另外， 由溶解氧電極11檢測的電流信號通過輸出轉(zhuǎn)換部27被輸出至供給量 控制機構(gòu)28，該供給量控制機構(gòu)28控制著閥25和泵26。
在這里，對于如上所述設(shè)置成除了基質(zhì)溶液保管容器15以外，另 外增加活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器23的結(jié)構(gòu)的理由進行說明。如上 所述，為了回避對有害物質(zhì)的檢測靈敏度下降的現(xiàn)象，需要將作為微 生物膜13整體的活性保持為一定的水平，需要適當設(shè)定營養(yǎng)液中的基 質(zhì)濃度。
艮口，當試樣水的水質(zhì)條件對生物傳感器的微生物來說是易于增殖 的環(huán)境吋，可通過限制基質(zhì)的供給量等方法來降低該基質(zhì)在與微生物 的反應(yīng)槽內(nèi)的濃度。其結(jié)果，可以抑制微生物的過度增殖，并可以防 止對有害物質(zhì)的檢測靈敏度下降。相反，當試樣水的水質(zhì)條件對生物 傳感器的微生物來說是不適合生存的環(huán)境時，可通過增加基質(zhì)的供給 量等方法來增加該基質(zhì)在與微生物的反應(yīng)槽內(nèi)的濃度。其結(jié)果，可以 提高微生物的活性，有助于生物傳感器輸出的穩(wěn)定化。
另外，基質(zhì)成分中含有不會給微生物的呼吸活性帶來直接影響的 化學物質(zhì)。為了使微生物增殖而需要供給全部的基質(zhì)，也可以針對全 部成分進行基質(zhì)成分的供給量的調(diào)整。另一方面，用于即刻提高生物 傳感器的活性的有效方法是僅僅經(jīng)常供給呼吸代謝所需的成分。例如， 把鐵氧化細菌T.ferrooxidans用作生物傳感器用微生物時的基質(zhì)成分 記載于圖8的圖表中，為了獲得基質(zhì)成分呼吸活性所需的基質(zhì)成分是 硫酸亞鐵。對于除此之外的成分，雖然對于維持長期的呼吸活性來說 是所必須的，但是如果僅僅是為了進行有害物質(zhì)混入的監(jiān)控，可以僅 加入能夠使呼吸代謝活化的硫酸亞鐵。
但是，使呼吸代謝活化的基質(zhì)成分的濃度如果變化較大，則生物 傳感器的輸出變得不穩(wěn)定，難以穩(wěn)定地監(jiān)控水質(zhì)。因此，作為用于調(diào) 節(jié)供給量的基質(zhì)成分，可通過選擇不參與呼吸代謝的成分，并控制該 成分的供給量等方法，來調(diào)整該成分在與微生物的反應(yīng)槽內(nèi)的濃度。 用該方法，可以獲得經(jīng)常穩(wěn)定的呼吸活性，而且可以控制微生物的增 殖趨勢，可以有效地進行生物傳感器的性能維持、穩(wěn)定使用。
本實施方式中，作為不參與上述呼吸代謝的成分，選擇使用圖8
的圖表中記載的磷酸氫二鉀(K2HP04)，使該磷酸氫二鉀作為活性調(diào) 整用基質(zhì)溶液蓄留在活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器23中。然后，控制 磷酸氫二鉀對生物傳感器8的供給量，調(diào)整反應(yīng)槽10中與微生物即鐵 氧化細菌T.ferrooxidans反應(yīng)的磷酸氫二鉀的濃度。由此，對于鐵氧化 細菌T.ferrooxidans來說可以獲得經(jīng)常充分的活性，另夕卜，可以控制長 期的個體數(shù)的變化。
但是，磷酸氫二鉀中含有的磷酸離子(P043—)和硫酸亞鐵中含有 的亞鐵離子(Fe2+)易于結(jié)合，結(jié)合時，形成難溶于水的磷酸鐵。此 時，可以通過調(diào)整pH來設(shè)定成磷酸鐵溶解的狀態(tài)，但是由于溫度的 上升等的影響，有可能在配管等中一點點地產(chǎn)生析出。此時，由于析 出物的影響，有可能產(chǎn)生閥的堵塞、密封不良、泵的送液不良等壞影 響。但是，如果設(shè)法在將磷酸離子和亞鐵離子分離的狀態(tài)下進行保管， 用分開的管線進行供給，則可以降低析出物的產(chǎn)生，可以穩(wěn)定地進行 送液。因此本實施方式中，如上所述地設(shè)置成除了基質(zhì)溶液保管容器 15以外，還另外增加了蓄留有磷酸氫二鉀的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管 容器23的結(jié)構(gòu)。
下面，對本實施方式中的蓄留在基質(zhì)溶液保管容器15中的基質(zhì)溶 液進行說明。本發(fā)明的發(fā)明者等為了確定蓄留在該基質(zhì)溶液保管容器 15中的基質(zhì)溶液的基質(zhì)成分進行了實驗，因此對其進行說明。
