【正文】 產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽極，電子通過外電路到達(dá)陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與氧反應(yīng)生成水。其陽極和陰極反應(yīng)式如下所示： 微生物燃料電池的基本結(jié)構(gòu)為陰極室、陽極室、中間由隔膜分開。根據(jù)電池陰極室結(jié)構(gòu)不同，微生物燃料電池可分為單室（空氣陰極）和雙室型（陰極曝氣）。雙室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且需要曝氣以提供陰極氧還原反應(yīng)所需的氧氣，而單室微生物燃料電池采用空氣被動(dòng)曝氧，無需采用氣泵通氣，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作與維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定。傳統(tǒng)的微生物燃料電池型BOD傳感器均為雙室型。韓國(guó)科學(xué)家Kim等[2]（2003）采用無介體雙室微生物燃料電池構(gòu)建了BOD傳感器，大大延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命（5年以上），檢測(cè)樣品廢水結(jié)果顯示標(biāo)準(zhǔn)差為177。3%~177。12%。但我仔細(xì)分析后認(rèn)為，Kim教授研制的微生物燃料電池存在以下三個(gè)缺陷：（1）雙室型結(jié)構(gòu)，陰極需要曝氣，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，操作與維護(hù)不便； （2）設(shè)計(jì)理念源于質(zhì)子交換膜燃料電池（PE微生物燃料電池），采用昂貴的質(zhì)子交換膜作為隔膜，目前質(zhì)子交換膜依賴進(jìn)口，且價(jià)格昂貴（美國(guó)杜邦Nafion，每平方米600—800美元，折合人民幣約5000元），實(shí)際應(yīng)用顯然不經(jīng)濟(jì)；（3）采用金屬鉑（Pt）作為陰極氧還原催化劑，Pt價(jià)格昂貴，也限制了微生物燃料電池型傳感器的推廣應(yīng)用。針對(duì)以上問題，我想：能否采用單室型結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙室型，能否采用成本較低的、國(guó)產(chǎn)化的膜材質(zhì)代替質(zhì)子交換膜，能否采用廉價(jià)的非貴金屬催化劑代替Pt呢？我與輔導(dǎo)老師進(jìn)行協(xié)商，上網(wǎng)查資料，發(fā)現(xiàn)我的設(shè)想是值得嘗試的。經(jīng)過前期的調(diào)研以及與輔導(dǎo)老師協(xié)商，我確定了如下方案：以廉價(jià)電解MnO2（湘潭電解錳廠）為陰極催化劑，以普通陽離子交換膜代替質(zhì)子交換膜，構(gòu)建單室微生物燃料電池型BOD傳感器，在分析舊的檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，優(yōu)化與確定了檢測(cè)條件，并對(duì)實(shí)際水樣進(jìn)行BOD檢測(cè)，降低BOD傳感器的構(gòu)建成本，簡(jiǎn)化了操作，提高了實(shí)用性。表1 本研究提供的新型BOD生物傳感器與傳統(tǒng)BOD傳感器的材料價(jià)格比較表BOD傳感器構(gòu)型催化劑交換膜名稱價(jià)格（元/克）名稱價(jià)格（元/ m2）本研究單室MnO2離子交換膜35傳統(tǒng)型雙室鉑400質(zhì)子交換膜50002．研究背景與研究中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)目前，國(guó)內(nèi)外BOD的主要測(cè)定方法有：五日生化需氧量法（5天培養(yǎng)法）、庫侖計(jì)法、瓦勃呼吸法等。五日生化需氧量法（BOD5）是我國(guó)現(xiàn)行的BOD標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定法，該法由于檢測(cè)成本低、結(jié)果穩(wěn)定、便于操作的原因，一直被廣泛使用。但該檢測(cè)法也存在一些缺點(diǎn)，如測(cè)定周期長(zhǎng)，不宜現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，不能及時(shí)反映排放水的污染程度等。庫侖計(jì)法、瓦勃呼吸法等也存在操作過程復(fù)雜，靈敏度低，無法達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問題。通過上網(wǎng)調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)其實(shí)探索低成本、高效、穩(wěn)定的BOD傳感器的污水快速檢測(cè)方法的研究是比較多的，但都受限于器材原材料價(jià)格昂貴、不穩(wěn)定、操作復(fù)雜等原因，沒有得到良好的推廣與應(yīng)用。