康長安，吳志強(qiáng)，彭剛?cè)A，夏新

(1.江西省環(huán)境監(jiān)測中心站，南昌 330029； 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012)

生化需氧量的測定起源于英國(1870年)，是一種量度水中可被生物降解部分有機(jī)物(包括某些無機(jī)物)的綜合指標(biāo)，常用來評價水體有機(jī)物的污染程度。目前國內(nèi)外普遍采用20℃培養(yǎng)5天所需溶解氧含量作為評價指標(biāo)，簡稱五日生化需氧量(BOD5)。BOD5是污水處理過程中的一項(xiàng)基本指標(biāo)，其測定準(zhǔn)確與否關(guān)系到能否正確判斷廢水的可生化性，進(jìn)而影響到廢水處理工藝的選擇和設(shè)計(jì)［1］。標(biāo)準(zhǔn)稀釋法又稱稀釋接種法，是生化需氧量測定的經(jīng)典方法。目前文獻(xiàn)報(bào)道的研究多為BOD5測定的影響因素研究［2–4］及 BOD5與 CODcr，CODmn 的關(guān)系研究［5–8］，BOD5檢測質(zhì)量控制指標(biāo)研究未見報(bào)道。我國目前已頒布的標(biāo)準(zhǔn)分析方法中，給出的“精密度和準(zhǔn)確度”質(zhì)量控制指標(biāo)均來源于方法制定時多家實(shí)驗(yàn)室對特定樣品進(jìn)行多次測定所獲得的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，旨在說明方法的可行性［9］。如GB 5750–2006 《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》中給出的方法精密度數(shù)據(jù)引自相關(guān)資料，且只給出了多家實(shí)驗(yàn)室測定某一濃度樣品時的標(biāo)準(zhǔn)偏差值，此值僅為方法制定時用于說明方法可行，對分析工作者在日常檢測質(zhì)量控制及評價無實(shí)際意義。HJ 505–2009 《水質(zhì) 五日生化需氧量(BOD5)的測定 稀釋與接種法》中給出了平行樣相對百分偏差限值及精密度和準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)。為了檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)給出的質(zhì)量控制指標(biāo)在實(shí)際檢測過程中的適用性，筆者收集了17個省份137家實(shí)驗(yàn)室(含東部發(fā)達(dá)省份和中西部欠發(fā)達(dá)省份的省、市、縣三級環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室)積累的實(shí)際檢測數(shù)據(jù)，通過對上述大量實(shí)驗(yàn)室實(shí)際樣品檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究了稀釋接種法測定水中BOD5質(zhì)量控制指標(biāo)限值。目前應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法研究質(zhì)量控制指標(biāo)限值的僅有趙嘉詳?shù)热死盟趯?shí)驗(yàn)室5年時間所積累實(shí)際水樣檢測數(shù)據(jù)，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法給出檢測方法的質(zhì)量控制指標(biāo)建議值［10］，但該研究用于統(tǒng)計(jì)的樣本量小，且用于統(tǒng)計(jì)的檢測數(shù)據(jù)不代表全國各級實(shí)驗(yàn)室的檢測水平。筆者通過對收集的大量實(shí)際檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析研究質(zhì)量控制指標(biāo)限值，研究結(jié)果既是對現(xiàn)有分析標(biāo)準(zhǔn)給出的質(zhì)量控制指標(biāo)值的檢驗(yàn)，同時為分析人員提供工作參考數(shù)據(jù)，為開展質(zhì)量控制工作提供評價依據(jù)及技術(shù)支持。

1 研究內(nèi)容和數(shù)據(jù)

1．1 研究內(nèi)容

以稀釋接種法為依據(jù)，通過對空白樣品、標(biāo)準(zhǔn)樣品、實(shí)際樣品及其加標(biāo)樣品的測定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出精密度和準(zhǔn)確度等質(zhì)量控制指標(biāo)，主要為重復(fù)性精密度(RSD)、再現(xiàn)性精密度(RSD')、相對偏差(RD)、相對誤差(RE)和加標(biāo)回收率。研究所得稀釋接種發(fā)法測定水中BOD5評定指標(biāo)值與國內(nèi)外資料指標(biāo)值進(jìn)行對比分析，提出符合我國實(shí)際監(jiān)測水平的BOD5監(jiān)測質(zhì)量評定指標(biāo)值。