圖2是記載了該實驗中使用的三種基質(zhì)溶液A,B,C的各成分的圖 表。基質(zhì)溶液A與圖8的圖表中所示的培養(yǎng)基組成具有相同的成分， 基質(zhì)溶液B是在基質(zhì)溶液A的成分中僅除去了磷酸氫二鉀(K2HP04)， 基質(zhì)溶液C是使該磷酸氫二鉀(K2HP04)的重量為基質(zhì)溶液A的重 量的十分之一。而且，除了磷酸氫二鉀以外的其它成分的重量在基質(zhì) 溶液A，B,C的任何一種中都相同。另外，通過供給硫酸亞鐵中含有的 亞鐵離子(Fe2+)，可以使鐵氧化細菌T.ferrooxidans活化時的pH值如 圖2的圖表中所示那樣適合地為3或3左右的值。
圖3是表示使用圖2的圖表中所示的三種基質(zhì)溶液A，B，C并連續(xù) 地運轉(zhuǎn)時的生物傳感器8的電流值的變化狀態(tài)的特性圖。其中，將相2
對于試樣水100[ml]混合4[ml]各基質(zhì)溶液而獲得的三種混合水供給至 反應(yīng)槽10。在時刻tl一t2期間、和時刻t3—t4期間輸出硫酸等洗滌液 并進行洗滌，但是由于在該期間沒有供給鐵離子，所以電流值呈矩形 形狀增加，作為微生物的鐵氧化細菌T.ferrooxidans的活性下降明顯。
由于在基質(zhì)溶液A,B，C的任何一種中含有的鐵離子的濃度都相 同，所以在時刻tl以前的初期，微生物的活性程度大致相同。然后， 在時刻tl一t2的第l次洗滌期間，微生物的活性大幅度地下降，在洗 滌結(jié)束后的時刻t2以后，由于再次供給鐵離子，所以微生物的活性恢 復。此時的恢復時的活性水平是，除去了磷酸氫二鉀的基質(zhì)溶液B是 最低水平(電流值的水平最高)，含磷酸氫二鉀最多的基質(zhì)溶液A是 最高水平，磷酸氫二鉀的量為基質(zhì)溶液A的十分之一的基質(zhì)溶液C是 A,B的中間水平。但是，基質(zhì)溶液A在時刻t2—t3期間仍然存在電流 值減少的趨勢，并且微生物的活性水平是稍微不穩(wěn)定的狀態(tài)。
在時刻t3-t4期間進行第二次洗滌時，與前次洗滌相同，微生物的 活性大幅度地下降，而且在開始供給鐵離子的時刻t4以后，微生物的 活性恢復。此時的時刻t4以后的恢復時的水平是，對于基質(zhì)溶液A,C 來說，是與時刻t3的水平大致相同，但是對于基質(zhì)溶液B來說，由于 洗滌導致微生物受到損傷，所以比時刻t3的水平有所增加。由于洗滌 而使微生物所受到的這種損傷在每次洗滌操作中都反復發(fā)生，結(jié)果在 基質(zhì)溶液B的情況下微生物數(shù)逐漸減少。
因此，作為蓄留在基質(zhì)溶液保管容器15中的基質(zhì)溶液，基質(zhì)溶液 B可以說是不適合的。而且，基質(zhì)溶液A在時刻t2—t3期間，微生物 的活性不穩(wěn)定，相反基質(zhì)溶液C是大致穩(wěn)定。從這些結(jié)果可知，基質(zhì) 溶液C是最適合的，本實施方式是將該基質(zhì)溶液C蓄留在基質(zhì)溶液保 管容器15中。
從圖3中所示的基質(zhì)溶液A,B,C的各電流值的變化狀態(tài)可知，要 想控制作為微生物的鐵氧化細菌T.ferrooxidans的增殖趨勢，可以調(diào)整 基質(zhì)溶液中幾個基質(zhì)成分中的磷酸氫二鉀的濃度。即，當微生物膜13 的活性過剩時，如果降低磷酸氫二鉀的濃度以抑制微生物的增殖，相 反，當微生物膜13的活性變差時，如果提高磷酸氫二鉀的濃度以促進
微生物的增殖，則可以將微生物膜13中的微生物數(shù)保持為恒定水平。
選擇磷酸氫二鉀作為蓄留在活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器23中的活 性調(diào)整用基質(zhì)溶液，實際就是取決于這種理由。
下面，對如上所述構(gòu)成的圖1的操作進行說明。操作者在打開閥 5并起動泵6的同時，打開閥17并起動泵18。由此將蓄留在空氣擴散 水槽2中的試樣水3和蓄留在基質(zhì)溶液保管容器15中的基質(zhì)溶液(圖 2的圖表中的基質(zhì)溶液C)的混合水經(jīng)由試樣水及基質(zhì)溶液供給管線7 供給至生物傳感器8。
