微生物燃料电池逆向探究----实用新型bod生物传感器检测污水的研究

微生物燃料电池逆向探究的新发现实用新型BOD生物传感器检测污水的研究2009年2月18日目录摘要21前言411选题是怎样产生的412研究设想5121微生物燃料电池的研究基础5122我的研究设想与需要解决的问题5123国内外研究现状的调查与借鉴62研究背景与研究中应用的研究理论基础721基于溶解氧探针的BOD传感器722光度法BOD传感器723BOD生物传感器824微生物燃料电池原理与应用825基于微生物燃料电池的BOD生物传感器93研究内容94实验材料与实验方法1241新型BOD传感器设计与制作1342人工配水和清洗液的配备与样品废水采集1843微生物培养与驯化195结果与讨论1951实验设计1952用研制成功的BOD生物传感器检测人工配水样品19535天培养法测量测量样品水样2154新型生物传感器与5天检测法检测结果的比较与讨论246实际水样检测示例287最终改进、优化的设计图318结论329本研究创新点3310下阶段研究设想摘要生化需氧量（BOD）是表示有机物污染程度的综合性指标，被广泛应用于水体监测和污水处理厂运行污水检测。传统BOD的检测方法是5天培养法，具有操作便捷、数据准确、价格低廉的优点，但也存在检测时间长、不能实现现场实时监测的缺点。研制开发适合我国国情的、性能优良且价格合理的污水检测装置，是非常必要和迫切的。本研究是我在研究污水微生物发电过程中产生的一个灵感。污水微生物发电技术是利用一种特殊的微生物产电微生物，来氧化污水中的有机物产生电流，同时去除有机污染物，污水中的有机物含量高低直接决定了微生物燃料电池所产生的电量大小。传统的污水微生物发电技术正是利用了这一原理。但反过来，如果研究污水产电量的大小，就可以知道废水中有机物的含量这不就是污染程度（BOD）么通过大量的调查与资料分析，针对传统双室型BOD传感器结构复杂、成本高、操作不便的缺陷，我提出了采用单室型微生物燃料电池作为BOD传感器的核心部件的设想，并且采用国产低成本离子交换膜代替质子交换膜，采用廉价MNO2代替铂作阴极催化剂，设计、构建与运行了一套新型低成本BOD生物传感器。优化与确定了该传感器的检测条件，考察与比较它对实际水样BOD的检测效果，探索出了一个BOD检测的新方法。研究结果表明（1）以廉价MNO2为阴极催化剂，阳离子交换膜为隔膜，构建的单室微生物燃料电池型BOD传感器成本低，结构简单，操作方便，可用于BOD的在线实时检测；（2）该BOD传感器的适宜运行条件为样品PH70，外接电阻12K，检测时间2H，清洗时间210MIN；（3）实际水样检测结果显示，传感器最低检出限为02MG/L，精确度为033，标准曲线线性相关系数达09992，与BOD5比较，相对误差在40以内。本研究显示，微生物燃料电池型BOD生物传感器在水体污染监测、预警与控制方面具有广阔的应用前景。关键词生化需氧量（BOD）；微生物燃料电池（MICROBIALFUELCELL,MFC）；生物传感传感器（BIOSENOR）微生物燃料电池逆向探究的新发现实用新型BOD生物传感器检测污水的研究1前言11选题是怎样产生的在学校组织的环保课外小组活动中，我参观了广州市黄埔经济技术开发区污水处理厂。通过参观，我对污水处理的流程有了大致的了解，对黑臭的污水如何通过一整套反应系统，最后变成干净、透明的达标水有了实际感受。但是，活动过程中专家介绍的一个细节引起了我的注意污水检测目前技术手段还比较落后，用的检测仪需要五天才能检测出最后结果。天哪，五天是不是太慢了活动结束后，我就一直在思考，如何用科学的指标来反映污水变得干净了呢如何才能够快速的检测污染状况呢回来后我开始查找相关资料，希望能有所突破。通过查找资料得知，原来生化需氧量（BIOCHEMICALOXYGENDEMAND，BOD）是反映“污水变得干净”的最重要指标。科学定义是BOD是表征有机物污染程度的重要的、综合性指标，被广泛应用于水体、底泥等监测和污水处理厂运行控制，其具体含义是在微生物作用下将单位体积水样中有机物氧化所消耗的溶解氧质量1，单位是MGL1。紧接着，我又了解到，BOD的监测非常费时、费力，需要在恒温条件连续培养5天才能获得有效数据。如果我能够快速地获得水体的BOD值，实现BOD的在线、实时监测，那是多么有意义、有挑战的研究课题啊有一天，我在实验室继续进行废水微生物燃料电池的研究，这是一个我们学校学生兴趣小组已经开展了两年的一个课题，我一直参与其中。污水微生物发电技术是利用一种特殊的微生物产电微生物，来氧化污水中的有机物产生电流同时净化污水。当时这个研究遇到了问题，利用废水微生物发电有一定局限，就是产电量不高，利用价值不大，我们这几个月来一直在想办法，看如何才能提高发电量。查阅了大量资料后，也没有发现好的办法。但是，微生物燃料电池技术作为一项新兴的环境生物技术，它可能还有许多的新功能还未被开发。突然这时一个想法在我的头脑中产生出来，我想，既然污水中的有机物含量高低直接决定了微生物燃料电池所产生的电量大小。那么反过来，如果我检测污水产电量的大小，不就可以知道废水中有机物的含量么，那就可以知道污水的污染程度啊我把这个利用到水质检测中去，不就可以解决现在BOD检测时间长、效果不理想的问题么我把这个想法与辅导老师说，辅导老师竟然惊讶的望着我说“对啊，我都没想到这个方面，你这是反其道而用之，非常有创新。”