最主要的有如下幾項(xiàng)研究： 基于溶解氧探針的BOD傳感器目前，大多數(shù)BOD傳感器是基于溶解氧監(jiān)控的檢測(cè)系統(tǒng)，它一般以固定化微生物—人工膜系統(tǒng)作為識(shí)別元件，以氧電極作為物理傳感器，通過微生物氧化作用來降解有機(jī)物，消耗溶解氧，再通過檢測(cè)溶解氧的減少量而測(cè)定BOD值。這種BOD傳感器存在以下局限性：(1)穩(wěn)定性低。溶解氧探針陽極金屬使用過程中被氧化，要保持較高的靈敏度就必須經(jīng)常維護(hù)，清洗陽極表面，更換電解液；(2)膜污染問題。廢水中可能存在大量毒害微生物的有機(jī)物和重金屬，破壞膜系統(tǒng)的功能，使測(cè)量的偏差較大，并且膜系統(tǒng)所引起的堵塞也會(huì)影響B(tài)OD傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；(3)檢測(cè)范圍狹窄。由于氧在水中的溶解度低，造成檢測(cè)過程中信號(hào)微弱，因此基于溶解氧探針的BOD傳感器檢測(cè)范圍狹窄。 光度法BOD傳感器在不同濃度的溶解氧條件下，光度法BOD傳感器能夠產(chǎn)生不同的熒光，得到不同的電流，從而間接反映出水樣中的BOD值。此外，也有些BOD傳感器利用生化反應(yīng)前后微生物本身的變化所產(chǎn)生的不同光信號(hào)來間接指示待測(cè)水樣的BOD值。光度法BOD傳感器具有長(zhǎng)篩檢的操作穩(wěn)定性、不需要消耗溶解氧、不受樣品流速和擾動(dòng)程度的影響等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于這種方法容易受干擾物質(zhì)的影響，因此不能準(zhǔn)確測(cè)定BOD值。 BOD生物傳感器BOD生物傳感器是一種微生物與電化學(xué)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合而構(gòu)成的傳感器．當(dāng)BOD傳感器置于恒溫且被氧飽和的不含BOD物質(zhì)的磷酸鹽緩沖溶液中時(shí)，由于微生物呼吸活性恒定，傳感器輸出一個(gè)恒定的電流值；當(dāng)傳感器置于含有BOD物質(zhì)的磷酸鹽緩沖溶液時(shí)，則因微生物對(duì)BOD物質(zhì)的同化作用，使其活性增強(qiáng)而耗氧，導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)降低．在一定的范圍內(nèi)，傳感器輸出電流的降低值與BOD物質(zhì)的濃度呈線性關(guān)系。從這個(gè)意義上來說，BOD生物傳感器具有檢測(cè)污水的優(yōu)勢(shì)條件，可以得到充分的應(yīng)用。 迄今為止，不少國(guó)家對(duì)利用生物傳感器快速測(cè)定BOD都制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)說明。但目前BOD傳感器大多數(shù)研究處于實(shí)驗(yàn)室階段，距普遍應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x，少數(shù)成形產(chǎn)品也存在一些問題。因此，開發(fā)高性能、低成本的BOD快速測(cè)定儀具有重要的意義。2 .4 微生物燃料電池原理與應(yīng)用微生物燃料電池[3]主要由陽極室、陰極室和質(zhì)子交換膜等部分組成，燃料（葡萄糖等有機(jī)物）在微生物作用下于陽極室被氧化，電子通過外電路到達(dá)陰極， 圖3 微生物燃料電池的構(gòu)造示意圖質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，氧化物在催化劑作用下在陰極室被還原。 根據(jù)電子傳遞方式的不同，可將微生物燃料電池分為間接和直接微生物燃料電池[4]。間接微生物燃料電池中燃料在電解液中或其他地方反應(yīng)，電子通過電子傳遞中間體傳遞到電極上；直接微生物燃料電池中燃料直接在電極上被氧化，電子直接從燃料分子轉(zhuǎn)移到電極。 基于微生物燃料電池的BOD生物傳感器微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，微生物燃料電池）型傳感器的基本原理[5]是產(chǎn)電微生物的產(chǎn)電呼吸代謝：即以產(chǎn)電微生物作為生物敏感元件，當(dāng)樣品中的BOD物質(zhì)發(fā)生降解代謝時(shí)，會(huì)偶聯(lián)微生物輸出電流強(qiáng)弱的變化，在一定條件下傳感器輸出的電量與BOD的濃度呈線性關(guān)系。目前，正在研究的微生物燃料電池型傳感器一般是雙室型結(jié)構(gòu)，即陰、陽兩室中由質(zhì)子交換膜分開，BOD（有機(jī)物）作為燃料在厭氧的陽極室中被微生物氧化，產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽極，電子通過外電路到達(dá)陰極（以鉑為陰極催化劑），從而形成回路產(chǎn)生電流，通過電流的自動(dòng)采集即可實(shí)現(xiàn)BOD的在線檢測(cè)。電池的陰極液多為磷酸鹽緩沖液，陽極液為待測(cè)液。2003年，韓國(guó)科學(xué)家研制了第一臺(tái)微生物燃料電池型BOD傳感器。該傳感器采用連續(xù)流方式進(jìn)樣，實(shí)現(xiàn)了BOD在線監(jiān)測(cè)，但是它使用鉑作催化劑，而且需要昂貴質(zhì)子交換膜（每平米約800美元），因而其制作成本高昂，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。