周楚洋臺灣大學：生物產業機電工程學研究所蔣志德Chiang, Chih-TeChih-TeChiang2007-11-262018-07-102007-11-262018-07-102005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/52924本研究是利用三極式電化學偵測器、活性污泥菌種及流動注射分析系統建立一生化需氧量（BOD）的感測系統，並針對實際廢水作生化需氧量的檢測。 感測器採用白金工作電極及Ag/AgCl參考電極，白金工作電極表面修飾有20μL的Nafion薄膜，以減少雜訊。反應區域採用壓克力材質，活性污泥置於其中心一18 mm (L) ´ 2 mm (W) ´ 2 mm (D)的凹槽，利用上述電極及流動注射分析系統針對樣品作反應與檢測。分別建立以人工廢水GGA（Glucose-glutamic acid）及豬糞尿廢水為樣本的標準曲線，從輸出的電流與時間的關係圖，利用終點法（End point）、固定時間法（Constant time）、斜率法I（Quasi-kinetic I）及斜率法II（Quasi-kinetic II）等四種方式推估BOD的濃度。 利用現場取樣的豬糞尿廢水作測試以驗證本系統之準確度，結果顯示採用GGA建立的標準曲線所測得的BOD濃度，以固定時間法以及斜率法I的結果較佳，其檢測的誤差分別為8.96%以及7.65%。而採用豬糞尿廢水建立的標準曲線所測得的BOD濃度，終點法、固定時間法以及斜率法I可以更準確地預估實際廢水之BOD值，其誤差分別為0.81%、2.49 %及1.69 %。A biochemical oxygen demand (BOD) sensing system was developed using the combination of three-electrode electrochemical detector, seed from active sludge, and flow injection analysis system (FIA) in this study to examine the BOD of wastewater. The detector contained an Ag/AgCl electrode (reference electrode, RE) and a Pt electrode (working electrode, WE), which was coated with 20mL Nafion to reduce noises. The reactor was fabricated with acrylic plastic, and the seed of activated sludge was placed in an 18 mm (L) ´ 2 mm (W) ´ 2 mm (D) cave, in which the tested sample was reacted and detected with the above electrodes through the flow injection analysis system. Standard curves were built from the experimental data for both GGA (glucose-glutamic acid) synthetic wastewater and swine wastewater by different approaches: end-point, constant-time, quasi-kinetic I, and quasi-kinetic II, respectively. To verify the effect of this system, wastewater from pig farm were tested. The results showed that, when using the standard curves generated by GGA wastewater, the constant-time and quasi-kinetic I had better performance in estimating the BOD concentration, with the deviations of 8.96% and 7.65%, respectively. In addition, when using the standard curves generated by the swine wastewater, the end-point, constant-time and quasi-kinetic I had much better estimate than the above, with the deviations of 0.81%, 2.49%, and 1.69%, respectively.