哇，真的高兴死我了我马上上网检索、到全国数据库检索并向专家咨询以及与辅导老师仔细研究，我确定了“基于微生物燃料电池的新型BOD生物传感器研制”作为我的研究课题。12研究设想121微生物燃料电池的研究基础参与学校科技兴趣小组研究已经快2年，我们一直在研究“污水微生物发电技术，即微生物燃料电池的发电研究”。通过两年的探究，在微生物燃料电池研究方面，我们取得了以下收获1）对微生物燃料电池的产电原理、发展历程、研究现状与应用潜力有了较充分的了解和认识；2）亲自设计、动手制作了一个单室型微生物燃料电池装置，并且发出了微量电能。（见下图）3）利用校园沟渠污水为燃料，进行了污水微生物发电尝试。学会了废水BOD值、氨氮含量的检测方法；学会绘制电池性能曲线，评价电池性能；学会了实验室一些常用仪器的操作。122我的研究设想与需要解决的问题目前污水的BOD测定法主要是5天20培养法，这种方法耗时费力。我希望能利用微生物燃料电池产电的原理，通过监测、研究电量的多少，变化规律，从而可以快速的检测污水的污染状况。第一步，对我的微生物燃料电池进行改进，构建单室空气阴极微生物燃料电池，摸索微生物燃料电池运行的最佳条件；第二步，组建BOD传感器，利用人工配水来摸索BOD传感器检测的最佳条件；第三步，利用传感器检测废水样品，并通过与传统测量方法的比较确定传感器的精确度与检测限值。第四步，取水样，实际检测验证可行性。我认为主要解决两个问题，首先是调整单室空气阴极微生物燃料电池型BOD传感器检测的最佳条件，其次是利用传感器测量电量，建立线性方程，不断调整，提高废水样品检测的准确度、科学性等问题。123国内外研究现状的调查与借鉴目前国内外主要采用5天20培养法测定水样BOD值，包括水样采集、充氧、培养、测定等步骤。该法操作复杂，费时费力，不宜现场监测。BOD的其它测定方法主要有检压式库仑计法、短时日法、平台值法和瓦勃呼吸法等，这些方法基本上是基于一些经验公式，且操作过程均较为复杂，测定过程不够稳定，没有得到推广。1977年，KARUBE等首次利用微生物传感器原理成功研制了BOD传感器。该仪器由固定化土壤菌群与氧电极构成，检测时间短（15MIN内）。但由于微生物酶对固定化微生物膜的破坏，传感器的寿命非常短。近年来，微生物燃料电池（MICROBIALFUELCELL,MFC）用于BOD的在线监测开始受到关注，韩国科学家KIM首先研制出世界上第一个微生物燃料电池型BOD生物传感器，用于BOD的在线、实时监测。微生物燃料电池型BOD传感器的基本原理是废水BOD浓度与微生物燃料电池的稳定输出电流或输出电量呈良好的线性关系。该传感器的核心部件是微生物燃料电池反应器，微生物燃料电池是一种以微生物为催化剂的电化学装置，它以产电微生物为阳极催化剂，将废水中的化学能直接转化成电能。在微生物燃料电池反应器中废水中的有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被产电微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，与氧反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示微生物燃料电池的基本结构为阴极室、阳极室、中间由隔膜分开。根据电池阴极室结构不同，微生物燃料电池可分为单室（空气阴极）和双室型（阴极曝气）。双室微生物燃料电池结构较复杂，且需要曝气以提供阴极氧还原反应所需的氧气，而单室微生阳极反应CH2ONNH2ONCO24NE4NH（1）阴极反应4EO24H2H2O（2）物燃料电池采用空气被动曝氧，无需采用气泵通气，它结构简单，操作与维护方便，运行稳定。传统的微生物燃料电池型BOD传感器均为双室型。韩国科学家KIM等2（2003）采用无介体双室微生物燃料电池构建了BOD传感器，大大延长了传感器的使用寿命（5年以上），并且测得BOD与电量之间的线性相关系数达到099，检测样品废水结果显示标准差为312。但我仔细分析后认为，KIM教授研制的微生物燃料电池存在以下三个缺陷（1）双室型结构，阴极需要曝气，结构较为复杂，操作与维护不便；（2）设计理念源于质子交换膜燃料电池（PE微生物燃料电池），采用昂贵的质子交换膜作为隔膜，目前质子交换膜依赖进口，且价格昂贵（美国杜邦NAFION，每平方米600800美元，折合人民币约5000元），实际应用显然不经济；（3）采用金属铂（PT）作为阴极氧还原催化剂，PT价格昂贵，也限制了微生物燃料电池型传感器的推广应用。针对以上问题，我想能否采用单室型结构代替传统的双室型，能否采用成本较低的、国产化的膜材质代替质子交换膜，能否采用廉价的非贵金属催化剂代替PT呢我与辅导老师进行协商，上网查资料，发现我的设想是值得尝试的。经过前期的调研以及与辅导老师协商，我确定了如下方案以廉价电解MNO2（湘潭电解锰厂）为阴极催化剂，以普通阳离子交换膜代替质子交换膜，构建单室微生物燃料电池型BOD传感器，在分析旧的检测方法的基础上，优化与确定了检测条件，并对实际水样进行BOD检测，降低BOD传感器的构建成本，简化了操作，提高了实用性。