【正文】 干凈了呢？如何才能夠快速的檢測污染狀況呢？回來后我開始查找相關(guān)資料，希望能有所突破。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、預警與控制方面具有廣闊的應用前景。傳統(tǒng)的污水微生物發(fā)電技術(shù)正是利用了這一原理。傳統(tǒng)BOD的檢測方法是5天培養(yǎng)法，具有操作便捷、數(shù)據(jù)準確、價格低廉的優(yōu)點，但也存在檢測時間長、不能實現(xiàn)現(xiàn)場實時監(jiān)測的缺點。研制開發(fā)適合我國國情的、性能優(yōu)良且價格合理的污水檢測裝置，是非常必要和迫切的。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，針對傳統(tǒng)雙室型BOD傳感器結(jié)構(gòu)復雜、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想，并且采用國產(chǎn)低成本離子交換膜代替質(zhì)子交換膜，采用廉價MnO2代替鉑作陰極催化劑，設計、構(gòu)建與運行了一套新型低成本BOD生物傳感器。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) 實用新型BOD生物傳感器檢測污水的研究1. 前 言 選題是怎樣產(chǎn)生的在學校組織的環(huán)保課外小組活動中，我參觀了廣州市黃埔經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理廠。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。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物產(chǎn)生電流同時凈化污水。突然這時一個想法在我的頭腦中產(chǎn)生出來，我想，既然污水中的有機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。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)狀與應用潛力有了較充分的了解和認識；2）親自設計、動手制作了一個單室型微生物燃料電池裝置，并且發(fā)出了微量電能。我希望能利用微生物燃料電池產(chǎn)電的原理，通過監(jiān)測、研究電量的多少，變化規(guī)律，從而可以快速的檢測污水的污染狀況。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的調(diào)查與借鑒目前國內(nèi)外主要采用5天20 ℃培養(yǎng)法測定水樣BOD值，包括水樣采集、充氧、培養(yǎng)、測定等步驟。該儀器由固定化土壤菌群與氧電極構(gòu)成，檢測時間短（15 min內(nèi)）。該傳感器的核心部件是微生物燃料電池反應器，微生物燃料電池是一種以微生物為催化劑的電化學裝置，它以產(chǎn)電微生物為陽極催化劑，將廢水中的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能。雙室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)較復雜，且需要曝氣以提供陰極氧還原反應所需的氧氣，而單室微生物燃料電池采用空氣被動曝氧，無需采用氣泵通氣，它結(jié)構(gòu)簡單，操作與維護方便，運行穩(wěn)定。12%。表1 本研究提供的新型BOD生物傳感器與傳統(tǒng)BOD傳感器的材料價格比較表BOD傳感器構(gòu)型催化劑交換膜名稱價格（元/克）名稱價格（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用的理論基礎目前，國內(nèi)外BOD的主要測定方法有：五日生化需氧量法（5天培養(yǎng)法）、庫侖計法、瓦勃呼吸法等。通過上網(wǎng)調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)其實探索低成本、高效、穩(wěn)定的BOD傳感器的污水快速檢測方法的研究是比較多的，但都受限于器材原材料價格昂貴、不穩(wěn)定、操作復雜等原因，沒有得到良好的推廣與應用。廢水中可能存在大量毒害微生物的有機物和重金屬，破壞膜系統(tǒng)的功能，使測量的偏差較大，并且膜系統(tǒng)所引起的堵塞也會影響B(tài)OD傳感器的長期穩(wěn)定性；(3)檢測范圍狹窄。光度法BOD傳感器具有長篩檢的操作穩(wěn)定性、不需要消耗溶解氧、不受樣品流速和擾動程度的影響等優(yōu)點。 迄今為止，不少國家對利用生物傳感器快速測定BOD都制訂了相應的標準，并進行了相關(guān)的技術(shù)說明。 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]。電池的陰極液多為磷酸鹽緩沖液，陽極液為待測液。如何才能實現(xiàn)微生物燃料電池檢測污水的裝置能實現(xiàn)價格低廉、方便快捷、效果優(yōu)良呢？通過對以上內(nèi)容的深入了解，我逐漸對自己的研究有了更明確的方向與信心。最后，通過實際檢測水樣的規(guī)范操作示例，為檢測儀的應用與推廣提供參考依據(jù)。（4）實地水樣測定：利用組裝的微生物燃料電池測定典型污染水體，獲得電流、電壓信號，利用標準曲線換算出水樣BOD值，得出水污染的情況，對比污染指標，提出檢測的依據(jù)，為應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)污水處理廠的實際使用情況，改進設備。