1．2 監(jiān)測單位及數(shù)據(jù)

用于本研究的檢測數(shù)據(jù)來自于全國17個省份137家實(shí)驗(yàn)室(省級站8家，市級站65家，縣級站64家)。全國15個省份135家實(shí)驗(yàn)室(省級站8家，市級站63家，縣級站64家)對濃度為10.5～148 mg／L的10種標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行了測定，得到監(jiān)測數(shù)據(jù)367個；全國2家實(shí)驗(yàn)室(省級)對1.95～30 mg／L濃度范圍的實(shí)際樣品進(jìn)行了測定，得到983對平行雙樣數(shù)據(jù)；9個省13家實(shí)驗(yàn)室(省級站3家，市級站10家)進(jìn)行了空白加標(biāo)和標(biāo)樣加標(biāo)測定，得到加標(biāo)回收率數(shù)據(jù)315個。

1．3 異常值檢驗(yàn)方法

對收集到的歷史檢測數(shù)據(jù)采用Grubbs、Dixon和Cochran檢驗(yàn)方法進(jìn)行室內(nèi)、室間均值和方差檢驗(yàn)，剔除異常值后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析［11］。

(1)采用Grubbs檢驗(yàn)法對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的每組測定數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，篩選出可疑值。當(dāng)數(shù)據(jù)量大于100時，采用Pauta 進(jìn)行檢驗(yàn)。

(2)用各個實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行方差檢驗(yàn)。對同一標(biāo)準(zhǔn)樣品：①如果每家實(shí)驗(yàn)室的測定次數(shù)相同，采用Cochran 檢驗(yàn)法對多家實(shí)驗(yàn)室測定數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差篩選可疑值，將最大方差剔除，然后重新檢驗(yàn)，直到方差不存在顯著性差異；②如果測定次數(shù)不同，應(yīng)用Bartlett 檢驗(yàn)法來檢驗(yàn)，此時，如果方差存在顯著性差異，應(yīng)將最大方差剔除，然后重新檢驗(yàn)，直到方差不存在顯著性差異。

(3)根據(jù)上述(2)的檢驗(yàn)結(jié)果(經(jīng)過方差檢驗(yàn)，并進(jìn)行異常數(shù)據(jù)剔除)，采用Dixon檢驗(yàn)法對實(shí)驗(yàn)室間每組測定數(shù)據(jù)的均值篩選可疑值。

異常值的判斷指標(biāo)：以P表示上述3 種方法的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的觀測值出現(xiàn)的概率，檢驗(yàn)結(jié)果按下列3種情形進(jìn)行判斷：①P＞5%，即Cochran，Grubbs或Dixon 檢驗(yàn)法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量小于其5%的臨界值，則判斷觀測值為正常值；②1%≤P≤5%，即檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量介于5%和1%的臨界值之間，則判斷觀測值為異常值；③P＜1%，即檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量大于1%的臨界值，則判斷觀測值為高度異常值。

1．4 質(zhì)量控制指標(biāo)建議值統(tǒng)計(jì)方法

相對標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對誤差、相對偏差、重復(fù)性和再現(xiàn)性的統(tǒng)計(jì)分3個步驟：①依據(jù)確認(rèn)數(shù)據(jù)，計(jì)算各個質(zhì)量控制參數(shù)的均值x及標(biāo)準(zhǔn)偏差s；②分別計(jì)算約85%，90%，95%的有效數(shù)據(jù)(即有效數(shù)據(jù)占總確認(rèn)數(shù)據(jù)的百分比)覆蓋的x±A的范圍值，A值根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算得出；③結(jié)合x±A范圍和有效數(shù)據(jù)量，再結(jié)合所作圖表進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)的離散狀況，采用有效數(shù)據(jù)量不小于95%(特殊情況下選擇85%或者90%)所覆蓋的范圍值，給出最終的建議值。