表1本研究提供的新型BOD生物传感器与传统BOD传感器的材料价格比较表催化剂交换膜BOD传感器构型名称价格（元/克）名称价格（元/M2）本研究单室MNO2005离子交换膜35传统型双室铂400质子交换膜50002研究背景与研究中应用的理论基础目前，国内外BOD的主要测定方法有五日生化需氧量法（5天培养法）、库仑计法、瓦勃呼吸法等。五日生化需氧量法（BOD5）是我国现行的BOD标准测定法，该法由于检测成本低、结果稳定、便于操作的原因，一直被广泛使用。但该检测法也存在一些缺点，如测定周期长，不宜现场监测，不能及时反映排放水的污染程度等。库仑计法、瓦勃呼吸法等也存在操作过程复杂，灵敏度低，无法达到现场实时监测等问题。通过上网调查分析，发现其实探索低成本、高效、稳定的BOD传感器的污水快速检测方法的研究是比较多的，但都受限于器材原材料价格昂贵、不稳定、操作复杂等原因，没有得到良好的推广与应用。最主要的有如下几项研究21基于溶解氧探针的BOD传感器目前，大多数BOD传感器是基于溶解氧监控的检测系统，它一般以固定化微生物人工膜系统作为识别元件，以氧电极作为物理传感器，通过微生物氧化作用来降解有机物，消耗溶解氧，再通过检测溶解氧的减少量而测定BOD值。这种BOD传感器存在以下局限性1稳定性低。溶解氧探针阳极金属使用过程中被氧化，要保持较高的灵敏度就必须经常维护，清洗阳极表面，更换电解液；2膜污染问题。废水中可能存在大量毒害微生物的有机物和重金属，破坏膜系统的功能，使测量的偏差较大，并且膜系统所引起的堵塞也会影响BOD传感器的长期稳定性；3检测范围狭窄。由于氧在水中的溶解度低，造成检测过程中信号微弱，因此基于溶解氧探针的BOD传感器检测范围狭窄。22光度法BOD传感器在不同浓度的溶解氧条件下，光度法BOD传感器能够产生不同的荧光，得到不同的电流，从而间接反映出水样中的BOD值。此外，也有些BOD传感器利用生化反应前后微生物本身的变化所产生的不同光信号来间接指示待测水样的BOD值。光度法BOD传感器具有长筛检的操作稳定性、不需要消耗溶解氧、不受样品流速和扰动程度的影响等优点。但是，由于这种方法容易受干扰物质的影响，因此不能准确测定BOD值。23BOD生物传感器BOD生物传感器是一种微生物与电化学转换器相结合而构成的传感器当BOD传感器置于恒温且被氧饱和的不含BOD物质的磷酸盐缓冲溶液中时，由于微生物呼吸活性恒定，传感器输出一个恒定的电流值；当传感器置于含有BOD物质的磷酸盐缓冲溶液时，则因微生物对BOD物质的同化作用，使其活性增强而耗氧，导致传感器输出信号降低在一定的范围内，传感器输出电流的降低值与BOD物质的浓度呈线性关系。从这个意义上来说，BOD生物传感器具有检测污水的优势条件，可以得到充分的应用。迄今为止，不少国家对利用生物传感器快速测定BOD都制订了相应的标准，并进行了相关的技术说明。但目前BOD传感器大多数研究处于实验室阶段，距普遍应用还有相当的距离，少数成形产品也存在一些问题。因此，开发高性能、低成本的BOD快速测定仪具有重要的意义。24微生物燃料电池原理与应用微生物燃料电池3主要由阳极室、阴极室和质子交换膜等部分组成，燃料（葡萄糖等有机物）在微生物作用下于阳极室被氧化，电子通过外电路到达阴极，图3微生物燃料电池的构造示意图质子通过质子交换膜到达阴极，氧化物在催化剂作用下在阴极室被还原。根据电子传递方式的不同，可将微生物燃料电池分为间接和直接微生物燃料电池4。间接微生物燃料电池中燃料在电解液中或其他地方反应，电子通过电子传递中间体传递到电极上；直接微生物燃料电池中燃料直接在电极上被氧化，电子直接从燃料分子转移到电极。25基于微生物燃料电池的BOD生物传感器微生物燃料电池（MICROBIALFUELCELL，微生物燃料电池）型传感器的基本原理5是产电微生物的产电呼吸代谢即以产电微生物作为生物敏感元件，当样品中的BOD物质发生降解代谢时，会偶联微生物输出电流强弱的变化，在一定条件下传感器输出的电量与BOD的浓度呈线性关系。目前，正在研究的微生物燃料电池型传感器一般是双室型结构，即阴、阳两室中由质子交换膜分开，BOD（有机物）作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极（以铂为阴极催化剂），从而形成回路产生电流，通过电流的自动采集即可实现BOD的在线检测。电池的阴极液多为磷酸盐缓冲液，阳极液为待测液。2003年，韩国科学家研制了第一台微生物燃料电池型BOD传感器。该传感器采用连续流方式进样，实现了BOD在线监测，但是它使用铂作催化剂，而且需要昂贵质子交换膜（每平米约800美元），因而其制作成本高昂，无法实现规模化生产。这也是我研究的一个突破口，是我想解决的问题。如何才能实现微生物燃料电池检测污水的装置能实现价格低廉、方便快捷、效果优良呢通过对以上内容的深入了解，我逐渐对自己的研究有了更明确的方向与信心。我完全可以避开大部分传感器的缺点，研制高效、优质、廉价的新型传感器。3研究内容我认为研究的技术突破口是开发一种基于微生物燃料电池的便携式BOD在线测定仪。利用这个仪器检测污水，得到相关数据，通过与常规的5天BOD检测法进行对比，不断的优化测定仪，实现其检测便捷、成本低廉、便于应用的优点。最后，通过实际检测水样的规范操作示例，为检测仪的应用与推广提供参考依据。31技术路线的设计不断调整与改进是否32具体研究思路我要实现的研究（1）传感器系统的设计、制作、改进通过多次设计与修改，对比不同设计的微生物燃料电池（微生物燃料电池装置），在我们两年研究的基础上，选择能够实现简便、低廉、稳定的单室空气阴极微生物燃料电池进行重点探究。