【正文】 感謝我的父母，他們犧牲休息時(shí)間來幫我完成項(xiàng)目，使我有持久的動(dòng)力和戰(zhàn)勝困難的決心。 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。 感謝廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué)石樂義、劉忠毅老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)，引導(dǎo)我走上了科學(xué)研究的道路，并在生活上、學(xué)習(xí)上給與我大力幫助。而在研究中的各種實(shí)驗(yàn)使我在課堂中所學(xué)的知識(shí)得以運(yùn)用和鞏固。這次研究經(jīng)歷使我與前沿科技親密地了一回，實(shí)時(shí)感受了“科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力”的魅力。10. 下階段研究設(shè)想（1）如何提高該BOD生物傳感器的運(yùn)行穩(wěn)定性，以及對(duì)野外各種實(shí)際廢水的檢測(cè)效果；（2）擴(kuò)大該BOD生物傳感器的應(yīng)用范圍，即除了用于廢水BOD在線監(jiān)測(cè)以外，還考察其是否可用于廢水、底泥、土壤樣品的生物毒性檢測(cè)；（3）在污水處理廠的實(shí)際、長(zhǎng)期運(yùn)行。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。（4） mg/L，%，BOD測(cè)定范圍為5~50 mg/L。（2）以廉價(jià)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(jìn)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(jiǎn)化了操作，提高了BOD傳感器的實(shí)用性。（3） 連接時(shí)注意的問題連接導(dǎo)線事先用萬用表測(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。7．最終改進(jìn)、優(yōu)化的設(shè)計(jì)圖 經(jīng)過上百次的實(shí)驗(yàn)與研究，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，最終確定了如下的新型BOD傳感器檢測(cè)污水的儀器圖，以便于進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和推廣使用：圖40 單室微生物燃料電池型BOD傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（1） 陽極室的規(guī)格與材料要求 陽極室體積20mL，陽極材料為碳?xì)?，碳?xì)执笮?cm*，用鈦線作陽極導(dǎo)線。綜上所述，以廉價(jià)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(shí)際水樣的BOD檢測(cè)， mg/L，BOD測(cè)定范圍為5 mg/L~50 mg/L，與5天培養(yǎng)法（20 ℃）%以內(nèi)。取6種廢水樣品稀釋不同濃度后進(jìn)行測(cè)定，并同時(shí)取相應(yīng)水樣用5天20 ℃培養(yǎng)法測(cè)定BOD5值，測(cè)定結(jié)果見表2。由圖可知，在標(biāo)準(zhǔn)溶液BOD濃度為5 mg/L~50 mg/L時(shí)，傳感器檢測(cè)的結(jié)果與BOD5顯著相關(guān)（R2=），并且此BOD濃度范圍內(nèi)，電壓記錄的波形重現(xiàn)性好。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。然后依次將廢水注入反應(yīng)器中，同樣每次注入20mL。6．2 測(cè)試步驟圖39 傳感器測(cè)定標(biāo)液的電壓時(shí)間關(guān)系圖 (BOD=5 mg/L~50首先將采集回來的廢水進(jìn)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。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。本實(shí)驗(yàn)采用混合菌種作陽極催化劑，其適應(yīng)性強(qiáng)，清洗時(shí)間為2 min~10 min（圖29）。本文設(shè)定輸出電壓信號(hào)降為50 mV時(shí)才能進(jìn)行下次檢測(cè)，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(huì)迅速降低。微生物燃料電池外接電阻12 kΩ，陽極標(biāo)準(zhǔn)溶液BOD為5 mg/L~50 mg/L，按不同檢測(cè)時(shí)間繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，圖32 不同檢測(cè)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖32可知，當(dāng)檢測(cè)時(shí)間為2 h時(shí)，線性關(guān)系最好。快速測(cè)定是BOD傳感器的根本任務(wù)，但測(cè)定時(shí)間太短，生化反應(yīng)不完全，信號(hào)不明顯，影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性；測(cè)定時(shí)間太長(zhǎng)，達(dá)不到快速測(cè)定的目的，不利于應(yīng)用。因此，本文選擇較適宜的外阻為12 kΩ。但外接電阻增大，微生物燃料電池電壓達(dá)到最大值的時(shí)間也隨之延長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間（如果檢測(cè)期間電壓沒有達(dá)到最大值，因電壓處于上升階段時(shí)，上升幅度相差不大，會(huì)影響檢測(cè)效果。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。以BOD為100 mg/L的GGA溶液為陽極液，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。