加標(biāo)回收率質(zhì)量控制指標(biāo)的計(jì)算方法：根據(jù)空白加標(biāo)回收率、標(biāo)準(zhǔn)樣品加標(biāo)回收率和實(shí)際樣品加標(biāo)回收率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用有效數(shù)據(jù)量不小于95%(特殊情況下選擇85%或者90%)所覆蓋的回收率范圍，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析圖表，給出最終的建議值。

2 結(jié)果與討論

2．1 精密度

2.1.1 重復(fù)性精密度

10.5～148 mg／L的10種濃度水平的標(biāo)準(zhǔn)樣品367個監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)異常值檢驗(yàn)剔除和除去測定平行次數(shù)少于3次的數(shù)據(jù)，得到54家實(shí)驗(yàn)室測得的8種濃度水平共215個有效數(shù)據(jù)。8種標(biāo)準(zhǔn)樣品實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差散點(diǎn)圖見圖1。重復(fù)性精密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。統(tǒng)計(jì)表明，96%的RSD≤7.8%，所以建議在10.5～127 mg／L濃度范圍內(nèi)，控制RSD≤10.0%。

圖1 各濃度水平標(biāo)準(zhǔn)樣品室內(nèi)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差散點(diǎn)圖

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣品實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差匯總結(jié)果

2.1.2 相對偏差2家實(shí)驗(yàn)室分別對1.95～30 mg／L濃度范圍的地表水實(shí)際樣品進(jìn)行了平行雙樣測定，共得到983對數(shù)據(jù)。實(shí)際樣品的相對偏差散點(diǎn)圖見圖2。從圖2可看出，983組實(shí)際樣品平行樣相對偏差多集中在10%之內(nèi)，實(shí)際樣品相對偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

圖2 30 mg／L以下實(shí)際樣品相對偏差分布圖(983個數(shù)據(jù))

表2 30 mg／L以下實(shí)際樣品相對偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表2可看出，濃度在1.95～30 mg／L范圍內(nèi)，95%的相對偏差在11.11%之內(nèi)，所以建議在實(shí)際工作中控制RD≤12.0%。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)室間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差

135家實(shí)驗(yàn)室分別對10.5～148 mg／L 10種濃度水平的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行了平行測定，經(jīng)過數(shù)據(jù)檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)均值有效數(shù)據(jù)54個。標(biāo)準(zhǔn)樣品和質(zhì)控樣品實(shí)驗(yàn)室間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差與濃度水平關(guān)系圖見圖3。

圖3 濃度水平和實(shí)驗(yàn)室間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差的關(guān)系圖

從圖3可以看出，在10.5～148 mg／L范圍內(nèi)，再現(xiàn)性精密度RSD'在2.9%～16.1%范圍內(nèi)波動。對以上10種濃度水平樣品的實(shí)驗(yàn)室間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。根據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在實(shí)際的監(jiān)測工作中，建議控制RSD'≤15.0%。

表3 標(biāo)準(zhǔn)樣品和質(zhì)控樣品實(shí)驗(yàn)室間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2.1.4 重復(fù)性和再現(xiàn)性研究了8種濃度水平標(biāo)準(zhǔn)樣品的重復(fù)性和再現(xiàn)性，各濃度水平樣品重復(fù)性和再現(xiàn)性見表4。

表4 不同濃度水平標(biāo)準(zhǔn)樣品的重復(fù)性和再現(xiàn)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表4可以看出，在10.5～127 mg／L濃度范圍內(nèi)，重復(fù)性在0.55～8.33 mg／L之間；再現(xiàn)性在4.31～20.71 mg／L之間。

2．2 準(zhǔn)確度

2.2.1 相對誤差對10.5～148 mg／L 10種濃度水平標(biāo)準(zhǔn)樣品的測定結(jié)果進(jìn)行相對誤差統(tǒng)計(jì)，以各實(shí)驗(yàn)室測定均值計(jì)算各實(shí)驗(yàn)室相對誤差，相對誤差數(shù)據(jù)共167個，經(jīng)檢驗(yàn)有效數(shù)據(jù)153個，誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表5 各濃度水平標(biāo)準(zhǔn)樣品相對誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表5可看出，在10.5～148 mg／L范圍內(nèi)，相對誤差均值范圍在–3.60%～4.70%之間，各實(shí)驗(yàn)室所有相對誤差值在–14.97%～35.24%范圍內(nèi)，其中共153個相對誤差數(shù)據(jù)值，除去10.5±2.4 mg／L標(biāo)準(zhǔn)樣品有一家實(shí)驗(yàn)室相對誤差為35.24%外，其余152個相對誤差值在–14.97%～23.16%之間。各濃度水平相對誤差分布圖見圖4。

