【正文】 池功率密度和輸出電壓與電流密度的關(guān)系 陽(yáng)極液pH值的影響pH值是生化反應(yīng)中一個(gè)重要因素，過(guò)高或過(guò)低的均會(huì)影響微生物活性，導(dǎo)致BOD傳感器失效。圖7反映了不同清洗時(shí)間下電壓信號(hào)的下降幅度，可以看出，經(jīng)過(guò)2 min~10 min的清洗（圖中的每個(gè)電壓信號(hào)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(yáng)極液進(jìn)行檢測(cè)，電壓迅速增加，說(shuō)明陽(yáng)極生物膜能迅速氧化BOD產(chǎn)電。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(zhǎng)期穩(wěn)定性，達(dá)到BOD的現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)的目的?？偠灾ㄟ^(guò)這次研究，我的各種能力都得到了提升。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(guó)內(nèi)外熱門(mén)、前沿的研究領(lǐng)域。以BOD濃度為30 mg/L的GGA溶液作為標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)定傳感器的檢出限和精確度， mg/L，%。因此，最大限度地對(duì)傳感器的準(zhǔn)確性和測(cè)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。當(dāng)電壓降至30 mV時(shí)，向陽(yáng)極室更換GGA溶液20 mL，經(jīng)過(guò)15天共5次的陽(yáng)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(cè)試。 在BOD5測(cè)定中，一般采用碘量法測(cè)定溶解氧。 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?jī)?nèi)不應(yīng)有氣泡）。5天培養(yǎng)法（20 ℃）也稱標(biāo)準(zhǔn)稀釋法或稀釋接種法。當(dāng)電壓降至30 mV時(shí)，向陽(yáng)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。7H2O， g/L MnCl2我認(rèn)為傳感器不是要求產(chǎn)電效果有多好，而是要求測(cè)量效果有多準(zhǔn)確。 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。這也是我研究的一個(gè)突破口，是我想解決的問(wèn)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(hào)來(lái)間接指示待測(cè)水樣的BOD值。3%~177。我認(rèn)為主要解決兩個(gè)問(wèn)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(wèn)題。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)的研究課題啊！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(kāi)展了兩年的一個(gè)課題，我一直參與其中。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)。通過(guò)查找資料得知，原來(lái)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)。我希望能利用微生物燃料電池產(chǎn)電的原理，通過(guò)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。雙室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且需要曝氣以提供陰極氧還原反應(yīng)所需的氧氣，而單室微生物燃料電池采用空氣被動(dòng)曝氧，無(wú)需采用氣泵通氣，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作與維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定。廢水中可能存在大量毒害微生物的有機(jī)物和重金屬，破壞膜系統(tǒng)的功能，使測(cè)量的偏差較大，并且膜系統(tǒng)所引起的堵塞也會(huì)影響B(tài)OD傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；(3)檢測(cè)范圍狹窄。電池的陰極液多為磷酸鹽緩沖液，陽(yáng)極液為待測(cè)液。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(yáng)極室容易變形，不能固定陽(yáng)極室的體積。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(yáng)極室與陰極室的交換膜，但是鉑和質(zhì)子交換膜的價(jià)格昂貴。6H2O， mg/L MnSO4廢水樣品：采自野外湖泊、靜水池塘、污染嚴(yán)重的河涌等，污水采回后，采用傳統(tǒng)5天20 ℃培養(yǎng)法測(cè)定BOD5。 樣品廢水測(cè)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(yáng)極室，每個(gè)濃度重復(fù)檢測(cè)3次。④ 從水溫較低的水域或富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊采集的水樣，可遇到含有過(guò)飽和溶解氧，此時(shí)應(yīng)將水樣迅速升溫至20℃左右，充分振搖，以趕出過(guò)飽和的溶解氧。 — ｂ．直接稀釋法：在溶解氧瓶?jī)?nèi)直接稀釋。用下式計(jì)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(shí)消耗硫代硫酸鈉溶液的體積，mL。因此，本文選擇較適宜的外阻為12 kΩ。6．3 結(jié)果對(duì)比表2 實(shí)際水樣的測(cè)定結(jié)果（傳感器測(cè)定值與BOD5值對(duì)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(lái)檢測(cè)實(shí)際水樣，它省時(shí)省力，可以達(dá)到快速、在線檢測(cè)的功效。9. 