微生物燃料電池逆向探究

1、-實(shí)用新型BOD生物傳感器檢測污水的研究研 究 者：楊一覽年 級：高二學(xué) 科：環(huán)境科學(xué)指導(dǎo)老師：劉忠毅、周順桂學(xué) 校：廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué)2009年2月18日目 錄摘要21. 前言41.1 選題是怎樣產(chǎn)生的？41.2 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)想與需要解決的問題5 國內(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)7772.3 BOD生物傳感器82.4微生物燃料電池原理與應(yīng)用8基于微生物燃料電池的BOD生物傳感器93. 研究內(nèi)容94. 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法12新型BOD傳感器設(shè)計(jì)與制作134.2人工配水和清洗液的配備與樣品廢水采集184.3 微生物培養(yǎng)與馴化19

2、19實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)19用研制成功的BOD生物傳感器檢測人工配水樣品195.3 5天培養(yǎng)法測量測量樣品水樣 21246. 實(shí)際水樣檢測示例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)想研究后記參考文獻(xiàn)附件摘 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)測和污水處理廠運(yùn)行污水檢測。傳統(tǒng)BOD的檢測方法是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)，但也存在檢測時(shí)間長、不能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測的缺點(diǎn)。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。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(gè)靈感。污

3、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。傳統(tǒng)的污水微生物發(fā)電技術(shù)正是利用了這一原理。但反過來，如果研究污水產(chǎn)電量的大小，就可以知道廢水中有機(jī)物的含量這不就是污染程度（BOD）么？通過大量的調(diào)查與資料分析，針對傳統(tǒng)雙室型BOD傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、操作不便的缺陷，我提出了采用單室型微生物燃料電池作為BOD傳感器的核心部件的設(shè)想，并且采用國產(chǎn)低成本離子交換膜代替質(zhì)子交換膜，采用廉價(jià)MnO2代替鉑作陰極催化劑，設(shè)計(jì)、構(gòu)建與運(yùn)行了一套新型低成本BOD生物傳感器。優(yōu)化與確定了該傳

4、感器的檢測條件，考察與比較它對實(shí)際水樣BOD的檢測效果，探索出了一個(gè)BOD檢測的新方法。研究結(jié)果表明：（1）以廉價(jià)MnO2為陰極催化劑，陽離子交換膜為隔膜，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)簡單，操作方便，可用于BOD的在線實(shí)時(shí)檢測；（2）該BOD傳感器的適宜運(yùn)行條件為：樣品pH7.0，外接電阻12 k，檢測時(shí)間2 h，清洗時(shí)間210 min；（3）實(shí)際水樣檢測結(jié)果顯示，傳感器最低檢出限為0.2 mg/L，精確度為0.33%，標(biāo)準(zhǔn)曲線線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9992，與BOD5比較，相對誤差在4.0%以內(nèi)。本研究顯示，微生物燃料電池型BOD生物傳感器在水體污染監(jiān)測、預(yù)警與控制方面具有

5、廣闊的應(yīng)用前景。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（Biosenor）微生物燃料電池逆向探究的新發(fā)現(xiàn) -實(shí)用新型BOD生物傳感器檢測污水的研究1. 前 言1.1 選題是怎樣產(chǎn)生的在學(xué)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(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理廠。通過參觀，我對污水處理的流程有了大致的了解，對黑臭的污水如何通過一整套反應(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。但是，活動過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目前技術(shù)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。天哪，五天？是不是太慢了！ 活

6、動結(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。通過查找資料得知，原來生化需氧量（biochemical oxygen demand，BOD）是反映“污水變得干凈”的最重要指標(biāo)?？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mgL-1。緊接著，我又了解到，BOD的監(jiān)測非常費(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)。如果我能夠快速地獲得水體的BOD值