-(10.5±2.4) mg/L;-(22.8±3.4) mg/L;-(58.3±4.8) mg/L;-(62.4±5.2) mg/L;-(67.6±5.9) mg/L;-(94.7±5) mg/L;

-(107±8) mg/L;-(108±8) mg/L;

-(148±9) mg/L;-(127±8) mg/L

從圖4可看出，在10.5～148 mg／L范圍內(nèi)，隨濃度增大，相對誤差有明顯減小的趨勢。將10.5～148 mg／L的標(biāo)準(zhǔn)樣品分10.5～60 mg／L和60～148 mg／L兩個范圍進(jìn)行討論，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

表6 10.5～148 mg／L范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)樣品相對誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表6得出，在實(shí)際監(jiān)測工作中，在60 mg／L以下濃度范圍時，建議控制RE在±20.0%范圍內(nèi)；在60 mg／L濃度范圍以上時，建議控制RE在±10.0%范圍內(nèi)。

2.2.2 加標(biāo)回收率

全國9個省份13家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了空白加標(biāo)平行測定(n=7)；8個省份12家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)樣品加標(biāo)平行測定(n=7)。加標(biāo)回收率分布圖見圖5。

圖5 加標(biāo)回收率分布圖

從圖5可看出，空白加標(biāo)和標(biāo)樣加標(biāo)回收率數(shù)據(jù)集中度相似，加標(biāo)回收率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7。

表7 加標(biāo)回收率統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

從表7統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，建議控制加標(biāo)回收率范圍為70.0%～130.0%。

2．3 研究結(jié)果與文獻(xiàn)比較

稀釋接種法測定水中BOD5文獻(xiàn)資料給出的質(zhì)量控制指標(biāo)較少，環(huán)保部《水和廢水監(jiān)測分析方法(第 4 版增補(bǔ)版 )》［12］，2002 稀釋接種法中實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.6%，與其相比本研究相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值偏高；與《環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量保證手冊》(第二版)質(zhì)量控制數(shù)據(jù)15%相比，本研究相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值偏低［13］。HJ 505–2009 《水質(zhì)五日生化需氧量(BOD5)的測定稀釋與接種法》中給出了稀釋法和稀釋接種法的對比測定結(jié)果重現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)偏差為11 mg／L，再現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.7～22 mg／L。本研究結(jié)果與之比較，均在該參考值范圍內(nèi)，與該方法規(guī)定內(nèi)容基本吻合。

3 結(jié)論

通過對收集到的大量實(shí)驗(yàn)室實(shí)際樣品監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)地對稀釋接種法測定水中生化需氧量的加標(biāo)回收率、重復(fù)性、再現(xiàn)性、相對誤差、相對偏差和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差等質(zhì)量控制指標(biāo)進(jìn)行了分析和討論。提出了體現(xiàn)各監(jiān)測領(lǐng)域技術(shù)特點(diǎn)，適合于多種質(zhì)量控制措施，代表我國監(jiān)測技術(shù)水平，在全國具有廣泛應(yīng)用價值的質(zhì)量控制指標(biāo)建議值。本研究建議在實(shí)際監(jiān)測工作中，樣品BOD5在10.5～127 mg／L范圍內(nèi)，控制重復(fù)性RSD≤10.0%，控制RSD'≤15%；樣品濃度小于30 mg／L時，控制相對偏差RD≤12.0%；60 mg／L以下樣品，控制相對誤差RE在±20%范圍內(nèi)；60 mg／L以上樣品，控制RE在±10%范圍內(nèi)；控制加標(biāo)回收率在70.0%～130.0%之間。通過對10.5～127 mg／L的8種濃度水平的標(biāo)準(zhǔn)樣品分析，重復(fù)性在0.55～8.33 mg／L范圍內(nèi)，再現(xiàn)性在4.31～20.71 mg／L范圍內(nèi)。

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