【正文】 微生物燃料電池逆向探究的新發(fā)現(xiàn) 實(shí)用新型BOD生物傳感器檢測(cè)污水的研究2009年2月18日目 錄摘要 ………………………………………………………………………………21. 前言……………………………………………………………………………4 選題是怎樣產(chǎn)生的？……………………………………………………………………4 研究設(shè)想…………………………………………………………………………………5 微生物燃料電池的研究基礎(chǔ)………………………………………………………5 我的研究設(shè)想與需要解決的問題…………………………………………………5 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的調(diào)查與借鑒……………………………………………………62. 研究背景與研究中應(yīng)用的研究理論基礎(chǔ)………………………………………7…………………………………………………………7………………………………………………………………………7 BOD生物傳感器…………………………………………………………………………8……………………………………………………………8………………………………………………93. 研究?jī)?nèi)容……………………………………………………………………………94. 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法…………………………………………………………………12……………………………………………………………134 .2人工配水和清洗液的配備與樣品廢水采集…………………………………………18 微生物培養(yǎng)與馴化…………………………………………………………………… 19………………………………………………………………………19…………………………………………………………………………19…………………………………19 5天培養(yǎng)法測(cè)量測(cè)量樣品水樣 …………………………………………………21………………………………246. 實(shí)際水樣檢測(cè)示例 ………………………………………………………………287．最終改進(jìn)、優(yōu)化的設(shè)計(jì)圖………………………………………………………………318. 結(jié)論…………………………………………………………………………………329. 本研究創(chuàng)新點(diǎn)…………………………………………………………………………3310. 下階段研究設(shè)想 摘 要生化需氧量（BOD）是表示有機(jī)物污染程度的綜合性指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于水體監(jiān)測(cè)和污水處理廠運(yùn)行污水檢測(cè)。傳統(tǒng)BOD的檢測(cè)方法是5天培養(yǎng)法，具有操作便捷、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但也存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、不能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)。研制開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的、性能優(yōu)良且價(jià)格合理的污水檢測(cè)裝置，是非常必要和迫切的。本研究是我在研究污水微生物發(fā)電過程中產(chǎn)生的一個(gè)靈感。污水微生物發(fā)電技術(shù)是利用一種特殊的微生物——產(chǎn)電微生物，來氧化污水中的有機(jī)物產(chǎn)生電流，同時(shí)去除有機(jī)污染物，污水中的有機(jī)物含量高低直接決定了微生物燃料電池所產(chǎn)生的電量大小。傳統(tǒng)的污水微生物發(fā)電技術(shù)正是利用了這一原理。但反過來，如果研究污水產(chǎn)電量的大小，就可以知道廢水中有機(jī)物的含量——這不就是污染程度（BOD）么？通過大量的調(diào)查與資料分析，針對(duì)傳統(tǒng)雙室型BOD傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、操作不便的缺陷，我提出了采用單室型微生物燃料電池作為BOD傳感器的核心部件的設(shè)想，并且采用國(guó)產(chǎn)低成本離子交換膜代替質(zhì)子交換膜，采用廉價(jià)MnO2代替鉑作陰極催化劑，設(shè)計(jì)、構(gòu)建與運(yùn)行了一套新型低成本BOD生物傳感器。優(yōu)化與確定了該傳感器的檢測(cè)條件，考察與比較它對(duì)實(shí)際水樣BOD的檢測(cè)效果，探索出了一個(gè)BOD檢測(cè)的新方法。