【正文】 水微生物發(fā)電技術(shù)，即微生物燃料電池的發(fā)電研究”。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傳感器檢測的最佳條件，其次是利用傳感器測量電量，建立線性方程，不斷調(diào)整，提高廢水樣品檢測的準(zhǔn)確度、科學(xué)性等問題。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。3%~177。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)場實(shí)時(shí)監(jiān)測等問題。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)生的不同光信號來間接指示待測水樣的BOD值。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。這也是我研究的一個(gè)突破口，是我想解決的問題。（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傳感器測定標(biāo)準(zhǔn)溶液的電流、電壓，用傳統(tǒng)方法測定標(biāo)準(zhǔn)溶液BOD5值，對比兩者的相關(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污水的標(biāo)準(zhǔn)。 注射器是圓柱體，表面非常光滑，打孔鉆頭是尖的， 兩者一接觸，就打滑，不好操作。在選取陽極導(dǎo)線的時(shí)候，曾今用過不銹鋼絲等金屬線，發(fā)現(xiàn)時(shí)間長了就容易生銹，導(dǎo)致內(nèi)阻增大或接觸不良，后來選用鈦線作陽極導(dǎo)線，發(fā)現(xiàn)鈦線的抗腐蝕性和導(dǎo)電性都比其他的要好，因此選用鈦線作陽極導(dǎo)線。我認(rèn)為傳感器不是要求產(chǎn)電效果有多好，而是要求測量效果有多準(zhǔn)確。選用的理由：16通道信號采集器的通道較多，價(jià)格比較便宜，也是最常用的，學(xué)校的物理實(shí)驗(yàn)室很容易找到，不必購買，能達(dá)到記錄輸出電壓的要求，因此選用了16通道信號采集器。7H2O， g/L MnCl210 mg/L，通過稀釋得到不同BOD值的標(biāo)準(zhǔn)溶液，177。當(dāng)電壓降至30 mV時(shí)，向陽極室更換GGA溶液20 mL，經(jīng)5個(gè)周期后，電池的輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定，認(rèn)為微生物培養(yǎng)、馴化與電池啟動(dòng)完畢。 用研制成功的BOD生物傳感器檢測人工配水樣品 測試過程待微生物燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定后，用20 mL陽極清洗液清洗微生物燃料電池陽極室，當(dāng)輸出電壓降至50 mV時(shí)用注射器緩緩注入GGA溶液或廢水樣品20 mL，檢測（2 h）完畢后再次用清洗液清洗，進(jìn)入第二輪檢測。5天培養(yǎng)法（20 ℃）也稱標(biāo)準(zhǔn)稀釋法或稀釋接種法。③ 含有少量游離氯的水樣，一般放置1～2h，游離氯即可消失。以同樣的操作使兩個(gè)溶解氧瓶充滿水樣后溢出少許，加塞水封（瓶內(nèi)不應(yīng)有氣泡）。 稀釋倍數(shù)確定后，按下法之一測定水樣。 在BOD5測定中，一般采用碘量法測定溶解氧。反應(yīng)式如下：MnSO4+2NaOH=Na2SO4+Mn(OH)2↓ 2Mn(OH)2 +O2=2 MnO(OH)2↓（棕色沉淀） MnO(OH)2+2H2SO4=Mn(SO4)2+3H2OMn(SO4)2+2KI= MnSO4+K2SO4+I22Na2S2O3+I2=Na2S4O6+2NaI具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）溶解氧的固定：用吸管插入溶解氧瓶的液面下加入1mL硫酸錳溶液、2mL堿性碘化鉀溶液，蓋好瓶塞，顛倒混合數(shù)次，靜置。當(dāng)電壓降至30 mV時(shí)，向陽極室更換GGA溶液20 mL，經(jīng)過15天共5次的陽極液更換后，電池的輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定，電池啟動(dòng)完畢，進(jìn)行各項(xiàng)測試。 圖29 陽極液pH值對微生物燃料電池電壓輸出的影響 外接電阻的影響以BOD值為100 mg/L的GGA溶液做微生物燃料電池陽極液，改變外接電阻（1 kΩ、2 kΩ、3 kΩ、12 kΩ），考察外接電阻對輸出功率和檢測結(jié)果的影響。因此，最大限度地對傳感器的準(zhǔn)確性和測定速度進(jìn)行優(yōu)化，是BOD傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。線路連接斷開或者長時(shí)間沒有給微生物燃料電池更換陽極液會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)讀數(shù)為零，這時(shí)候檢查反應(yīng)器并及時(shí)更換微生物燃料電池陽極液。以BOD濃度為30 mg/L的GGA溶液作為標(biāo)準(zhǔn)溶液，測定傳感器的檢出限和精確度， mg/L，%。8. 結(jié)論（1）基于微生物燃料電池原理，構(gòu)建新型、代成本、單室BOD生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了BOD的在線、自動(dòng)快速檢測。研究后記微生物燃料電池技術(shù)與生物傳感器研制是兩個(gè)國內(nèi)外熱門、前沿的研究領(lǐng)域。周博士犧牲了很多時(shí)間來指導(dǎo)我完成實(shí)驗(yàn)研究，這種無私奉獻(xiàn)，勇于承擔(dān)社會(huì)責(zé)任的精神深深地影響著我?？偠灾?，通過這次研究，我的各種能力都得到了提升。