7、，實(shí)現(xiàn)BOD的在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測，那是多么有意義、有挑戰(zhàn)的研究課題?。∮幸惶?，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)開展了兩年的一個(gè)課題，我一直參與其中。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，來氧化污水中的有機(jī)物產(chǎn)生電流同時(shí)凈化污水。當(dāng)時(shí)這個(gè)研究遇到了問題，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)月來一直在想辦法，看如何才能提高發(fā)電量。查閱了大量資料后，也沒有發(fā)現(xiàn)好的辦法。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)。突然這時(shí)一個(gè)想法在我的頭腦中產(chǎn)生出來，我想，既然污水中的有機(jī)

8、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。那么反過來，如果我檢測污水產(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)檢測中去，不就可以解決現(xiàn)在BOD檢測時(shí)間長、效果不理想的問題么？ 我把這個(gè)想法與輔導(dǎo)老師說，輔導(dǎo)老師竟然驚訝的望著我說：“對啊，我都沒想到這個(gè)方面，你這是反其道而用之，非常有創(chuàng)新?！蓖?，真的高興死我了！我馬上上網(wǎng)檢索、到全國數(shù)據(jù)庫檢索并向?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。1.2 研究設(shè)想 微生物燃料電池的研究基礎(chǔ)參與學(xué)?？萍寂d趣小組研究已經(jīng)快2年，我們

9、一直在研究“污水微生物發(fā)電技術(shù)，即微生物燃料電池的發(fā)電研究”。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(yīng)用潛力有了較充分的了解和認(rèn)識；2）親自設(shè)計(jì)、動手制作了一個(gè)單室型微生物燃料電池裝置，并且發(fā)出了微量電能。（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。學(xué)會了廢水BOD值、氨氮含量的檢測方法；學(xué)會繪制電池性能曲線，評價(jià)電池性能；學(xué)會了實(shí)驗(yàn)室一些常用儀器的操作。 圖1 我的成果用于污水微生物發(fā)電的微生物燃料電池 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。

10、我希望能利用微生物燃料電池產(chǎn)電的原理，通過監(jiān)測、研究電量的多少，變化規(guī)律，從而可以快速的檢測污水的污染狀況。第一步，對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，利用人工配水來摸索BOD傳感器檢測的最佳條件；第三步，利用傳感器檢測廢水樣品，并通過與傳統(tǒng)測量方法的比較確定傳感器的精確度與檢測限值。第四步，取水樣，實(shí)際檢測驗(yàn)證可行性。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。 國內(nèi)外研究

11、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。該法操作復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不宜現(xiàn)場監(jiān)測。BOD的其它測定方法主要有檢壓式庫侖計(jì)法、短時(shí)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(yàn)公式，且操作過程均較為復(fù)雜，測定過程不夠穩(wěn)定，沒有得到推廣。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。該儀器由固定化土壤菌群與氧電極構(gòu)成，檢測時(shí)間短（15 min內(nèi)）。但由于微生物酶對固定化微生物膜的破壞，傳感器的壽命非常短。近年來，微生物燃料電池（Microbial fuel cell, MFC）用于BOD的在線監(jiān)測

12、開始受到關(guān)注，韓國科學(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。陽極反應(yīng)：(CH2O)nnH2O nCO24n e-4nH+ （1）陰極反應(yīng)： 4e-O24H+ 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。該傳感器的核心部件是微生物燃料電池反應(yīng)器，微生物燃料電池是一種以微生物為催化劑的電化學(xué)裝置，它以產(chǎn)電微生物為陽極催化劑，將廢水中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能。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

13、傳遞給電池陽極，電子通過外電路到達(dá)陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與氧反應(yīng)生成水。其陽極和陰極反應(yīng)式如下所示：微生物燃料電池的基本結(jié)構(gòu)為陰極室、陽極室、中間由隔膜分開。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）。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曝氧，無需采用氣泵通氣，它結(jié)構(gòu)簡單，操作與維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定。傳統(tǒng)的微生物燃料電池型BOD傳感器均為雙室型。韓國科學(xué)家Kim等2（2003）采用無介體雙室微生物燃料電池構(gòu)建了BOD傳感器，大大延長了傳感器的使用壽命（5年