然后，在反應(yīng)槽10中，保持在微生物膜13中的微生物與混合水 反應(yīng)，對應(yīng)于混合水中的溶解氧量的電流信號由溶解氧電極11通過輸 出轉(zhuǎn)換部27被輸出至供給量控制機構(gòu)28。供給量控制機構(gòu)28根據(jù)該 輸入的電流信號控制閥25和定流量泵26，將蓄留在活性調(diào)整用基質(zhì) 溶液保管容器23中的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液向試樣水及基質(zhì)溶液供給 管線7輸出。由此，可以適當控制作為活性調(diào)整用基質(zhì)的磷酸氫二鉀 (K2HP04)的濃度，使微生物膜13所保持的微生物數(shù)穩(wěn)定化。
圖4是針對此時的活性調(diào)整用基質(zhì)的濃度控制的說明圖，(a)是 涉及生物傳感器8的電流值變化的特性圖，(b)是表示來自保管容器 23的活性調(diào)整用基質(zhì)的供給時機的時間圖，(c)是涉及活性調(diào)整用基 質(zhì)的濃度變化的特性圖。
初期，如圖4 (a)中所示，來自溶解氧電極11的檢測電流值是 稍微超過目標電流值的程度。因此，從活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器 23輸出至試樣水及基質(zhì)溶液供給管線7的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液的量也 不需要太多。因此，供給量控制機構(gòu)28如圖4 (b)中所示，在時刻 tl，t2,t3,t4的斷續(xù)時間僅短時間供給活性調(diào)整用基質(zhì)溶液。此時的混合 水中的活性調(diào)整用基質(zhì)的濃度如圖4 (c)中所示，并不太高。
然后，如圖4 (a)中所示，檢測電流值成為低于目標電流值的狀 態(tài)。該狀態(tài)下不需要由活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器23供給活性調(diào)整 用基質(zhì)溶液。因此，如圖4 (b)中所示，在時刻t4進行最后的溶液 供給后，暫時不進行供給。而且，在不進行該供給的期間，理所當然 圖4 (c)的活性調(diào)整用基質(zhì)的濃度大致為0。再過一會兒，圖4 (a)中的檢測電流值再次成為超過目標電流值 的狀態(tài)，供給量控制機構(gòu)28在時刻t5再次開始短時間供給活性調(diào)整 用基質(zhì)溶液，在時刻t6進行稍微長的供給。但是，盡管如此由于檢測 電流值的水平繼續(xù)上升，所以使供給量控制機構(gòu)28在時刻t7—t8的 長時間內(nèi)連續(xù)進行供給。由此，如圖4 (a)中所示，檢測電流值的上 升趨勢停止，接下來緩慢地下降。因此，供給量控制機構(gòu)28在時刻 t8停止連續(xù)供給后，在時刻t9僅迸行不太長時間的供給。此時的活性 調(diào)整用基質(zhì)的濃度如圖4 (c)中所示，成為高水平。
這樣，在圖1的結(jié)構(gòu)中，由于與基質(zhì)溶液保管容器15分開另外設(shè) 置活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器23，所以可以使微生物膜13的微生 物數(shù)很容易地保持為一定水平。即，在圖7的以往結(jié)構(gòu)中，是通過控 制來自基質(zhì)溶液保管容器15的基質(zhì)溶液的供給量來進行微生物數(shù)的 調(diào)整，但是這樣一來，由于使微生物的呼吸代謝直接活化的硫酸亞鐵 的量變化較大，所以生物傳感器8的檢測靈敏度不穩(wěn)定。與此相反， 在圖1的結(jié)構(gòu)中，由于來自基質(zhì)溶液保管容器15的基質(zhì)溶液的供給量 恒定，并且控制了含有不參與微生物的呼吸代謝的基質(zhì)成分的活性調(diào) 整用基質(zhì)溶液的供給量，所以微生物膜13的微生物數(shù)易于恒定化。而 且，由于該活性調(diào)整用基質(zhì)溶液與基質(zhì)溶液保管容器15的溶液分開保 管在活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器23中，所以可以減少析出物等的產(chǎn) 生，進行穩(wěn)定的送液。
圖5是表示本發(fā)明第2實施方式的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝 置的結(jié)構(gòu)的說明圖。圖5與圖1的不同點是，將作為活性調(diào)整用基質(zhì) 溶液供給機構(gòu)的定流量泵26替換為流量可變泵26A。目卩，在圖1的結(jié) 構(gòu)中，是通過利用定流量泵26改變活性調(diào)整用基質(zhì)溶液的供給時間的 長短來適當控制磷酸氫二鉀的濃度，而在圖5的結(jié)構(gòu)中，是通過改變 流量可變泵26A的轉(zhuǎn)速即流量來適當控制磷酸氫二鉀的濃度。因此， 根據(jù)該實施方式，可以更加迅速而且適當?shù)剡M行微生物膜13所保持的 微生物數(shù)的調(diào)整。