實(shí)際水樣檢測結(jié)果顯示，與5天培養(yǎng)法（20 ℃）%以內(nèi)。今后的研究重點(diǎn)是如何維持微生物燃料電池傳感器的長期穩(wěn)定性，達(dá)到BOD的現(xiàn)場在線監(jiān)測的目的。根據(jù)計(jì)算機(jī)讀數(shù)代入線性方程，得出廢水的BOD值。圖7反映了不同清洗時(shí)間下電壓信號的下降幅度，可以看出，經(jīng)過2 min~10 min的清洗（圖中的每個(gè)電壓信號數(shù)據(jù)點(diǎn)相當(dāng)于2 min），電壓會(huì)降至設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)（即50 mV），再次注入GGA陽極液進(jìn)行檢測，電壓迅速增加，說明陽極生物膜能迅速氧化BOD產(chǎn)電。），達(dá)不到快速檢測的效果。圖28 電池功率密度和輸出電壓與電流密度的關(guān)系 陽極液pH值的影響pH值是生化反應(yīng)中一個(gè)重要因素，過高或過低的均會(huì)影響微生物活性，導(dǎo)致BOD傳感器失效。 （3）滴定： mL上述溶液于250mL錐形瓶中，用硫代硫酸鈉溶液滴定至溶液呈淡黃色，加入1mL淀粉溶液，繼續(xù)滴定至藍(lán)色剛好褪去，記錄硫代硫酸鈉溶液用量。② 經(jīng)稀釋后培養(yǎng)的水樣：BOD5（mg/L）=式中：C1——稀釋后的水樣在培養(yǎng)前的溶解氧濃度，mg/L；C2——稀釋后的水樣經(jīng)5天培養(yǎng)后，剩余的溶解氧濃度，mg/L；B1——稀釋水(或接種稀釋水)在培養(yǎng)前的溶解氧濃度，mg/L；B2——稀釋水(或接種稀釋水)經(jīng)5天培養(yǎng)后，剩余的溶解氧濃度，mg/L； f1——稀釋水(或接種稀釋水)在培養(yǎng)液中所占比例；f2——原水樣在培養(yǎng)液中所占比例。另取兩個(gè)溶解氧瓶，用虹吸法裝滿稀釋水（或接種稀釋水）作為空白，分別測定5天前、后的溶解氧含量。 ＞20 10～20 根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，稀釋倍數(shù)（指稀釋后體積與原水樣體積之比）用下述方法計(jì)算。根據(jù)亞硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗的體積及其濃度，計(jì)算水樣中所需亞硫酸鈉溶液的量。很多較清潔的河水就屬于這一類水。根據(jù)GGA標(biāo)準(zhǔn)溶液的BOD值與其微生物燃料電池輸出電量存在正比例關(guān)系，依此建立線性方程。怎么解決呢？檢查一下信號采集器線路，或者斷開反應(yīng)器一段時(shí)間后再接上，儀器又恢復(fù)正常了。每次注入前需通氮?dú)?0 min。2H2O， g/L H3BO3， g/L鈉鉬酸鹽， g/L Na2SeO3， g/L NiSO47H2O， mg/L CaCl2， mg/L FeCl3空氣陰極無介體微生物燃料電池的陽極室必須保證一個(gè)厭氧環(huán)境，才能讓微生物更好的利用陽極液中的營養(yǎng)物質(zhì)，因此在制作空氣陰極無介體微生物燃料電池的過程中，必須要保證陽極室能完全密封，為了能讓二合一膜將注射器緊緊的包裹起來，我試了幾種膠水，最后選用環(huán)氧樹脂膠，并且反復(fù)粘兩次，才將膜粘到注射器上，達(dá)到了進(jìn)水后不漏水，確保陽極室的密封效果。我大約用了二十幾天才選定了實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行了大量的調(diào)查和研究。突然有一天，上體育課時(shí)的一個(gè)小活動(dòng)引起了我的注意——為了防止舉杠鈴時(shí)打滑及受傷，很多同學(xué)都把創(chuàng)可貼貼在手上，竟然真的不會(huì)滑?？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。利用這個(gè)儀器檢測污水，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，通過與常規(guī)的5天BOD檢測法進(jìn)行對比，不斷的優(yōu)化測定儀，實(shí)現(xiàn)其檢測便捷、成本低廉、便于應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。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。從這個(gè)意義上來說，BOD生物傳感器具有檢測污水的優(yōu)勢條件，可以得到充分的應(yīng)用。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。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，在分析舊的檢測方法的基礎(chǔ)上，優(yōu)化與確定了檢測條件，并對實(shí)際水樣進(jìn)行BOD檢測，降低BOD傳感器的構(gòu)建成本，簡化了操作，提高了實(shí)用性。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）。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。 我的研究設(shè)想與需要解決的問題 目前污水的BOD測定法主要是5天20 ℃培養(yǎng)法，這種方法耗時(shí)費(fèi)力。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)。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。傳統(tǒng)的污水微生物發(fā)電技術(shù)正是利用了這一原理。研制開發(fā)適合我國國情的、性能優(yōu)良且價(jià)格合理的污水檢測裝置，是非常必要和迫切的。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（B