（2）微生物燃料电池型传感器检测的优化进行多个水样试验，考察组装微生物燃料电池型传感器在各种复杂条件（不同溶解氧、不同毒害物种类与含量）下检测数据的稳定性与重现性，改进电池结构，优化检测条件，提高仪器的检测效果，编写信号处理程序，直接将微生物燃料电池电信号转换成BOD数据。（3）人工配水实验使用谷氨酸和葡萄糖标准溶液进行配水运行试验，在相同条件（时间、温度等）下，用BOD传感器测定标准溶液的电流、电压，用传统方法测定标准溶液BOD5值，对比两者的相关性，建立相应的线性方程（标准曲线），确定新型微生物燃料电池检测污水的标准。（4）实地水样测定利用组装的微生物燃料电池测定典型污染水体，获得电流、电压信号，利用标准曲线换算出水样BOD值，得出水污染的情况，对比污染指标，提出检测的依据，为应用提供参照性的意见；（5）到污水处理厂做使用调查，根据污水处理厂的实际使用情况，改进设备。4实验材料与实验方法41新型BOD传感器设计与制作411新型BOD传感器的设计草图图4传感器设计草图412新型BOD传感器的研究与制作BOD传感器结构如图4所示，包括微生物燃料电池和信号采集装置两大部分，为单室空气阴极微生物燃料电池。（1）以20ML注射器作为微生物燃料电池骨架，在注射器侧面打孔，根据注射器的大小，我确定打孔规格为1213个，孔直径4MM；打孔的依据与原理在注射器上打孔是为了让阳极溶液与阳离子交换膜接触，阳极液中的阳离子才能通过阳离子交换膜到达阴极碳布，与空气中的氧反应生成水。孔的数目越多，阳极液与阳离子交换膜的接触面积就越大，所以理论上说孔的数目越多越好。但是孔的数目太多了，注射器千疮百孔变得很脆弱，失去了骨架作用，使得阳极室容易变形，不能固定阳极室的体积。所以针对20ML的注射器（高7厘米，周长25厘米），我经过认真的思考与设计，在白纸上画图，多次反复修改，最后确定打孔规格为1213（横向12排，纵向13排），孔直径4MM为最合适。制作过程中遇到的问题与解决办法在给注射器打孔过程中，我遇到一个意想不到的问题，搞的我手忙脚乱。注射器是圆柱体，表面非常光滑，打孔钻头是尖的，两者一接触，就打滑，不好操作。钻头高速旋转时还会有伤到手的危险，而且打出的孔奇形怪状、分布不均匀。本来我想打孔这种事很简单，没想到真正动起手来，才感到“难”。如何才能将孔打得“均匀”，而且操作“快速”呢想了好几天，都没解决。突然有一天，上体育课时的一个小活动引起了我的注意为了防止举杠铃时打滑及受伤，很多同学都把创可贴贴在手上，竟然真的不会滑。一个灵感展现在我头脑中，那如果我也在注射器针管上贴上一张纸，是不是就解决打滑问题了呢我赶紧跑到实验室，一操作，竟然真的成功了那如何才能均匀的打好孔呢数学课上学到的知识这次帮到了我，可以根据几何图形来布局啊我根据注射器外面要贴的纸的尺寸在电脑上画好“网格”，用打印机打印出来，用不干胶将它固定到注射器上，再来打孔，一下子就打出了规则、漂亮的孔了。真是事半功倍啊。（2）以碳毡（6CM15CM，北京卡博赛科技有限公司）作阳极，钛线作阳极导线；优点以前试过用碳布作阳极，但是发现用碳布作阳极内阻很大，后来尝试用碳毡，发现碳毡由于相对表面积增大，内阻也减小了许多，因此用碳毡做阳极。在选取阳极导线的时候，曾今用过不锈钢丝等金属线，发现时间长了就容易生锈，导致内阻增大或接触不良，后来选用钛线作阳极导线，发现钛线的抗腐蚀性和导电性都比其他的要好，因此选用钛线作阳极导线。材料选择过程中遇到的问题与克服困难阳极导线因为长期浸泡在阳极液中，所以要选择既要导电性好又要耐腐蚀的材料，经过多次尝试后发现钛线比较合适。（3）以载MNO2碳布（碳布规格7CM75CM，MNO2载量12MG/CM2）作阴极，热压在阳离子交换膜（8CM8CM，浙江千秋环保水处理有限公司）上制成“二合一”膜阴极组，包裹在20ML针管上，并用环氧树脂胶密封，缠绕钛线作阴极导线。优点选择实验材料是很困难的过程，特别是对我们这些开展科学研究并不是很深入的人来说。我大约用了二十几天才选定了实验材料，进行了大量的调查和研究。在资料调查中，我发现目前的研究基本上都采用铂作阴极催化剂，用质子交换膜作阳极室与阴极室的交换膜，但是铂和质子交换膜的价格昂贵。后来与化学老师、物理老师一起来研究，觉得用MNO2作阴极催化剂，用阳离子交换膜代替质子交换膜，催化效果相差应该不是很大，且MNO2便宜很多。在以前的微生物燃料电池研究过程中，我们研究的单室空气阴极微生物燃料电池采用阳离子交换膜，也具有质子交换膜的功能，可以取代价格较高的质子交换膜，价格低廉，效果也比较不错。我认为传感器不是要求产电效果有多好，而是要求测量效果有多准确。因此选用载载MNO2碳布作阴极，与阳离子交换膜制成“二合一”膜阴极组，能很好的达到这一要求。选择过程中我遇到的问题起初以为选材水平越高越好，材料越好做出来的反应器就越灵敏，但很多同学和老师听了我的介绍后，都觉得如果反应器成本价格太高，那么要批量生产并投入市场就很难了，只有物美价廉的东西才能走俏。所以，选材的时候我尽量采用了价格便宜但功能又差不多的国产材料，尽量做到物美价廉。