圖6是表示本發(fā)明第3實施方式的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝 置的結(jié)構(gòu)的說明圖。圖6與圖1的不同點是，增加了第2活性調(diào)整用
基質(zhì)溶液保管容器29，蓄留在其中的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液通過安裝有 閥31和泵32 (定流量泵)的第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給管線30， 被送至試樣水及基質(zhì)溶液供給管線7。另外，符號23， 24的結(jié)構(gòu)要素 是與圖1或圖5相同的要素，為了易于理解與上述要素29，30的區(qū)別， 表示為"第1…"。蓄留在該第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器29中 的第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液的濃度比蓄留在第1活性調(diào)整用基質(zhì)溶液 保管容器23中的第1活性調(diào)整用基質(zhì)溶液的濃度還低。
而且，供給量控制機構(gòu)28根據(jù)從溶解氧電極11通過輸出轉(zhuǎn)換部 27輸入的電流信號來控制閥25， 31和泵26， 32，當微生物的活性降 低的程度較小時，則從第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器29將低濃度 的第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給至生物傳感器8，另一方面，當微生
物的活性降低的程度為通常的情況或明顯時，則從第1活性調(diào)整用基 質(zhì)溶液保管容器23將第1活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給至生物傳感器8。 因此，根據(jù)該實施方式，可以更加細致而且準確地進行型微生物膜13 所保持的微生物數(shù)的調(diào)整。
權(quán)利要求
1. 生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置，其具備生物傳感器，所述生物傳感器引入成為微生物營養(yǎng)源的含有多種基質(zhì)成分的基質(zhì)溶液和試樣水的混合水，并具有微生物膜和溶解氧電極，所述微生物膜上保持有將所述混合水中含有的溶解氧消耗的所述微生物，所述溶解氧電極用于輸出對應(yīng)于所述溶解氧的消耗量的電流信號；當所述電流信號超出異常設(shè)定水平時就判斷為水質(zhì)異常，其特征在于，所述生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置具備活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器和活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給機構(gòu)，其中所述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器中蓄留有含有不參與所述微生物的呼吸代謝的基質(zhì)成分、并用于使所述微生物活化的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液；所述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給機構(gòu)是根據(jù)所述電流信號的輸出，當所述溶解氧的消耗量下降到一定量以下而判斷所述微生物的活性下降時，將所述蓄留的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給至所述生物傳感器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1記載的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置，其 