14、以上），并且測得BOD與電量之間的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，檢測樣品廢水結(jié)果顯示標(biāo)準(zhǔn)差為±3%±12%。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（美國杜邦Nafion，每平方米600800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。針對以上問題，我想：能

15、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(jià)的非貴金屬催化劑代替Pt呢？我與輔導(dǎo)老師進(jìn)行協(xié)商，上網(wǎng)查資料，發(fā)現(xiàn)我的設(shè)想是值得嘗試的。 圖2 與輔導(dǎo)老師研究項(xiàng)目的可行性經(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。表1 本研究提供的新型BOD生物傳感器與傳統(tǒng)BOD傳感器的材料價(jià)格比較表BOD

16、傳感器構(gòu)型催化劑交換膜名稱價(jià)格（元/克）名稱價(jià)格（元/ m2）本研究單室MnO2離子交換膜35傳統(tǒng)型雙室鉑400質(zhì)子交換膜50002研究背景與研究中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)目前，國內(nèi)外BOD的主要測定方法有：五日生化需氧量法（5天培養(yǎng)法）、庫侖計(jì)法、瓦勃呼吸法等。五日生化需氧量法（BOD5）是我國現(xiàn)行的BOD標(biāo)準(zhǔn)測定法，該法由于檢測成本低、結(jié)果穩(wěn)定、便于操作的原因，一直被廣泛使用。但該檢測法也存在一些缺點(diǎn)，如測定周期長，不宜現(xiàn)場監(jiān)測，不能及時(shí)反映排放水的污染程度等。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。通過上網(wǎng)調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)其實(shí)探索低成本、高效、穩(wěn)定的BOD傳感

17、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(jià)格昂貴、不穩(wěn)定、操作復(fù)雜等原因，沒有得到良好的推廣與應(yīng)用。最主要的有如下幾項(xiàng)研究：2.1 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)控的檢測系統(tǒng)，它一般以固定化微生物人工膜系統(tǒng)作為識別元件，以氧電極作為物理傳感器，通過微生物氧化作用來降解有機(jī)物，消耗溶解氧，再通過檢測溶解氧的減少量而測定BOD值。這種BOD傳感器存在以下局限性：(1)穩(wěn)定性低。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。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)

18、的功能，使測量的偏差較大，并且膜系統(tǒng)所引起的堵塞也會影響B(tài)OD傳感器的長期穩(wěn)定性；(3)檢測范圍狹窄。由于氧在水中的溶解度低，造成檢測過程中信號微弱，因此基于溶解氧探針的BOD傳感器檢測范圍狹窄。2.2 光度法BOD傳感器在不同濃度的溶解氧條件下，光度法BOD傳感器能夠產(chǎn)生不同的熒光，得到不同的電流，從而間接反映出水樣中的BOD值。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。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(diǎn)。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)確測定BOD值。

19、BOD生物傳感器BOD生物傳感器是一種微生物與電化學(xué)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合而構(gòu)成的傳感器當(dāng)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(shí)，由于微生物呼吸活性恒定，傳感器輸出一個(gè)恒定的電流值；當(dāng)傳感器置于含有BOD物質(zhì)的磷酸鹽緩沖溶液時(shí)，則因微生物對BOD物質(zhì)的同化作用，使其活性增強(qiáng)而耗氧，導(dǎo)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(guān)系。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。 迄今為止，不少國家對利用生物傳感器快速測定BOD都制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)說明。但目前BOD傳感器大多數(shù)研究處于實(shí)驗(yàn)室

20、階段，距普遍應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x，少數(shù)成形產(chǎn)品也存在一些問題。因此，開發(fā)高性能、低成本的BOD快速測定儀具有重要的意義。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。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。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

21、料分子轉(zhuǎn)移到電極。2.5 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(dāng)樣品中的BOD物質(zhì)發(fā)生降解代謝時(shí)，會偶聯(lián)微生物輸出電流強(qiáng)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(guān)系。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，通過電流的自動采