這也是我研究的一個(gè)突破口，是我想解決的問題。如何才能實(shí)現(xiàn)微生物燃料電池檢測(cè)污水的裝置能實(shí)現(xiàn)價(jià)格低廉、方便快捷、效果優(yōu)良呢？通過對(duì)以上內(nèi)容的深入了解，我逐漸對(duì)自己的研究有了更明確的方向與信心。我完全可以避開大部分傳感器的缺點(diǎn)，研制高效、優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)的新型傳感器。3. 研究?jī)?nèi)容我認(rèn)為研究的技術(shù)突破口是開發(fā)一種基于微生物燃料電池的便攜式BOD在線測(cè)定儀。利用這個(gè)儀器檢測(cè)污水，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，通過與常規(guī)的5天BOD檢測(cè)法進(jìn)行對(duì)比，不斷的優(yōu)化測(cè)定儀，實(shí)現(xiàn)其檢測(cè)便捷、成本低廉、便于應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。最后，通過實(shí)際檢測(cè)水樣的規(guī)范操作示例，為檢測(cè)儀的應(yīng)用與推廣提供參考依據(jù)。 技術(shù)路線的設(shè)計(jì)不斷調(diào)整與改進(jìn)是否 具體研究思路——我要實(shí)現(xiàn)的研究（1）傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作、改進(jìn)：通過多次設(shè)計(jì)與修改，對(duì)比不同設(shè)計(jì)的微生物燃料電池（微生物燃料電池裝置），在我們兩年研究的基礎(chǔ)上，選擇能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)便、低廉、穩(wěn)定的單室空氣陰極微生物燃料電池進(jìn)行重點(diǎn)探究。（2）微生物燃料電池型傳感器檢測(cè)的優(yōu)化：進(jìn)行多個(gè)水樣試驗(yàn)，考察組裝微生物燃料電池型傳感器在各種復(fù)雜條件（不同溶解氧、不同毒害物種類與含量）下檢測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性，改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)，優(yōu)化檢測(cè)條件，提高儀器的檢測(cè)效果，編寫信號(hào)處理程序，直接將微生物燃料電池電信號(hào)轉(zhuǎn)換成BOD數(shù)據(jù)。（3）人工配水實(shí)驗(yàn)：使用谷氨酸和葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行配水運(yùn)行試驗(yàn)，在相同條件（時(shí)間、溫度等）下，用BOD傳感器測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液的電流、電壓，用傳統(tǒng)方法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液BOD5值，對(duì)比兩者的相關(guān)性，建立相應(yīng)的線性方程（標(biāo)準(zhǔn)曲線），確定新型微生物燃料電池檢測(cè)污水的標(biāo)準(zhǔn)。（4）實(shí)地水樣測(cè)定：利用組裝的微生物燃料電池測(cè)定典型污染水體，獲得電流、電壓信號(hào)，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線換算出水樣BOD值，得出水污染的情況，對(duì)比污染指標(biāo)，提出檢測(cè)的依據(jù)，為應(yīng)用提供參照性的意見；（5）到污水處理廠做使用調(diào)查，根據(jù)污水處理廠的實(shí)際使用情況，改進(jìn)設(shè)備。4. 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法 新型BOD傳感器設(shè)計(jì)與制作 新型BOD傳感器的設(shè)計(jì)草圖圖4 傳感器設(shè)計(jì)草圖 新型BOD傳感器的研究與制作BOD傳感器結(jié)構(gòu)如圖4 所示，包括微生物燃料電池和信號(hào)采集裝置兩大部分，為單室空氣陰極微生物燃料電池。（1） 以20 mL注射器作為微生物燃料電池骨架，在注射器側(cè)面打孔，根據(jù)注射器的大小，我確定打孔規(guī)格為1213個(gè)，孔直徑4 mm；打孔的依據(jù)與原理： 在注射器上打孔是為了讓陽極溶液與陽離子交換膜接觸，陽極液中的陽離子才能通過陽離子交換膜到達(dá)陰極碳布，與空氣中的氧反應(yīng)生成水?？椎臄?shù)目越多，陽極液與陽離子交換膜的接觸面積就越大，所以理論上說孔的數(shù)目越多越好。但是孔的數(shù)目太多了，注射器千瘡百孔變得很脆弱，失去了骨架作用，使得陽極室容易變形，不能固定陽極室的體積。所以針對(duì)20mL的注射器（高7厘米，） ，我經(jīng)過認(rèn)真的思考與設(shè)計(jì)，在白紙上畫圖，多次反復(fù)修改，最后確定打孔規(guī)格為1213（橫向12排，縱向13排） ，孔直徑4 mm為最合適。制作過程中遇到的問題與解決辦