空气阴极无介体微生物燃料电池的阳极室必须保证一个厌氧环境，才能让微生物更好的利用阳极液中的营养物质，因此在制作空气阴极无介体微生物燃料电池的过程中，必须要保证阳极室能完全密封，为了能让二合一膜将注射器紧紧的包裹起来，我试了几种胶水，最后选用环氧树脂胶，并且反复粘两次，才将膜粘到注射器上，达到了进水后不漏水，确保阳极室的密封效果。（4）注射器两端开口，其上为出水口，其下为进水口。使用方法在换阳极液的时候，打开进水口和出水口，用20ML注射器从进水口注入20ML阳极液。（5）微生物燃料电池外连电阻，以16通道信号采集器（AD8223，北京瑞博华控制技术有限公司）记录输出电压，每2MIN记录1次。选用的理由16通道信号采集器的通道较多，价格比较便宜，也是最常用的，学校的物理实验室很容易找到，不必购买，能达到记录输出电压的要求，因此选用了16通道信号采集器。（6）新型BOD生物传感器的组装在完成好各个部件的制作后，要用导线把各部件连接起来，形成一个回路。界面42人工配水和清洗液的配备与样品废水采集为了快速、准确的校定仪器，使得数据可靠、准确，我用具有准确比率的多种常见污染物质配备实验液体。实验采用的标准溶液为GGA溶液，即150MG/L谷氨酸和150MG/L葡萄糖，15MG/LKH2PO4，30MG/LNH42SO4，50MG/LMGSO47H2O，375MG/LCACL2，025MG/LFECL36H2O，50MG/LMNSO4H2O，105MG/LNAHCO3，10ML/L微量元素。10ML/L微量元素15G/L氨三乙酸，01G/LFESO47H2O，01G/LMNCL24H2O，017G/LCOCL26H2O，01G/LCACL22H2O，01G/LZNCL2，002G/LCUCL22H2O，001G/LH3BO3，001G/L钠钼酸盐，0017G/LNA2SEO3，0026G/LNISO46H2O，1G/LNACL，01G/LNA2WO47H2O。该标准溶液的BOD为20010MG/L，通过稀释得到不同BOD值的标准溶液，用磷酸缓冲液调节PH至7002，20冷藏，备用。阳极液每次更换前需通氮气30MIN，去除溶解氧，保持阳极室厌氧环境。阳极清洗液不含谷氨酸和葡萄糖的GGA溶液。每次注入前需通氮气30MIN。废水样品采自野外湖泊、静水池塘、污染严重的河涌等，污水采回后，采用传统5天20培养法测定BOD5。43微生物培养、驯化以GGA溶液（PH7001，BOD值为200MG/L）为阳极液，以运行1年并正常产电的微生物燃料电池阳极液作为接种物（接种量10），置于30人工气候箱中恒温培养，外接3000，在线记录输出电压。当电压降至30MV时，向阳极室更换GGA溶液20ML，经5个周期后，电池的输出电压达到稳定，认为微生物培养、驯化与电池启动完毕。微生物驯化中遇到的问题与解决技巧在微生物驯化过程中，有时候计算机读数会变得很低，甚至会出现负数。当时困扰了我好一段时间，经过仔细的分析，查找问题原因。发现出现这种情况的原因主要是线路接触不良，或者外界影响，比如温度等。怎么解决呢检查一下信号采集器线路，或者断开反应器一段时间后再接上，仪器又恢复正常了。呵呵，原来是线路连接出了点问题。但有时还是莫名其妙的出问题，怎么回事呢最后是周老师找到了原因，原来反应器所处的环境温度应该保持稳定在30左右。好了，问题都搞定了，可以开始我的实验了5通过与5天培养法对比，验证新型生物传感器检测水体BOD的可行性51实验设计采集同一河流或湖泊的污水，分别采用传统的5天测量法和自己研制的新型传感器进行测量，记录下数据，进行对比，发现新型传感器的不足并进行改进。52用研制成功的BOD生物传感器检测人工配水样品521测试过程待微生物燃料电池运行稳定后，用20ML阳极清洗液清洗微生物燃料电池阳极室，当输出电压降至50MV时用注射器缓缓注入GGA溶液或废水样品20ML，检测（2H）完毕后再次用清洗液清洗，进入第二轮检测。注入清洗液目的是为了清洗微生物燃料电池阳极室内残留GGA溶液或样品废水，迅速降低输出电压，使样品测定的初始条件一致，减少误差。522标准曲线绘制将GGA标准溶液稀释为50MG/L、10MG/L、20MG/L、30MG/L、40MG/L和50MG/L的不同BOD浓度，依次注入微生物燃料电池阳极室，记录输出电压，计算相应电流和电量。IU/R；QIT，其中Q为电量，U为输出电压，R为外接电阻。根据GGA标准溶液的BOD值与其微生物燃料电池输出电量存在正比例关系，依此建立线性方程。523样品废水测定以PH为70的磷酸盐缓冲液将样品废水稀释成不同浓度（稀释10倍、2倍、1倍），用注射器每次取20ML注入微生物燃料电池阳极室，每个浓度重复检测3次。根据输出电压计算电量，代入线性方程计算BOD值。535天培养法测量测量样品水样采用5天培养法（20）测定废水BOD值，与以微生物燃料电池型BOD传感器测定值进行比较，确定两种方法测定结果差异，验证微生物燃料电池型BOD传感器的准确性与精确度。5天培养法（20）也称标准稀释法或稀释接种法。其测定原理是水样经稀释后，在201条件下培养5天，求出培养前后水样中溶解氧含量，二者的差值为BOD5。如果水样五日生化需氧量未超过7MG/L，则不必进行稀释，可直接测定。很多较清洁的河水就属于这一类水。溶解氧测定方法一般用碘量法5天培养法（20）具体步骤如下（1）水样的预处理水样的PH值若超出6575范围时，可用盐酸或氢氧化钠稀溶液调PH值近于7，但用量不要超过水样体积的05。