本研究創(chuàng)新點(diǎn)（1）對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電原理進(jìn)行了逆向應(yīng)用，提出了用微生物燃料電池檢測(cè)水污染程度的新思路，設(shè)計(jì)并制造了新型單室BOD生物傳感器，它突破了傳統(tǒng)5日培養(yǎng)法測(cè)定BOD費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、操作復(fù)雜、不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)瓶頸。 感謝廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所周順桂博士給予的校外指導(dǎo)以及該研究所提供的相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。（3） 連接時(shí)注意的問(wèn)題連接導(dǎo)線事先用萬(wàn)用表測(cè)量?jī)?nèi)阻，保證鏈接導(dǎo)線電阻小于1Ω，在與信號(hào)采集器接通時(shí)注意不要與其他通道碰到一起，引起計(jì)算機(jī)讀數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。某些情況下如斷路后重新連接（線路連接不良）等會(huì)引起計(jì)算機(jī)讀數(shù)突然增大或減小。以BOD為100 mg/L的GGA溶液為陽(yáng)極液，外接電阻3 kΩ，、由圖25可知，信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果最為有利，這與Chee等（1999）的結(jié)果相一致。以淀粉為指示劑，用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定釋放出的碘，可計(jì)算出溶解氧含量。通常需作三個(gè)稀釋比，使用稀釋水時(shí)，、即獲得三個(gè)稀釋倍數(shù)；使用接種稀釋水時(shí)，、獲得三個(gè)稀釋倍數(shù)。 ② 水樣中含有銅、鋅、鉛、鎘、鉻、砷、氰等有毒物質(zhì)時(shí)，可使用經(jīng)馴化的微生物接種液的稀釋水進(jìn)行稀釋，或提高稀釋倍數(shù)，降低毒物的濃度。 好了，問(wèn)題都搞定了，可以開(kāi)始我的實(shí)驗(yàn)了！5. 通過(guò)與5天培養(yǎng)法對(duì)比， 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 采集同一河流或湖泊的污水，分別采用傳統(tǒng)的5天測(cè)量法和自己研制的新型傳感器進(jìn)行測(cè)量，記錄下數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)新型傳感器的不足并進(jìn)行改進(jìn)。該標(biāo)準(zhǔn)溶液的BOD為200177。（5）微生物燃料電池外連電阻，以16通道信號(hào)采集器（AD8223，北京瑞博華控制技術(shù)有限公司）記錄輸出電壓，每2 min記錄1次。（2） 以碳?xì)郑? cm cm，北京卡博賽科技有限公司）作陽(yáng)極，鈦線作陽(yáng)極導(dǎo)線；優(yōu)點(diǎn)：以前試過(guò)用碳布作陽(yáng)極，但是發(fā)現(xiàn)用碳布作陽(yáng)極內(nèi)阻很大，后來(lái)嘗試用碳?xì)?，發(fā)現(xiàn)碳?xì)钟捎谙鄬?duì)表面積增大，內(nèi)阻也減小了許多，因此用碳?xì)肿鲫?yáng)極。（2）微生物燃料電池型傳感器檢測(cè)的優(yōu)化：進(jìn)行多個(gè)水樣試驗(yàn)，考察組裝微生物燃料電池型傳感器在各種復(fù)雜條件（不同溶解氧、不同毒害物種類與含量）下檢測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性，改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)，優(yōu)化檢測(cè)條件，提高儀器的檢測(cè)效果，編寫(xiě)信號(hào)處理程序，直接將微生物燃料電池電信號(hào)轉(zhuǎn)換成BOD數(shù)據(jù)。因此，開(kāi)發(fā)高性能、低成本的BOD快速測(cè)定儀具有重要的意義。但該檢測(cè)法也存在一些缺點(diǎn)，如測(cè)定周期長(zhǎng)，不宜現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，不能及時(shí)反映排放水的污染程度等。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(kāi)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)?！蓖?，真的高興死我了！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。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)。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。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?。∥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(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。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。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。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。 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。真是事半功倍啊。使用方法：在換陽(yáng)極液的時(shí)候，打開(kāi)進(jìn)水口和出水口，用20mL注射器從進(jìn)水口注入20mL陽(yáng)極液。7H2O。但有時(shí)還是莫名其妙的出問(wèn)題，怎么回事呢？最后是周老師找到了原因，原來(lái)反應(yīng)器所處的環(huán)境溫度應(yīng)該保持穩(wěn)定在30℃左右。若水樣的酸度或堿度很高，可改用高濃度的堿或酸液進(jìn)行中和。L1） 工業(yè)廢水可由重鉻酸鉀法測(cè)得的CODcr值確定。加酸后，沉淀溶解，四價(jià)錳又可氧化碘離子而釋放出與溶解氧量相當(dāng)?shù)挠坞x碘。因此，應(yīng)當(dāng)在水樣中加入一定濃度的緩沖液，以控制溶液的pH值。圖33 清洗時(shí)間對(duì)檢測(cè)的影響6. 實(shí)際水樣檢測(cè)示例6．1