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。鉆頭高速旋轉(zhuǎn)時還會有傷到手的危險，而且打出的孔奇形怪狀、分布不均勻。一個靈感展現(xiàn)在我頭腦中，那如果我也在注射器針管上貼上一張紙，是不是就解決打滑問題了呢？我趕緊跑到實驗室，一操作，竟然真的成功了！那如何才能均勻的打好孔呢？ 數(shù)學課上學到的知識這次幫到了我，可以根據(jù)幾何圖形來布局?。∥腋鶕?jù)注射器外面要貼的紙的尺寸在電腦上畫好“網(wǎng)格”，用打印機打印出來，用不干膠將它固定到注射器上，再來打孔，一下子就打出了規(guī)則、漂亮的孔了。 材料選擇過程中遇到的問題與克服困難： 陽極導線因為長期浸泡在陽極液中， 所以要選擇既要導電性好又要耐腐蝕的材料，經(jīng)過多次嘗試后發(fā)現(xiàn)鈦線比較合適。在資料調(diào)查中，我發(fā)現(xiàn)目前的研究基本上都采用鉑作陰極催化劑，用質(zhì)子交換膜作陽極室與陰極室的交換膜，但是鉑和質(zhì)子交換膜的價格昂貴。因此選用載載MnO2碳布作陰極，與陽離子交換膜制成“二合一”膜陰極組，能很好的達到這一要求。（4）注射器兩端開口，其上為出水口，其下為進水口。（6）新型BOD生物傳感器的組裝 在完成好各個部件的制作后，要用導線把各部件連接起來，形成一個回路。6H2O， mg/L MnSO44H2O， g/L CoCl26H2O，1 g/L NaCl， g/L Na2WO420 ℃冷藏，備用。廢水樣品：采自野外湖泊、靜水池塘、污染嚴重的河涌等，污水采回后，采用傳統(tǒng)5天20 ℃培養(yǎng)法測定BOD5。微生物馴化中遇到的問題與解決技巧：在微生物馴化過程中，有時候計算機讀數(shù)會變得很低，甚至會出現(xiàn)負數(shù)。呵呵，原來是線路連接出了點問題。注入清洗液目的是為了清洗微生物燃料電池陽極室內(nèi)殘留GGA溶液或樣品廢水，迅速降低輸出電壓，使樣品測定的初始條件一致，減少誤差。 樣品廢水測定（稀釋10倍、2倍、1倍），用注射器每次取20 mL注入微生物燃料電池陽極室，每個濃度重復檢測3次。其測定原理是：水樣經(jīng)稀釋后，在20℃177。溶解氧測定方法一般用碘量法5天培養(yǎng)法（20 ℃）具體步驟如下：（1）水樣的預處理： ① ～，可用鹽酸或氫氧化鈉稀溶液調(diào)pH值近于7，%。對于游離氯在短時間不能消散的水樣，可加入亞硫酸鈉溶液，以除去之。④ 從水溫較低的水域或富營養(yǎng)化的湖泊采集的水樣，可遇到含有過飽和溶解氧，此時應將水樣迅速升溫至20℃左右，充分振搖，以趕出過飽和的溶解氧。立即測定其中一瓶溶解氧，將另一瓶放入培養(yǎng)箱中，在20177。地表水由測得的高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）乘以適當?shù)南禂?shù)求得（見下表）高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）/（mg — 、 、 a．一般稀釋法：按照選定的稀釋比例，用虹吸法沿筒壁先引入部分稀釋水（或接種稀釋水）于1000mL量筒中，加入需要量的均勻水樣，再引入稀釋水（或接種稀釋水）至800mL，用帶膠板的玻璃棒小心上下攪勻。ｂ．直接稀釋法：在溶解氧瓶內(nèi)直接稀釋。如遇干擾物質(zhì)，應根據(jù)具體情況采用其他測定法。 碘量法測定溶解氧的原理是：在水樣中加入硫酸錳和堿性碘化鉀溶液，水中的溶解氧將二價錳氧化成四價錳的氫氧化物棕色沉淀。待棕色沉淀物降至瓶內(nèi)一半時，再顛倒混合一次，待沉淀物下降到瓶底（一般在取樣現(xiàn)場固定）。用下式計算水樣中溶解氧濃度： 溶解氧（O2，mg/L）=式中：C——硫代硫酸鈉溶液的濃度，mol/L； V——滴定時消耗硫代硫酸鈉溶液的體積，mL。電壓輸出穩(wěn)定時，測得微生物燃料電池不同外電阻（100 Ω~30 kΩ）時的輸出電壓，求得輸出功率，繪制極化曲線。同時，在微生物分解有機物過程中，會產(chǎn)生有機酸等物質(zhì)，降低溶液pH值。如圖30所示，外接電阻越大，輸出電壓越高，由儀器等引起的誤差就越小。因此，本文選擇較適宜的外阻為12 kΩ。微生物燃料電池外接電阻12 kΩ，陽極標準溶液BOD為5 mg/L~50 mg/L，按不同檢測時間繪制標準曲線，圖32 不同檢測時間的標準曲線如圖32可知，當檢測時間為2 h時，線性關(guān)系最好。本實驗采用混合菌種作陽極催化劑，其適應性強，清洗時間為2 min~10 min（圖29）。6．2 測試步驟圖39 傳感器測定標液的電壓時間關(guān)系圖 (BOD=5 mg/L~50首先將采集回來的廢水進行稀釋處理，根據(jù)廢水的渾濁度和氣味粗略判斷BOD值的大小，再將其稀釋13倍，保存在4℃的冰箱中。6．3 結(jié)果對比表2 實際水樣的測定結(jié)果（傳感器測定值與BOD5值對照）綜上所述，完全可以利用我們所研制的微生物燃料電池型BOD傳感器來檢測實際水樣，它省時省力，可以達到快速、在線檢測的功效。取6種廢水樣品稀釋不同濃度后進行測定，并同時取相應水樣用5天20 ℃培養(yǎng)法測定BOD5值，測定結(jié)果見表2。7．最終改進、優(yōu)化的設計圖 經(jīng)過上百次的實驗與研究，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，最終確定了如下的新型BOD傳感器檢測污水的儀器圖，以便于進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和推廣使用：