目 錄 摘要 i 目錄 iii 圖目錄 vii 表目錄 x 第一章 前言與研究目的 1 第二章 文獻探討 3 2-1 生化需氧量 3 2-2 生物感測器 6 2-3 分子辨識單元分類 8 2-3-1 細菌生長反應 9 2-3-2 細菌生長環境 11 2-4 信號轉換單元分類 12 2-5 電極修飾方法 15 2-6 生化需氧量感測器 17 2-7 分析系統 19 第三章 研究方法 22 3-1 實驗材料 22 3-1-1 感測器 22 3-1-2反應槽與菌種 25 3-1-3 測試樣品 27 3-1-4 流動注射分析系統 28 3-1-5 使用藥品 29 3-2 實驗方法 30 3-2-1 實驗系統 30 3-2-2 實驗步驟 32 3-2-3 分析方法 33 3-2-3-1 化學分析 33 3-2-3-2 訊號分析 34 第四章 結果與討論 36 4-1 標準曲線的建立－GGA 36 4-1-1 終點法（End point） 37 4-1-2 固定時間法（Constant time） 38 4-1-3 斜率法I（Quasi-kinetic I） 40 4-1-4 斜率法II（Quasi-kinetic II） 41 4-1-5 標準曲線之比較－GGA 42 4-1-6 GGA標準曲線檢測實際廢水 43 4-2 標準曲線的建立－豬糞尿廢水 45 4-2-1 終點法（End point） 46 4-2-2 固定時間法（Constant time） 47 4-2-3 斜率法I（Quasi-kinetic I） 49 4-2-4 斜率法II（Quasi-kinetic II） 50 4-2-5 標準曲線之比較－豬糞尿廢水 51 4-2-6 豬糞尿廢水標準曲線檢測實際廢水 52 4-3 標準曲線的建立－豬糞尿廢水(兩點校正) 54 4-3-1 終點法（End point） 55 4-3-2 固定時間法（Constant time） 56 4-3-3 斜率法I（Quasi-kinetic I） 57 4-3-4 斜率法II（Quasi-kinetic II） 58 4-3-5 豬糞尿廢水標準曲線(兩點校正)檢測實際廢水 59 4-4 人工廢水GGA與豬糞尿廢水之比較 60 第五章 結論與建議 61 第六章 參考文獻 63 圖目錄 圖2-1 BOD測定值與培養時間之關係圖 4 圖2-2 感測器之分類 7 圖2-3 微生物生長曲線 10 圖2-4 微生物生長速率與溫度關係圖 11 圖2-5 熱電偶 12 圖2-6 螢光分析儀 13 圖2-7 QCM微質量天秤 14 圖2-8 氧電極 14 圖2-9 生化需氧量感測器裝置圖 18 圖2-10 化學分析法自動化之演進 19 圖2-11 FIA系統架構 20 圖2-12 試樣帶 (Sample zone) 的控制分散以及暫態偵測 20 圖3-1 白金工作電極 22 圖3-2 Ag / AgCl參考電極 22 圖3-3 感測器元件A 23 圖3-4 感測器元件B 23 圖3-5 感測器元件A結構圖 23 圖3-6 感測器元件B結構圖 23 圖3-7 感測器主體 24 圖3-8 定電壓電流儀（Potentiostat） 25 圖3-9 CHI分析軟體 25 圖3-10 反應槽 26 圖3-11 菌種培養示意圖 26 圖3-12 微量幫浦 28 圖3-13 多向閥 28 圖3-14 多向閥構造 28 圖3-15 系統架構圖 31 圖3-16 BOD偵測頭裝置方式 33 圖3-17 分析方法 35 圖4-1 不同濃度GGA檢測曲線 36 圖4-2 GGA標準曲線－終點法 37 圖4-3 GGA標準曲線－固定時間法 38 圖4-4 GGA標準曲線－斜率法I 40 圖4-5 GGA標準曲線－斜率法II 41 圖4-6 不同濃度之廢水檢測曲線 45 圖4-7 實際廢水標準曲線－終點法 46 圖4-8 實際廢水標準曲線－固定時間法 47 圖4-9 實際廢水標準曲線－斜率法I 49 圖4-10 實際廢水標準曲線－斜率法II 50 圖4-11 不同濃度之廢水檢測曲線(兩點校正) 54 圖4-12 實際廢水標準曲線(兩點校正)－終點法 55 圖4-13 實際廢水標準曲線(兩點校正)－固定時間法 56 圖4-14 實際廢水標準曲線(兩點校正)－斜率法I 57 圖4-15 實際廢水標準曲線(兩點校正)－斜率法II 58 表目錄 表4-1 GGA標準曲線檢測實際廢水 43 表4-2 豬糞尿廢水標準曲線檢測實際廢水 52 表4-3 豬糞尿廢水標準曲線檢測實際廢水 59773814 bytesapplication/pdfen-US生化需氧量生物感測器三極式電化學偵測器流動注射分析系統Biochemical oxygen demandBiosensorThree-electrode electrochemical detectorFlow injection analysis systemthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/52924/1/ntu-94-R91631004-1.pdf