22、集即可實(shí)現(xiàn)BOD的在線檢測。電池的陰極液多為磷酸鹽緩沖液，陽極液為待測液。2003年，韓國科學(xué)家研制了第一臺微生物燃料電池型BOD傳感器。該傳感器采用連續(xù)流方式進(jìn)樣，實(shí)現(xiàn)了BOD在線監(jiān)測，但是它使用鉑作催化劑，而且需要昂貴質(zhì)子交換膜（每平米約800美元），因而其制作成本高昂，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。這也是我研究的一個(gè)突破口，是我想解決的問題。如何才能實(shí)現(xiàn)微生物燃料電池檢測污水的裝置能實(shí)現(xiàn)價(jià)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。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。3. 研究內(nèi)容我認(rèn)為研究的技術(shù)突破口是開發(fā)一種

23、基于微生物燃料電池的便攜式BOD在線測定儀。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)。最后，通過實(shí)際檢測水樣的規(guī)范操作示例，為檢測儀的應(yīng)用與推廣提供參考依據(jù)。 3.1 技術(shù)路線的設(shè)計(jì)不斷調(diào)整與改進(jìn)是否3.2 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)：通過多次設(shè)計(jì)與修改，對比不同設(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。（2）微生物燃料電池型傳感器檢測的優(yōu)化：進(jìn)行多個(gè)水樣試驗(yàn)，考察組裝微生物

24、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)化檢測條件，提高儀器的檢測效果，編寫信號處理程序，直接將微生物燃料電池電信號轉(zhuǎn)換成BOD數(shù)據(jù)。（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)。（4）實(shí)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(biāo)準(zhǔn)曲線換算出水樣BOD值，得出水污染的情況，對比污染

25、指標(biāo)，提出檢測的依據(jù)，為應(yīng)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(shí)際使用情況，改進(jìn)設(shè)備。4. 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法4.1 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采集裝置兩大部分，為單室空氣陰極微生物燃料電池。（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12×13個(gè)，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

26、膜到達(dá)陰極碳布，與空氣中的氧反應(yīng)生成水?？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。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，使得陽極室容易變形，不能固定陽極室的體積。所以針對20mL的注射器（高7厘米，周長） ，我經(jīng)過認(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12×13（橫向12排，縱向13排） ，孔直徑4 mm為最合適。制作過程中遇到的問題與解決辦法： 在給注射器打孔過程中，我遇到一個(gè)意想不到的問題，搞的我手忙腳亂。 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。鉆頭高

27、速旋轉(zhuǎn)時(shí)還會有傷到手的危險(xiǎn)，而且打出的孔奇形怪狀、分布不均勻。本來我想打孔這種事很簡單，沒想到真正動起手來，才感到“難”。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。突然有一天，上體育課時(shí)的一個(gè)小活動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，竟然真的不會滑。一個(gè)靈感展現(xiàn)在我頭腦中，那如果我也在注射器針管上貼上一張紙，是不是就解決打滑問題了呢？我趕緊跑到實(shí)驗(yàn)室，一操作，竟然真的成功了！那如何才能均勻的打好孔呢？ 數(shù)學(xué)課上學(xué)到的知識這次幫到了我，可以根據(jù)幾何圖形來布局??！我根據(jù)注射器外面要貼的紙的尺寸在電腦上畫好“網(wǎng)格”，用打印機(jī)打印出來，用不干

28、膠將它固定到注射器上，再來打孔，一下子就打出了規(guī)則、漂亮的孔了。真是事半功倍啊。圖5 嘗試在針管上打孔（打滑） 圖6 用方格紙解決打滑問題（好主意） 圖7 把方格紙粘在針管上 圖8 在針管上打孔，解決了打滑問題 圖9 處理好的針管（多好的作品啊，我真為自己自豪，歡呼?。?（2） 以碳?xì)郑? cm×1.5 cm，北京卡博賽科技有限公司）作陽極，鈦線作陽極導(dǎo)線；優(yōu)點(diǎn)：以前試過用碳布作陽極，但是發(fā)現(xiàn)用碳布作陽極內(nèi)阻很大，后來嘗試用碳?xì)郑l(fā)現(xiàn)碳?xì)钟捎谙鄬Ρ砻娣e增大，內(nèi)阻也減小了許多，因此用碳?xì)肿鲫枠O。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