若水样的酸度或碱度很高，可改用高浓度的碱或酸液进行中和。水样中含有铜、锌、铅、镉、铬、砷、氰等有毒物质时，可使用经驯化的微生物接种液的稀释水进行稀释，或提高稀释倍数，降低毒物的浓度。含有少量游离氯的水样，一般放置12H，游离氯即可消失。对于游离氯在短时间不能消散的水样，可加入亚硫酸钠溶液，以除去之。其加入量的计算方法是取中和好的水样100ML，加入11乙酸10ML，10（M/V）碘化钾溶液1ML，混匀。以淀粉溶液为指示剂，用亚硫酸钠标准溶液滴定游离碘。根据亚硫酸钠标准溶液消耗的体积及其浓度，计算水样中所需亚硫酸钠溶液的量。从水温较低的水域或富营养化的湖泊采集的水样，可遇到含有过饱和溶解氧，此时应将水样迅速升温至20左右，充分振摇，以赶出过饱和的溶解氧。从水温较高的水域或废水排放口取得的水样，则应迅速使其冷却至20左右，并充分振摇，使与空气中氧分压接近平衡。（2）水样的测定不经稀释水样的测定对于溶解氧含量较高、有机物含量较少的清洁地表水，可不经稀释，而直接以虹吸法将约20的混匀水样转移至两个溶解氧瓶内，转移过程中应注意不使其产生气泡。以同样的操作使两个溶解氧瓶充满水样后溢出少许，加塞水封（瓶内不应有气泡）。立即测定其中一瓶溶解氧，将另一瓶放入培养箱中，在201培养5D后，测其溶解氧。需经稀释水样的测定对于污染的地表水和大多数工业废水，需要稀释后再培养测定。根据实践经验，稀释倍数（指稀释后体积与原水样体积之比）用下述方法计算。地表水由测得的高锰酸盐指数（CODMN）乘以适当的系数求得（见下表）高锰酸盐指数（CODMN）/（MGL1）系数551002、03102004、062005、07、10工业废水可由重铬酸钾法测得的CODCR值确定。通常需作三个稀释比，使用稀释水时，由CODCR值分别乘以系数0075、015、0225，即获得三个稀释倍数；使用接种稀释水时，则CODCR值分别乘以系数0075、015、025，获得三个稀释倍数。稀释倍数确定后，按下法之一测定水样。A一般稀释法按照选定的稀释比例，用虹吸法沿筒壁先引入部分稀释水（或接种稀释水）于1000ML量筒中，加入需要量的均匀水样，再引入稀释水（或接种稀释水）至800ML，用带胶板的玻璃棒小心上下搅匀。搅拌时勿使搅棒的胶板露出水面，防止产生气泡。按不经稀释水样的测定步骤，进行装瓶，测定当天溶解氧和培养5天后的溶解氧含量。另取两个溶解氧瓶，用虹吸法装满稀释水（或接种稀释水）作为空白，分别测定5天前、后的溶解氧含量。直接稀释法在溶解氧瓶内直接稀释。在已知两个容积相同（其差小于1ML）的溶解氧瓶内，用虹吸法加入部分稀释水（或接种稀释水），再加入根据瓶容积和稀释比例计算出的水样量，然后引入稀释水（或接种稀释水）至刚好充满，加塞，勿留气泡于瓶内。其余操作与上述一般稀释法相同。在BOD5测定中，一般采用碘量法测定溶解氧。如遇干扰物质，应根据具体情况采用其他测定法。溶解氧的测定方法附后。（3）BOD5计算不经稀释直接培养的水样BOD5（MG/L）C1C2式中C1水样在培养前的溶解氧浓度，MG/L；C2水样经5天培养后，剩余的溶解氧浓度，MG/L。经稀释后培养的水样BOD5（MG/L）式中C1稀释后的水样在培养前的溶解氧浓度，MG/L；C2稀释后的水样经5天培养后，剩余的溶解氧浓度，MG/L；B1稀释水或接种稀释水在培养前的溶解氧浓度，MG/L；B2稀释水或接种稀释水经5天培养后，剩余的溶解氧浓度，MG/L；F1稀释水或接种稀释水在培养液中所占比例；F2原水样在培养液中所占比例。碘量法测定溶解氧的原理是在水样中加入硫酸锰和碱性碘化钾溶液，水中的溶解氧将二价锰氧化成四价锰的氢氧化物棕色沉淀。加酸后，沉淀溶解，四价锰又可氧化碘离子而释放出与溶解氧量相当的游离碘。以淀粉为指示剂，用硫代硫酸钠标准溶液滴定释放出的碘，可计算出溶解氧含量。反应式如下MNSO42NAOHNA2SO4MNOH22MNOH2O22MNOOH2（棕色沉淀）MNOOH22H2SO4MNSO423H2OMNSO422KIMNSO4K2SO4I22NA2S2O3I2NA2S4O62NAI具体实验步骤如下（1）溶解氧的固定用吸管插入溶解氧瓶的液面下加入1ML硫酸锰溶液、2ML碱性碘化钾溶液，盖好瓶塞，颠倒混合数次，静置。待棕色沉淀物降至瓶内一半时，再颠倒混合一次，待沉淀物下降到瓶底（一般在取样现场固定）。（2）溶解打开瓶塞，立即用吸管插入液面下加入20ML浓硫酸。小心盖好瓶塞，颠倒混合摇匀，至沉淀物全部溶解，放于暗处静置5MIN。（3）滴定吸取10000ML上述溶液于250ML锥形瓶中，用硫代硫酸钠溶液滴定至溶液呈淡黄色，加入1ML淀粉溶液，继续滴定至蓝色刚好褪去，记录硫代硫酸钠溶液用量。用下式计算水样中溶解氧浓度溶解氧（O2，MG/L）式中C硫代硫酸钠溶液的浓度，MOL/L；V滴定时消耗硫代硫酸钠溶液的体积，ML。54新型生物传感器与5天检测法检测结果的比较与讨论针对水样检测的结果，经过分析与研究，以微生物燃料电池开展BOD检测取得了明显的效果541微生物燃料电池的启动与运行以GGA溶液（PH7001，BOD值为200MG/L）为阳极液，接种后置于30人工气候箱中恒温培养，外接3K，在线记录输出电压。当电压降至30MV时，向阳极室更换GGA溶液20ML，经过15天共5次的阳极液更换后，电池的输出电压达到稳定，电池启动完毕，进行各项测试。