同時(shí)，在微生物分解有機(jī)物過程中，會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸等物質(zhì)，降低溶液pH值。由圖28可見，外阻為12 kΩ時(shí)，輸出功率密度達(dá)到最大值（ mW/m2），因此，該微生物燃料電池內(nèi)阻約12 kΩ。電壓輸出穩(wěn)定時(shí)，測(cè)得微生物燃料電池不同外電阻（100 Ω~30 kΩ）時(shí)的輸出電壓，求得輸出功率，繪制極化曲線。BOD值為200 mg/L）為陽極液，接種后置于30℃人工氣候箱中恒溫培養(yǎng)，外接3 kΩ，在線記錄輸出電壓。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。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。待棕色沉淀物降至瓶?jī)?nèi)一半時(shí)，再顛倒混合一次，待沉淀物下降到瓶底（一般在取樣現(xiàn)場(chǎng)固定）。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。 碘量法測(cè)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(jià)錳氧化成四價(jià)錳的氫氧化物棕色沉淀。 （3）BOD5計(jì)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。如遇干擾物質(zhì)，應(yīng)根據(jù)具體情況采用其他測(cè)定法。其余操作與上述一般稀釋法相同。ｂ．直接稀釋法：在溶解氧瓶?jī)?nèi)直接稀釋。 按不經(jīng)稀釋水樣的測(cè)定步驟，進(jìn)行裝瓶，測(cè)定當(dāng)天溶解氧和培養(yǎng)5天后的溶解氧含量。 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。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)。 、 、 、 — 系數(shù) ＜5地表水由測(cè)得的高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)求得（見下表）高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）/（mg② 需經(jīng)稀釋水樣的測(cè)定：對(duì)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(cè)定。立即測(cè)定其中一瓶溶解氧，將另一瓶放入培養(yǎng)箱中，在20177。（2）水樣的測(cè)定：① 不經(jīng)稀釋水樣的測(cè)定：對(duì)于溶解氧含量較高、有機(jī)物含量較少的清潔地表水，可不經(jīng)稀釋，而直接以虹吸法將約20℃的混勻水樣轉(zhuǎn)移至兩個(gè)溶解氧瓶?jī)?nèi)，轉(zhuǎn)移過程中應(yīng)注意不使其產(chǎn)生氣泡。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(shí)應(yīng)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。以淀粉溶液為指示劑，用亞硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定游離碘。對(duì)于游離氯在短時(shí)間不能消散的水樣，可加入亞硫酸鈉溶液，以除去之。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。溶解氧測(cè)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(yù)處理： ① ～，可用鹽酸或氫氧化鈉稀溶液調(diào)pH值近于7，%。 如果水樣五日生化需氧量未超過7 mg/L，則不必進(jìn)行稀釋，可直接測(cè)定。其測(cè)定原理是：水樣經(jīng)稀釋后，在20℃177。 5天培養(yǎng)法測(cè)量測(cè)量樣品水樣采用5天培養(yǎng)法（20 ℃）測(cè)定廢水BOD值，與以微生物燃料電池型BOD傳感器測(cè)定值進(jìn)行比較，確定兩種方法測(cè)定結(jié)果差異，驗(yàn)證微生物燃料電池型BOD傳感器的準(zhǔn)確性與精確度。 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極室，每個(gè)濃度重復(fù)檢測(cè)3次。I=U/R；Q=It，其中：Q為電量，U為輸出電壓，R為外接電阻。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(cè)定的初始條件一致，減少誤差。 好了，問題都搞定了，可以開始我的實(shí)驗(yàn)了！5. 通過與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)。呵呵，原來是線路連接出了點(diǎn)問題。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。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(shí)候計(jì)算機(jī)讀數(shù)會(huì)變得很低，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)數(shù)。BOD值為200 mg/L）為陽極液，以運(yùn)行1年并正常產(chǎn)電的微生物燃料電池陽極液作為接種物（接種量10%），置于30 ℃人工氣候箱中恒溫培養(yǎng)，外接3000 Ω，在線記錄輸出電壓。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。陽極清洗液：不含谷氨酸和葡萄糖的GGA溶液。20 ℃冷藏，備用。該標(biāo)準(zhǔn)溶液的BOD為200177。6H2O，1 g/L NaCl， g/L Na2WO42H2O， g/L ZnCl2， g/L CuCl24H2O， g/L CoCl210 mL/L 微量元素：