研究結(jié)果表明：（1）以廉價(jià)MnO2為陰極催化劑，陽離子交換膜為隔膜，構(gòu)建的單室微生物燃料電池型BOD傳感器成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可用于BOD的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)；（2）該BOD傳感器的適宜運(yùn)行條件為：，外接電阻12 kΩ，檢測(cè)時(shí)間2 h，清洗時(shí)間2~10 min；（3）實(shí)際水樣檢測(cè)結(jié)果顯示， mg/L，%，與BOD5比較，%以內(nèi)。本研究顯示，微生物燃料電池型BOD生物傳感器在水體污染監(jiān)測(cè)、預(yù)警與控制方面具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：生化需氧量（BOD）；微生物燃料電池（microbial fuel cell, MFC）；生物傳感傳感器（Biosenor）微生物燃料電池逆向探究的新發(fā)現(xiàn) 實(shí)用新型BOD生物傳感器檢測(cè)污水的研究1. 前 言 選題是怎樣產(chǎn)生的在學(xué)校組織的環(huán)保課外小組活動(dòng)中，我參觀了廣州市黃埔經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理廠。通過參觀，我對(duì)污水處理的流程有了大致的了解，對(duì)黑臭的污水如何通過一整套反應(yīng)系統(tǒng)，最后變成干凈、透明的達(dá)標(biāo)水有了實(shí)際感受。但是，活動(dòng)過程中專家介紹的一個(gè)細(xì)節(jié)引起了我的注意——污水檢測(cè)目前技術(shù)手段還比較落后，用的檢測(cè)儀需要五天才能檢測(cè)出最后結(jié)果。天哪，五天？是不是太慢了！ 活動(dòng)結(jié)束后，我就一直在思考，如何用科學(xué)的指標(biāo)來反映污水變得干凈了呢？如何才能夠快速的檢測(cè)污染狀況呢？回來后我開始查找相關(guān)資料，希望能有所突破。通過查找資料得知，原來生化需氧量（biochemical oxygen demand，BOD）是反映“污水變得干凈”的最重要指標(biāo)。科學(xué)定義是：BOD是表征有機(jī)物污染程度的重要的、綜合性指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于水體、底泥等監(jiān)測(cè)和污水處理廠運(yùn)行控制，其具體含義是：在微生物作用下將單位體積水樣中有機(jī)物氧化所消耗的溶解氧質(zhì)量[1]，單位是mgL1。緊接著，我又了解到，BOD的監(jiān)測(cè)非常費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，需要在恒溫條件連續(xù)培養(yǎng)5天才能獲得有效數(shù)據(jù)。如果我能夠快速地獲得水體的BOD值，實(shí)現(xiàn)BOD的在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，那是多么有意義、有挑戰(zhàn)的研究課題??！有一天，我在實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)進(jìn)行廢水微生物燃料電池的研究，這是一個(gè)我們學(xué)校學(xué)生興趣小組已經(jīng)開展了兩年的一個(gè)課題，我一直參與其中。污水微生物發(fā)電技術(shù)是利用一種特殊的微生物——產(chǎn)電微生物，來氧化污水中的有機(jī)物產(chǎn)生電流同時(shí)凈化污水。當(dāng)時(shí)這個(gè)研究遇到了問題，利用廢水微生物發(fā)電有一定局限，就是產(chǎn)電量不高，利用價(jià)值不大，我們這幾個(gè)月來一直在想辦法，看如何才能提高發(fā)電量。查閱了大量資料后，也沒有發(fā)現(xiàn)好的辦法。但是，微生物燃料電池技術(shù)作為一項(xiàng)新興的環(huán)境生物技術(shù)，它可能還有許多的新功能還未被開發(fā)。突然這時(shí)一個(gè)想法在我的頭腦中產(chǎn)生出來，我想，既然污水中的有機(jī)物含量高低直接決定了微生物燃料電池所產(chǎn)生的電量大小。那么反過來，如果我檢測(cè)污水產(chǎn)電量的大小，不就可以知道廢水中有機(jī)物的含量么，那就可以知道污水的污染程度?。∥野堰@個(gè)利用到水質(zhì)檢測(cè)中去，不就可以解決現(xiàn)在BOD檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、效果不理想的問題么？ 我把這個(gè)想法與輔導(dǎo)老師說，輔導(dǎo)老師竟然驚訝的望著我說：“對(duì)啊，我都沒想到這個(gè)方面，你這是反其道而用之，非常有創(chuàng)新。”