29、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。 圖10 選擇陽極材料材料選擇過程中遇到的問題與克服困難： 陽極導(dǎo)線因?yàn)殚L期浸泡在陽極液中， 所以要選擇既要導(dǎo)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。（3）以載MnO2碳布（碳布規(guī)格：7 cm×7.5 cm，MnO2載量：12 mg/cm2）作陰極，熱壓在陽離子交換膜（8 cm×8 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。優(yōu)點(diǎn)： 選擇實(shí)驗(yàn)材料是很困難的過程，特別是對我們這些開展科學(xué)研

30、究并不是很深入的人來說。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。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。后來與化學(xué)老師、物理老師一起來研究，覺得用MnO2作陰極催化劑，用陽離子交換膜代替質(zhì)子交換膜，催化效果相差應(yīng)該不是很大，且MnO2便宜很多。在以前的微生物燃料電池研究過程中，我們研究的單室空氣陰極微生物燃料電池采用陽離子交換膜，也具有質(zhì)子交換膜的功能，可以取代價(jià)格較高的質(zhì)子交換膜，價(jià)格低廉，效果也比較不錯(cuò)。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。因此選用載載MnO2

31、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(dá)到這一要求。選擇過程中我遇到的問題：起初以為選材水平越高越好，材料越好做出來的反應(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)并投入市場就很難了，只有物美價(jià)廉的東西才能走俏。所以，選材的時(shí)候我盡量采用了價(jià)格便宜但功能又差不多的國產(chǎn)材料，盡量做到物美價(jià)廉。陰極制作過程： 圖11 制作傳感器膜陰極材料-準(zhǔn)備壓制在一起 圖12 壓制陰極材料圖17 單室空氣陰極微生物燃料電池裝置 圖18 固定好的陰極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)，

32、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。（4）注射器兩端開口，其上為出水口，其下為進(jìn)水口。使用方法：在換陽極液的時(shí)候，打開進(jìn)水口和出水口，用20mL注射器從進(jìn)水口注入20mL陽極液。（5）微生物燃料電池外連電阻，以16通道信號采集器（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。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，

33、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。（6）新型BOD生物傳感器的組裝 在完成好各個(gè)部件的制作后，要用導(dǎo)線把各部件連接起來，形成一個(gè)回路。圖19 BOD傳感器系統(tǒng)的組裝圖20 BOD傳感器系統(tǒng)的連接圖21 連接好的微生物燃料電池型BOD傳感器圖22 BOD完整連接 圖23 信號采集器圖24 記錄數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)圖25 BOD傳感器工作時(shí)的輸出電信號圖26 連接好的污水檢測裝置 圖27 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)記錄界面4.2 人工配水和清洗液的配備與樣品廢水采集為了快速、準(zhǔn)確的校定儀器，使得數(shù)據(jù)可靠、準(zhǔn)確，我用具有準(zhǔn)確比率的多種常見污染物質(zhì)配備實(shí)驗(yàn)液體。實(shí)驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)溶液為GGA溶液，

34、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 MgSO4·7H2O，3.75 mg/L CaCl2，0.25 mg/L FeCl3·6H2O，5.0 mg/L MnSO4·H2O，105 mg/L NaHCO3，10 mL/L 微量元素。10 mL/L 微量元素：1.5 g/L氨三乙酸，0.1 g/L FeSO4·7H2O，0.1 g/L MnCl2·4H2O，0.17 g/L CoCl2·6H2O，0.1 g/L CaCl2·2H2O，

