【正文】 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。其陽(yáng)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(yáng)極室、中間由隔膜分開。近年來(lái)，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)。BOD的其它測(cè)定方法主要有檢壓式庫(kù)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(guò)程均較為復(fù)雜，測(cè)定過(guò)程不夠穩(wěn)定，沒(méi)有得到推廣。第四步，取水樣，實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證可行性。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?！蓖郏娴母吲d死我了！我馬上上網(wǎng)檢索、到全國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)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。查閱了大量資料后，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)好的辦法。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)。但是，活動(dòng)過(guò)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。研究結(jié)果表明：（1）以廉價(jià)MnO2為陰極催化劑，陽(yáng)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)。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(lái)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。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(wèn)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)。本研究是我在研究污水微生物發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的一個(gè)靈感。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。通過(guò)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(guò)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?？茖W(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。當(dāng)時(shí)這個(gè)研究遇到了問(wèn)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(lái)一直在想辦法，看如何才能提高發(fā)電量。那么反過(guò)來(lái)，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??！我把這個(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(wèn)題么？ 我把這個(gè)想法與輔導(dǎo)老師說(shuō)，輔導(dǎo)老師竟然驚訝的望著我說(shuō)：“對(duì)啊，我都沒(méi)想到這個(gè)方面，你這是反其道而用之，非常有創(chuàng)新。（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。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(lái)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(guò)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。該法操作復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不宜現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。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。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(yáng)極室中被產(chǎn)電微生物氧化，產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽(yáng)極，電子通過(guò)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(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與氧反應(yīng)生成水。傳統(tǒng)的微生物燃料電池型BOD傳感器均為雙室型。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。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。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(guò)微生物氧化作用來(lái)降解有機(jī)物，消耗溶解氧，再通過(guò)檢測(cè)溶解氧的減少量而測(cè)定BOD值。由于氧在水中的溶解度低，造成檢測(cè)過(guò)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。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。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(wèn)題。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(guò)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。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。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。 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(guò)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。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。所以針對(duì)20mL的注射器（高7厘米，） ，我經(jīng)過(guò)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。本來(lái)我想打孔這種事很簡(jiǎn)單，沒(méi)想到真正動(dòng)起手來(lái)，才感到“難”。真是事半功倍啊。（3）以載MnO2碳布（碳布規(guī)格：7 cm cm，MnO2載量：12 mg/cm2）作陰極，熱壓在陽(yáng)離子交換膜（8 cm8 cm，浙江千秋環(huán)保水處理有限公司）上制成“二合一”膜陰極組，包裹在20 mL針管上，并用環(huán)氧樹脂膠密封，纏繞鈦線作陰極導(dǎo)線。后來(lái)與化學(xué)老師、物理老師一起來(lái)研究，覺(jué)得用MnO2作陰極催化劑，用陽(yáng)離子交換膜代替質(zhì)子交換膜，催化效果相差應(yīng)該不是很大，且MnO2便宜很多。選擇過(guò)程中我遇到的問(wèn)題：起初以為選材水平越高越好，材料越好做出來(lái)的反應(yīng)器就越靈敏，但很多同學(xué)和老師聽了我的介紹后，都覺(jué)得如果反應(yīng)器成本價(jià)格太高，那么要批量生產(chǎn)并投入市場(chǎng)就很難了，只有物美