哇，真的高興死我了！我馬上上網(wǎng)檢索、到全國(guó)數(shù)據(jù)庫檢索并向?qū)＜易稍円约芭c輔導(dǎo)老師仔細(xì)研究，我確定了“基于微生物燃料電池的新型BOD生物傳感器研制”作為我的研究課題。 研究設(shè)想 微生物燃料電池的研究基礎(chǔ)參與學(xué)?？萍寂d趣小組研究已經(jīng)快2年，我們一直在研究“污水微生物發(fā)電技術(shù)，即微生物燃料電池的發(fā)電研究”。通過兩年的探究，在微生物燃料電池研究方面，我們?nèi)〉昧艘韵率斋@：1）對(duì)微生物燃料電池的產(chǎn)電原理、發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀與應(yīng)用潛力有了較充分的了解和認(rèn)識(shí)；2）親自設(shè)計(jì)、動(dòng)手制作了一個(gè)單室型微生物燃料電池裝置，并且發(fā)出了微量電能。（見下圖）3）利用校園溝渠污水為燃料，進(jìn)行了污水微生物發(fā)電嘗試。學(xué)會(huì)了廢水BOD值、氨氮含量的檢測(cè)方法；學(xué)會(huì)繪制電池性能曲線，評(píng)價(jià)電池性能；學(xué)會(huì)了實(shí)驗(yàn)室一些常用儀器的操作。 我的研究設(shè)想與需要解決的問題 目前污水的BOD測(cè)定法主要是5天20 ℃培養(yǎng)法，這種方法耗時(shí)費(fèi)力。我希望能利用微生物燃料電池產(chǎn)電的原理，通過監(jiān)測(cè)、研究電量的多少，變化規(guī)律，從而可以快速的檢測(cè)污水的污染狀況。第一步，對(duì)我的微生物燃料電池進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建單室空氣陰極微生物燃料電池，摸索微生物燃料電池運(yùn)行的最佳條件；第二步，組建BOD傳感器，利用人工配水來摸索BOD傳感器檢測(cè)的最佳條件；第三步，利用傳感器檢測(cè)廢水樣品，并通過與傳統(tǒng)測(cè)量方法的比較確定傳感器的精確度與檢測(cè)限值。第四步，取水樣，實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證可行性。我認(rèn)為主要解決兩個(gè)問題，首先是調(diào)整單室空氣陰極微生物燃料電池型BOD傳感器檢測(cè)的最佳條件，其次是利用傳感器測(cè)量電量，建立線性方程，不斷調(diào)整，提高廢水樣品檢測(cè)的準(zhǔn)確度、科學(xué)性等問題。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的調(diào)查與借鑒目前國(guó)內(nèi)外主要采用5天20 ℃培養(yǎng)法測(cè)定水樣BOD值，包括水樣采集、充氧、培養(yǎng)、測(cè)定等步驟。該法操作復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不宜現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。BOD的其它測(cè)定方法主要有檢壓式庫侖計(jì)法、短時(shí)日法、平臺(tái)值法和瓦勃呼吸法等，這些方法基本上是基于一些經(jīng)驗(yàn)公式，且操作過程均較為復(fù)雜，測(cè)定過程不夠穩(wěn)定，沒有得到推廣。1977年，Karube等首次利用微生物傳感器原理成功研制了BOD傳感器。該儀器由固定化土壤菌群與氧電極構(gòu)成，檢測(cè)時(shí)間短（15 min內(nèi)）。但由于微生物酶對(duì)固定化微生物膜的破壞，傳感器的壽命非常短。近年來，微生物燃料電池（Microbial fuel cell, MFC）用于BOD的在線監(jiān)測(cè)開始受到關(guān)注，韓國(guó)科學(xué)家Kim首先研制出世界上第一個(gè)微生物燃料電池型BOD生物傳感器，用于BOD的在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。陽極反應(yīng)：(CH2O)n＋nH2O nCO2＋4n e＋4nH+ （1）陰極反應(yīng)： 4e＋O2＋4H+ 2H2O （2）微生物燃料電池型BOD傳感器的基本原理是：廢水BOD濃度與微生物燃料電池的穩(wěn)定輸出電流或輸出電量呈良好的線性關(guān)系。該傳感器的核心部件是微生物燃料電池反應(yīng)器，微生物燃料電池是一種以微生物為催化劑的電化學(xué)裝置，它以產(chǎn)電微生物為陽極催化劑，將廢水中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能。在微生物燃料電池反應(yīng)器中：廢水中的有機(jī)物作為燃料在厭氧的陽極室中被產(chǎn)電微生物氧化，