35、0.1 g/L ZnCl2，0.02 g/L CuCl2·2H2O，0.01 g/L H3BO3，0.01 g/L鈉鉬酸鹽，0.017 g/L Na2SeO3，0.026 g/L NiSO4·6H2O，1 g/L NaCl，0.1 g/L Na2WO4·7H2O。該標(biāo)準(zhǔn)溶液的BOD為200±10 mg/L，通過稀釋得到不同BOD值的標(biāo)準(zhǔn)溶液，用磷酸緩沖液調(diào)節(jié)pH至7.0±0.2，-20 冷藏，備用。陽極液每次更換前需通氮?dú)?0 min，去除溶解氧，保持陽極室厭氧環(huán)境。陽極清洗液：不含谷氨酸和葡萄糖的GGA溶液。每次注入前需通氮?dú)?0 min。廢

36、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)法測定BOD5。4.3 微生物培養(yǎng)、馴化 以GGA溶液（pH7.，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 ，在線記錄輸出電壓。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)、馴化與電池啟動完畢。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)會變得很低，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)數(shù)。當(dāng)時(shí)困擾了我好一段時(shí)間，經(jīng)過仔細(xì)的分析，查找問

37、題原因。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。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。呵呵，原來是線路連接出了點(diǎn)問題。但有時(shí)還是莫名其妙的出問題，怎么回事呢？最后是周老師找到了原因，原來反應(yīng)器所處的環(huán)境溫度應(yīng)該保持穩(wěn)定在30左右。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)法對比，驗(yàn)證新型生物傳感器檢測水體BOD的可行性5.1 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天測量法和自己研制的新型傳感器進(jìn)行測量，記錄下數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)新型傳感器的不足并進(jìn)行改進(jìn)。5.2 用研制成功的BOD生物傳感

38、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。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。標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制將GGA標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋為5.0 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L和50 mg/L的不同BOD濃度，依次注入微生物燃料電池陽極室，記錄輸出電壓，計(jì)算相應(yīng)電流和電量。I=U/R；Q=I×

39、t，其中：Q為電量，U為輸出電壓，R為外接電阻。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。.3 樣品廢水測定以pH為7.0的磷酸鹽緩沖液將樣品廢水稀釋成不同濃度（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3次。根據(jù)輸出電壓計(jì)算電量，代入線性方程計(jì)算BOD值。5.3 5天培養(yǎng)法測量測量樣品水樣采用5天培養(yǎng)法（20 ）測定廢水BOD值，與以微生物燃料電池型BOD傳感器測定值進(jìn)行比較，確定兩種方法測定結(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。5天培養(yǎng)法（20 ）也稱標(biāo)準(zhǔn)稀釋法或稀釋接種法

40、。其測定原理是：水樣經(jīng)稀釋后，在20±1條件下培養(yǎng)5天，求出培養(yǎng)前后水樣中溶解氧含量，二者的差值為BOD5。 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，可直接測定。很多較清潔的河水就屬于這一類水。溶解氧測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： 水樣的pH值若超出6.57.5范圍時(shí)，可用鹽酸或氫氧化鈉稀溶液調(diào)pH值近于7，但用量不要超過水樣體積的0.5%。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。 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。

41、 含有少量游離氯的水樣，一般放置12h，游離氯即可消失。對于游離氯在短時(shí)間不能消散的水樣，可加入亞硫酸鈉溶液，以除去之。其加入量的計(jì)算方法是：取中和好的水樣100 mL，加入1:1乙酸10 mL，10%（m/V）碘化鉀溶液1 mL，混勻。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。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。 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。 從水溫較高的水域或廢水排放口取得的水樣，則應(yīng)迅速使其冷卻至20左右，并充分振搖，使與空氣中氧分壓接近平衡

42、。（2）水樣的測定： 不經(jīng)稀釋水樣的測定：對于溶解氧含量較高、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)溶解氧瓶內(nèi)，轉(zhuǎn)移過程中應(yīng)注意不使其產(chǎn)生氣泡。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）。立即測定其中一瓶溶解氧，將另一瓶放入培養(yǎng)箱中，在20±1培養(yǎng)5d后，測其溶解氧。 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。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。地表水由測得的高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)求得（見下表）高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）/（m

43、g·L-1）              系數(shù) 5                                              510     &#

44、160;                                   0.2、0.3  1020                                         0.4、0.6 