特征在于，所述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給機構(gòu)是定流量泵，并且可 以根據(jù)所述微生物的活性下降的程度來改變該定流量泵的工作時 間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1記載的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置，其 特征在于，所述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給機構(gòu)是流量可變泵，并且 可以根據(jù)所述微生物的活性下降的程度來改變該流量可變泵的流
4. 根據(jù)權(quán)利要求1記載的生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置，其 特征在于，所述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器分為第1活性調(diào)整用 基質(zhì)溶液保管容器和第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器，其中所述 第1活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器中蓄留有不參與所述微生物的呼 吸代謝的基質(zhì)成分的濃度為通常濃度的第1活性調(diào)整用基質(zhì)溶液， 所述第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器中蓄留有不參與所述微生物 的呼吸代謝的基質(zhì)成分的濃度為低濃度的第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液；并且所述活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給機構(gòu)在所述微生物的活性下 降的程度較小時，將所述蓄留的第2活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給至所 述生物傳感器，在所述微生物的活性下降的程度為通常情況或明顯 時，將所述蓄留的第1活性調(diào)整用基質(zhì)溶液供給至所述生物傳感器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l一4中任一項記載的生物傳感器型異常水質(zhì) 監(jiān)控裝置，其特征在于，所述微生物是鐵氧化細菌，不參與所述微 生物的呼吸代謝的基質(zhì)成分是磷酸氫二鉀(K2HP04)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l一5中任一項記載的生物傳感器型異常水質(zhì) 監(jiān)控裝置，其特征在于，其具備洗滌液保管容器和洗滌液輸出機構(gòu)， 其中所述洗滌液保管容器中蓄留有用于洗滌所述混合水和所述活 性調(diào)整用基質(zhì)溶液的供給管線的洗滌液，所述洗滌液輸出機構(gòu)用于 在洗滌時將所述蓄留的洗滌液向所述供給管線輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供生物傳感器型異常水質(zhì)監(jiān)控裝置，其可以容易且適當?shù)乜刂茷榱嘶謴蜕飩鞲衅鲀?nèi)微生物的活性而供給的基質(zhì)溶液的基質(zhì)濃度。在反應(yīng)槽(10)中，保持在微生物膜(13)中的微生物與混合水反應(yīng)，通過輸出轉(zhuǎn)換部(27)將對應(yīng)于混合水中的溶解氧量的電流信號從溶解氧電極(11)輸出至供給量控制機構(gòu)(28)。該機構(gòu)(28)根據(jù)該電流信號的輸入來控制閥(25)和定流量泵(26)，將蓄留在活性調(diào)整用基質(zhì)溶液保管容器(23)中的活性調(diào)整用基質(zhì)溶液向管線(7)輸出。由此，可以適當控制作為活性調(diào)整用基質(zhì)的磷酸氫二鉀(K₂HPO₄)的濃度，使微生物的數(shù)量穩(wěn)定化。
文檔編號G01N27/403GK101206191SQ20061016860
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者原口智, 城田昭彥, 居安巨太郎, 早見德介, 藤澤實 申請人:株式會社東芝