电压输出稳定时，测得微生物燃料电池不同外电阻（10030K）时的输出电压，求得输出功率，绘制极化曲线。由欧姆定律知，输出功率最大时内阻等于外阻，可由此估算电池内阻。由图28可见，外阻为12K时，输出功率密度达到最大值（14515MW/M2），因此，该微生物燃料电池内阻约12K。图28电池功率密度和输出电压与电流密度的关系542阳极液PH值的影响PH值是生化反应中一个重要因素，过高或过低的均会影响微生物活性，导致BOD传感器失效。同时，在微生物分解有机物过程中，会产生有机酸等物质，降低溶液PH值。因此，应当在水样中加入一定浓度的缓冲液，以控制溶液的PH值。以BOD为100MG/L的GGA溶液为阳极液，外接电阻3K，考察了PH值为60、70和80的磷酸缓冲液对传感器输出电压的影响，由图25可知，PH值为70时微生物燃料电池的输出电压最高，信号稳定时间最长，对检测结果最为有利，这与CHEE等（1999）的结果相一致。0255075100125150051015202530CURRENTDENSITY/MA/M2POWERDENSITY/MW/M20005010150202503035U/V图29阳极液PH值对微生物燃料电池电压输出的影响543外接电阻的影响以BOD值为100MG/L的GGA溶液做微生物燃料电池阳极液，改变外接电阻（1K、2K、3K、12K），考察外接电阻对输出功率和检测结果的影响。如图30所示，外接电阻越大，输出电压越高，由仪器等引起的误差就越小。传感器分别连接1K、3K、12K外阻，以GGA溶液为标准溶液（BOD浓度5MG/L50MG/L）绘制标准曲线，从图27可知，当外接电阻为12K时，标准曲线的线性关系最好。但外接电阻增大，微生物燃料电池电压达到最大值的时间也随之延长，从而延长检测时间（如果检测期间电压没有达到最大值，因电压处于上升阶段时，上升幅度相差不大，会影响检测效果。），达不到快速检测的效果。因此，本文选择较适宜的外阻为12K。图30不同外接电阻下微生物燃料电池电压输出动态0102030405060708090100051015202530354045T/HU/MVPH80PH70PH6005010015020025030005101520T/HU/MV12K3K2K1K图31不同外接电阻下电量BOD浓度关系图（检测时间2H）544检测时间的影响检测时间和清洗时间是设计BOD传感器的2个重要指标。快速测定是BOD传感器的根本任务，但测定时间太短，生化反应不完全，信号不明显，影响测定结果的准确性；测定时间太长，达不到快速测定的目的，不利于应用。因此，最大限度地对传感器的准确性和测定速度进行优化，是BOD传感器设计的一个重要方面。微生物燃料电池外接电阻12K，阳极标准溶液BOD为5MG/L50MG/L，按不同检测时间绘制标准曲线，图32不同检测时间的标准曲线如图32可知，当检测时间为2H时，线性关系最好。545清洗时间的影响R209844R209885R2099290246810120102030405060BODCONCENTRATION/MG/LQ/MC12K3K1KR209517R209666R209929R2084810510152025300510152025303540455055BODCONCENTRATION/MG/LQ/MC4H3H2H1H当连续检测多个样品时，为了使检测初始条件一致，减少误差，需要对微生物燃料电池阳极室进行清洗，清除其残留有机物。本文设定输出电压信号降为50MV时才能进行下次检测，具体方法是向阳极室中注射20ML充氮排氧的阳极清洗液，由于清洗液中不含BOD，故微生物燃料电池的输出电压会迅速降低。图7反映了不同清洗时间下电压信号的下降幅度，可以看出，经过2MIN10MIN的清洗（图中的每个电压信号数据点相当于2MIN），电压会降至设定的标准（即50MV），再次注入GGA阳极液进行检测，电压迅速增加，说明阳极生物膜能迅速氧化BOD产电。本实验采用混合菌种作阳极催化剂，其适应性强，清洗时间为2MIN10MIN（图29）。图33清洗时间对检测的影响6实际水样检测示例61取水样设备正常运行的指标设备运行正常的主要指标是计算机读数正常，没有出现突然增大或突然减小，或者读数为零。某些情况下如断路后重新连接（线路连接不良）等会引起计算机读数突然增大或减小。线路连接断开或者长时间没有给微生物燃料电池更换阳极液会导致计算机读数为零，这时候检查反应器并及时更换微生物燃料电池阳极液。62测试步骤20406080100120140160180200220024681012T/HU/MV清洗清洗清洗清洗清洗进样进样进样进样图39传感器测定标液的电压时间关系图BOD5MG/L50首先将采集回来的废水进行稀释处理，根据废水的浑浊度和气味粗略判断BOD值的大小，再将其稀释13倍，保存在4的冰箱中。配备不同浓度的GGA标准溶液依次注入反应器中，每次20ML，根据计算机读书得出BOD值与电量之间的曲线关系，即得出标准曲线。然后依次将废水注入反应器中，同样每次注入20ML。根据计算机读数代入线性方程，得出废水的BOD值。63结果对比表2实际水样的测定结果（传感器测定值与BOD5值对照）综上所述，完全可以利用我们所研制的微生物燃料电池型BOD传感器来检测实际水样，它省时省力，可以达到快速、在线检测的功效。