【正文】 iosenor）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)濟技術開發(fā)區(qū)污水處理廠。污水微生物發(fā)電技術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。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。 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。12%。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。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。 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]。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。（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。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。 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。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。（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。4H2O， g/L CoCl220 ℃冷藏，備用。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)。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。其測定原理是：水樣經(jīng)稀釋后，在20℃177。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。立即測定其中一瓶溶解氧，將另一瓶放入培養(yǎng)箱中，在20177。 、 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。如遇干擾物質(zhì)，應根據(jù)具體情況采用其他測定法。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）。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。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。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，線性關系最好。6．2 測試步驟圖39 傳感器測定標液的電壓時間關系圖 (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。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。（2）以廉價MnO2代替貴金屬Pt做陰極催化劑，國產(chǎn)低成本陽離子交換膜代替昂貴的進口質(zhì)子交換膜，構(gòu)建了單室微生物燃料電池型BOD傳感器，大大地降低了制作成本，簡化了操作，提高了BOD傳感器的實用性。這次研究經(jīng)歷使我與前沿科技親密地了一回，實時感受了“科學技術轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力”的魅力。 感謝我的父母，他們犧牲休息時間來幫我完成項目，使我有持久的動力和戰(zhàn)勝困難的決心。而在研究中的各種實驗使我在課堂中所學的知識得以運用和鞏固。（4） mg/L，%，BOD測定范圍為5~50 mg/L。綜上所述，以廉價MnO2代替金屬鉑做陰極催化劑，陽離子交換膜代替昂貴質(zhì)子交換膜的單室微生物燃料電池型BOD傳感器，制作成本大大降低，可以用于實際水樣的BOD檢測， mg/L，BOD測定范圍為5 mg/L~50 mg/L，與5天培養(yǎng)法（20 ℃）%以內(nèi)。然后依次將廢水注入反應器中，同樣每次注入20mL。本文設定輸出電壓信號降為50 mV時才能進行下次檢測，具體方法是：向陽極室中注射20 mL充氮排氧的陽極清洗液，由于清洗液中不含BOD，故微生物燃料電池的輸出電壓會迅速降低。但外接電阻增大，微生物燃料電池電壓達到最大值的時間也隨之延長，從而延長檢測時間（如果檢測期間電壓沒有達到最大值，因電壓處于上升階段時，上升幅度相差不大，會影響檢測效果。由圖28可見，外阻為12 kΩ時，輸出功率密度達到最大值（ mW/m2），因此，該微生物燃料電池內(nèi)阻約12 kΩ。小心蓋好瓶塞，顛倒混合搖勻，至沉淀物全部溶解，放于暗處靜置5min。 （3）BOD5計算： ① 不經(jīng)稀釋直接培養(yǎng)的水樣：BOD5（mg/L）=C1－C2式中：C1——水樣在培養(yǎng)前的溶解氧濃度，mg/L；C2——水樣經(jīng)5天培養(yǎng)后，剩余的溶解氧濃度，mg/L。 按不經(jīng)稀釋水樣的測定步驟，進行裝瓶，測定當天溶解氧和培養(yǎng)5天后的溶解氧含量。 、 系數(shù) ＜5② 需經(jīng)稀釋水樣的測定：對于污染的地表水和大多數(shù)工業(yè)廢水，需要稀釋后再培養(yǎng)測定。以淀粉溶液為指示劑，用亞硫酸鈉標準溶液滴定游離碘。 如果水樣五日生化需氧量未超過7 mg/L，則不必進行稀釋，可直接測定。I=U/R；Q=It，其中：Q為電量，U為輸出電壓，R為外接電阻。發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種情況的原因主要是線路接觸不良，或者外界影響，比如溫度等。陽極清洗液：不含谷氨酸和葡萄糖的GGA溶液。2H2O， g/L ZnCl2， g/L CuCl2實驗采用的標準溶液為GGA溶液，即：150 mg/L谷氨酸和150 mg/L葡萄糖，15 mg/L KH2PO4，30 mg/L (NH4)2SO4，50 mg/L MgSO4所以，選材的時候我盡量采用了價格便宜但功能又差不多的國產(chǎn)材料，盡量做到物美價廉。優(yōu)點： 選擇實驗材料是很困難的過程，特別是對我們這些開展科學研究并不是很深入的人來說。如何才能將孔打得“均勻”，而且操作“快速”呢？想了好幾天，都沒解決。（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，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陰極碳布，與空氣中的氧反應生成水。3. 研究內(nèi)容我認為研究的技術突破口是開發(fā)一種基于微生物燃料電池的便攜式BOD在線測定儀。 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，當樣品中的BOD物質(zhì)發(fā)生降解代謝時，會偶聯(lián)微生物輸出電流強弱的變化，在一定條件下傳感器輸出的電量與BOD的濃度呈線性關系。 BOD生物傳感器BOD生物傳感器是一種微生物與電化學轉(zhuǎn)換器相結(jié)合而構(gòu)成的傳感器．當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，由于微生物呼吸活性恒定，傳感器輸出一個恒定的電流值；當傳感器置于含有BOD物質(zhì)的磷酸鹽緩沖溶液時，則因微生物對BOD物質(zhì)的同化作用，使其活性增強而耗氧，導致傳感器輸出信號降低．在一定的范圍內(nèi)，傳感器輸出電流的降低值與BOD物質(zhì)的濃度呈線性關系。這種BOD傳感器存在以下局限性：(1)穩(wěn)定性低。針對以上問題，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、國產(chǎn)化的膜材質(zhì)代替質(zhì)子交換膜，能否采用廉價的非貴金屬催化劑代替Pt呢？我與輔導老師進行協(xié)商，上網(wǎng)查資料，發(fā)現(xiàn)我的設想是值得嘗試的。其陽極和陰極反應式如下所示： 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。BOD的其它測定方法主要有檢壓式庫侖計法、短時日法、平臺值法和瓦勃呼吸法等，這些方法基本上是基于一些經(jīng)驗公式，且操作過程均較為復雜，測定過程不夠穩(wěn)定，沒有得到推廣。學會了廢水BOD值、氨氮含量的檢測方法；學會繪制電池性能曲線，評價電池性能；學會了實驗室一些常用儀器的操作。查閱了大量資料后，也沒有發(fā)現(xiàn)好的辦法。但是，活動過程中專家介紹的一個細節(jié)引起了我的注意——污水檢測目前技術手段還比較落后，用的檢測儀需要五天才能檢測出最后結(jié)果。污水微生物發(fā)電技術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，同時去除有機污染物，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。本研究是我在研究污水微生物發(fā)電過程中產(chǎn)生的一個靈感。通過參觀，我對污水處理的流程有了大致的了解，對黑