45、;   20                                        0.5、0.7、1.0  工業(yè)廢水可由重鉻酸鉀法測得的CODcr值確定。通常需作三個(gè)稀釋比，使用稀釋水時(shí)，由CODcr值分別乘以系數(shù)0.075、0.15、0.225，即獲得三個(gè)稀釋倍數(shù)；使用接種稀釋水時(shí)，則CODcr值分別乘以系

46、數(shù)0.075、0.15、0.25，獲得三個(gè)稀釋倍數(shù)。 稀釋倍數(shù)確定后，按下法之一測定水樣。 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。攪拌時(shí)勿使攪棒的膠板露出水面，防止產(chǎn)生氣泡。 按不經(jīng)稀釋水樣的測定步驟，進(jìn)行裝瓶，測定當(dāng)天溶解氧和培養(yǎng)5天后的溶解氧含量。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。直接稀釋法：在溶解氧瓶內(nèi)直接稀釋。在已知兩個(gè)容積相同（其差小于1mL）的溶解氧瓶內(nèi)，用虹吸法加入

47、部分稀釋水（或接種稀釋水），再加入根據(jù)瓶容積和稀釋比例計(jì)算出的水樣量，然后引入稀釋水（或接種稀釋水）至剛好充滿，加塞，勿留氣泡于瓶內(nèi)。其余操作與上述一般稀釋法相同。 在BOD5測定中，一般采用碘量法測定溶解氧。如遇干擾物質(zhì)，應(yīng)根據(jù)具體情況采用其他測定法。溶解氧的測定方法附后。 （3）BOD5計(jì)算： 不經(jīng)稀釋直接培養(yǎng)的水樣：BOD5（mg/L）=C1C2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。 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

48、/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。碘量法測定溶解氧的原理是：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。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。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。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(

49、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。待棕色沉淀物降至瓶內(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)場固定）。 （2）溶解：打開瓶塞，立即用吸管插入液面下加入2.0mL濃硫酸。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）滴定：吸取100.00 mL上述溶液于250mL錐形瓶中，用硫代硫酸鈉溶液滴定至

50、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。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。5.4 新型生物傳感器與5天檢測法檢測結(jié)果的比較與討論針對水樣檢測的結(jié)果，經(jīng)過分析與研究，以微生物燃料電池開展BOD檢測取得了明顯的效果： 5.4.1 微生物燃料電池的啟動與運(yùn)行以GGA溶液（pH7.0±0.1，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 k，在線記錄輸出電壓。當(dāng)電壓降至30 mV時(shí)，向陽極室更換GGA溶液20

51、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，電池啟動完畢，進(jìn)行各項(xiàng)測試。電壓輸出穩(wěn)定時(shí)，測得微生物燃料電池不同外電阻（100 30 k）時(shí)的輸出電壓，求得輸出功率，繪制極化曲線。由歐姆定律知，輸出功率最大時(shí)內(nèi)阻等于外阻，可由此估算電池內(nèi)阻。由圖28可見，外阻為12 k時(shí)，輸出功率密度達(dá)到最大值（145.15 mW/m2），因此，該微生物燃料電池內(nèi)阻約12 k。圖28 電池功率密度和輸出電壓與電流密度的關(guān)系5. 陽極液pH值的影響pH值是生化反應(yīng)中一個(gè)重要因素，過高或過低的均會影響微生物活性，導(dǎo)致BOD傳感器失效。同時(shí)，在微生物分解有機(jī)物過程中，會產(chǎn)生有機(jī)酸等物質(zhì)，降低溶液pH

52、值。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。以BOD為100 mg/L的GGA溶液為陽極液，外接電阻3 k，考察了pH值為6.0、7.0和8.0的磷酸緩沖液對傳感器輸出電壓的影響，由圖25微生物燃料電池的輸出電壓最高，信號穩(wěn)定時(shí)間最長，對檢測結(jié)果最為有利，這與Chee等（1999）的結(jié)果相一致。圖29 陽極液pH值對微生物燃料電池電壓輸出的影響5.4.3 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 k、2 k、3 k、12 k），考察外接電阻對輸出功率和檢測結(jié)果的影響。如圖30所示，外接電阻越大，輸出電壓越高，由儀器等引起