64对比结果分析得出的结论用GGA溶液作标准溶液制作标准曲线（图39）。由图可知，在标准溶液BOD浓度0005010150202503010203040506070T/HU/VBOD55MGL1BOD510MGL1BOD520MGL1BOD530MGL1BOD540MGL1BOD550MGL1Y00568X0426R20992012340204060BODCONCENTRATION/MGL1Q/C为5MG/L50MG/L时，传感器检测的结果与BOD5显著相关（R209992），并且此BOD浓度范围内，电压记录的波形重现性好。以BOD浓度为30MG/L的GGA溶液作为标准溶液，测定传感器的检出限和精确度，由检测结果计算得传感器检出限为02MG/L，精确度为033。取6种废水样品稀释不同浓度后进行测定，并同时取相应水样用5天20培养法测定BOD5值，测定结果见表2。从测定结果可以看出，传感器测定值与5天20培养法测定得的BOD5值有很好的相关性，在传感器测量线性范围内（BOD值5MG/L50MG/L），相对误差均在4以内，超出线性范围，则相对误差增大，最佳测定范围为BOD浓度20MG/L40MG/L。综上所述，以廉价MNO2代替金属铂做阴极催化剂，阳离子交换膜代替昂贵质子交换膜的单室微生物燃料电池型BOD传感器，制作成本大大降低，可以用于实际水样的BOD检测，最低检出限为02MG/L，BOD测定范围为5MG/L50MG/L，与5天培养法（20）检测结果的相对误差在40以内。今后的研究重点是如何维持微生物燃料电池传感器的长期稳定性，达到BOD的现场在线监测的目的。7最终改进、优化的设计图经过上百次的实验与研究，通过对实验数据的分析，最终确定了如下的新型BOD传感器检测污水的仪器图，以便于进行产业化生产和推广使用图40单室微生物燃料电池型BOD传感器结构设计图（1）阳极室的规格与材料要求阳极室体积20ML，阳极材料为碳毡，碳毡大小为6CM15CM，用钛线作阳极导线。（2）阴极的规格与材料要求以载MNO2碳布（碳布规格7CM75CM，MNO2载量12MG/CM2）作阴极，热压在阳离子交换膜上制成“二合一”膜阴极组，包裹在20ML针管上，并用环氧树脂胶密封，缠绕钛线作阴极导线。（3）连接时注意的问题连接导线事先用万用表测量内阻，保证链接导线电阻小于1，在与信号采集器接通时注意不要与其他通道碰到一起，引起计算机读数出现错误。8结论（1）基于微生物燃料电池原理，构建新型、代成本、单室BOD生物传感器，实现了BOD的在线、自动快速检测。（2）以廉价MNO2代替贵金属PT做阴极催化剂，国产低成本阳离子交换膜代替昂贵的进口质子交换膜，构建了单室微生物燃料电池型BOD传感器，大大地降低了制作成本，简化了操作，提高了BOD传感器的实用性。（3）获得了适宜的BOD检测参数缓冲液PH值为70，外接电阻12K，检测时间2H，清洗时间2MIN10MIN。（4）该BOD传感器检出限为02MG/L，精确度为033，BOD测定范围为550MG/L。实际水样检测结果显示，标准曲线线性相关系数为09992，与5天培养法（20）检测结果的相对误差在40以内。9本研究创新点（1）对微生物燃料电池产电原理进行了逆向应用，提出了用微生物燃料电池检测水污染程度的新思路，设计并制造了新型单室BOD生物传感器，它突破了传统5日培养法测定BOD费时、费力、操作复杂、不能实现在线监测的技术瓶颈。（2）与传统双室型BOD传感器的相比，单室型微生物燃料电池反应器作为BOD传感器的核心部件的研究，用国产低成本离子交换膜代替质子交换膜，用廉价锰氧化物代替铂作阴极催化剂，既降低了传感器制作成本，又有利于实现污水检测简洁、实用的要求。10下阶段研究设想（1）如何提高该BOD生物传感器的运行稳定性，以及对野外各种实际废水的检测效果；（2）扩大该BOD生物传感器的应用范围，即除了用于废水BOD在线监测以外，还考察其是否可用于废水、底泥、土壤样品的生物毒性检测；（3）在污水处理厂的实际、长期运行。研究后记微生物燃料电池技术与生物传感器研制是两个国内外热门、前沿的研究领域。这次研究经历使我与前沿科技亲密地了一回，实时感受了“科学技术转化为生产力”的魅力。同时，我的研究能力得到了提高，学会了从多角度思考问题的方法。而在研究中的各种实验使我在课堂中所学的知识得以运用和巩固。总而言之，通过这次研究，我的各种能力都得到了提升。感谢广东实验中学石乐义、刘忠毅老师对我的悉心指导，引导我走上了科学研究的道路，并在生活上、学习上给与我大力帮助。在研究过程中，我不仅学到了科学研究的方法，还学到了做人、做事，学会了在困难面前不低头，勇于接受挑战的良好品格。感谢广东省生态环境与土壤研究所周顺桂博士给予的校外指导以及该研究所提供的相关实验设备。周博士牺牲了很多时间来指导我完成实验研究，这种无私奉献，勇于承担社会责任的精神深深地影响着我。感谢我的父母，他们牺牲休息时间来帮我完成项目，使我有持久的动力和战胜困难的决心。参考文献1王建龙,章一心生物传感器BOD快速测定仪的研究进展J环境科学学报,2007,277106610822KIMM,YOUNSM,SUNGHS,ETALPRACTICALFIELDAPPLICATIONOFANOVELBODMONITORINGSYSTEMJJENVIRONMONIT,2003