53、的誤差就越小。傳感器分別連接1 k、3 k、12 k外阻，以GGA溶液為標(biāo)準(zhǔn)溶液（BOD濃度5 mg/L50 mg/L）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，從圖27可知，當(dāng)外接電阻為12 k時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系最好。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，從而延長檢測時(shí)間（如果檢測期間電壓沒有達(dá)到最大值，因電壓處于上升階段時(shí)，上升幅度相差不大，會影響檢測效果。），達(dá)不到快速檢測的效果。因此，本文選擇較適宜的外阻為12 k。圖30 不同外接電阻下微生物燃料電池電壓輸出動態(tài)圖31 不同外接電阻下電量-BOD濃度關(guān)系圖（檢測時(shí)間:2 h）5.4.4檢測時(shí)間的影響檢測時(shí)間和清洗時(shí)間是設(shè)計(jì)BOD傳感器

54、的2個(gè)重要指標(biāo)?？焖贉y定是BOD傳感器的根本任務(wù)，但測定時(shí)間太短，生化反應(yīng)不完全，信號不明顯，影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確性；測定時(shí)間太長，達(dá)不到快速測定的目的，不利于應(yīng)用。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。微生物燃料電池外接電阻12 k，陽極標(biāo)準(zhǔn)溶液BOD為5 mg/L50 mg/L，按不同檢測時(shí)間繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，圖32 不同檢測時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖32可知，當(dāng)檢測時(shí)間為2 h時(shí)，線性關(guān)系最好。5. 清洗時(shí)間的影響當(dāng)連續(xù)檢測多個(gè)樣品時(shí)，為了使檢測初始條件一致，減少誤差，需要對微生物燃料電池陽極室進(jìn)行清洗，清除其殘留有機(jī)物。本文設(shè)定輸出電壓信號降為50 m

55、V時(shí)才能進(jìn)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。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 min10 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。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 min10 min（圖29）。圖33 清洗時(shí)間對檢測的影響6. 實(shí)際水樣檢測示例61 取水樣圖34 靜水池塘取水圖35 臭河涌中取水樣 圖36 提取污

56、水 圖37 哇！好臭?。D38 水樣一和水樣二62 設(shè)備正常運(yùn)行的指標(biāo)設(shè)備運(yùn)行正常的主要指標(biāo)是計(jì)算機(jī)讀數(shù)正常，沒有出現(xiàn)突然增大或突然減小，或者讀數(shù)為零。某些情況下如斷路后重新連接（線路連接不良）等會引起計(jì)算機(jī)讀數(shù)突然增大或減小。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。63 測試步驟圖39 傳感器測定標(biāo)液的電壓-時(shí)間關(guān)系圖 (BOD=5 mg/L50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1-3倍，保存在4的冰箱中。配備不同濃度的GGA標(biāo)準(zhǔn)溶液)依次注入反應(yīng)器中，每次20mL，根據(jù)計(jì)算機(jī)讀書得出BOD值與電量之間的曲線關(guān)系，即得出標(biāo)準(zhǔn)曲線。然后依次將廢水注入反應(yīng)器中，同樣每次注入20mL。根據(jù)計(jì)算機(jī)讀數(shù)代入線性方程，得出廢水的BOD值。64 結(jié)果對比表2 實(shí)際水樣的測定結(jié)果（傳感器測定值與BOD5值對照）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傳感器來檢測實(shí)際水樣，它省時(shí)省力，可以達(dá)到快速、在線檢測的功效。65 對比結(jié)果分析得出的結(jié)論用GGA溶液作標(biāo)準(zhǔn)溶液制作標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖39）。由圖可知，在標(biāo)準(zhǔn)溶液BOD濃度為5 mg/L50 mg/L時(shí)，傳感器檢測的結(jié)果與BOD5顯著相關(guān)（R2=0.9992），并且此BO