崔 苗， 端 允

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.太原市環(huán)境監(jiān)測中心站，山西 太原 030002)

生化需氧量是反映環(huán)保領(lǐng)域可生化性有機(jī)污染程度的重要指標(biāo)，也是生化污水處理廠衡量污水狀態(tài)的重要指標(biāo)。目前我國大多數(shù)科研實(shí)驗(yàn)單位均采用稀釋與接種法，該方法測量時間長、操作比較復(fù)雜，無法及時反映水體污染狀況，也不能滿足當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測中要求的快速測定的目標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)采用220B型BOD快速測定儀，該儀器采用微生物電極法測定水中的BOD值，具有操作簡便、快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于各類生活污水、地表水和工業(yè)廢水的BOD測定。

生化需氧量；微生物電極法；快速準(zhǔn)確

生化需氧量(biochemical oxygen demand，BOD)，是水中的好氧微生物在一定的溫度條件下將有機(jī)物分解成無機(jī)質(zhì)，其氧化過程中所消耗的溶解氧量。BOD是表示水體中的好氧有機(jī)物污染物含量的一個綜合指標(biāo)，其值越高，說明該水體中的有機(jī)污染物含量越高，污染也就越嚴(yán)重[1]。它是我國實(shí)施污染物排放總量控制的指標(biāo)之一，也是評價水質(zhì)好壞、反應(yīng)水體受污染程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，我國測定生化需氧量的標(biāo)準(zhǔn)方法是稀釋與接種法(HJ505-2009)[2]，該方法氧化率高，再現(xiàn)性好，準(zhǔn)確可靠，但操作繁瑣、實(shí)驗(yàn)時間長、對操作人員的技術(shù)要求比較高，不能及時反映水體受污染的程度，難以達(dá)到大批量快速測定的要求。微生物電極法是目前快速測定BOD的新方法之一，該方法測量周期短，操作簡單，對水體受污染程度的預(yù)報(bào)、工業(yè)廢水的處理等實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。本文采用微生物電極法BOD快速測定儀，通過測定標(biāo)準(zhǔn)樣品和環(huán)境水樣的濃度與稀釋接種法測量值對比來驗(yàn)證其方法的可行性[3-4]。

1 儀器及主要試劑

1.1 儀器

賽普環(huán)保BOD-220系列快速測定儀；微生物菌膜：將微生物菌膜浸泡在0.005 mol/L清洗液中活化48 h，每24 h換一次清洗液，然后將其安裝在儀器的微生物傳感器上。在“清洗”工作狀態(tài)下，讓微生物菌膜持續(xù)活化1 d～2 d，以保證其輸出值穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)中需要的玻璃儀器及塑料容器在使用前要清洗干凈，如果有可生物降解的化合物附著，會在實(shí)驗(yàn)操作中造成二次污染影響測量結(jié)果。

1.2 試劑

1.2.1 BOD標(biāo)準(zhǔn)溶液

將葡萄糖(C6H12O6)和谷氨酸(C5H9NO4)放置在103 ℃的烘箱內(nèi)烘1 h，取出后晾至室溫，然后各準(zhǔn)確稱取1.705 g溶于1 000 mL蒸餾水中，得到2 500 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液(此標(biāo)準(zhǔn)溶液在配制后應(yīng)盡快使用)。

1.2.2 磷酸鹽緩沖液

準(zhǔn)確稱取磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)179 g和磷酸二氫鉀(KH2PO4)68 g溶于1 L蒸餾水中得到0.5 mol/L的緩沖溶液。該緩沖溶液pH=7.0，用于標(biāo)準(zhǔn)溶液及被測樣品的稀釋，并使所有待測樣品中的磷酸鹽緩沖溶液的濃度達(dá)到0.005 mol/L。

1.2.3 磷酸鹽緩沖使用液(清洗液)

將0.5 mol/L的磷酸鹽緩沖溶液用蒸餾水稀釋至0.005 mol/L即可。本清洗液用于儀器的正常開機(jī)狀態(tài)即“清洗”中，每分鐘消耗4.5 mL，每8 h消耗約2.7 L。

2 適用范圍

BOD-220系列快速測定儀的最佳線性范圍是2 mg/L～50 mg/L。當(dāng)被測樣品BOD質(zhì)量濃度大于50 mg/L時，會導(dǎo)致測量誤差增大，所以，應(yīng)該將被測樣品先稀釋至50 mg/L以下，然后再對其進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)時建議將待測量樣品稀釋到25 mg/L以下，使其可以獲得最佳線性范圍，同時還能減少清洗時間進(jìn)而縮短檢測周期。

3 實(shí)驗(yàn)原理及分析步驟

3.1 實(shí)驗(yàn)原理[1]

本實(shí)驗(yàn)采用的儀器使用流通測量方式，將微生物膜固定于隔膜式氧電極上組成微生物電極，由流通測量池組件固定微生物膜。因?yàn)槿芙庋醯暮颗c氧電極的輸出電流成正比，當(dāng)緩沖溶液即不含任何有機(jī)物的液體通過流通池時，微生物的同化作用很小，流經(jīng)微生物膜的溶解氧含量基本沒有減少。而當(dāng)含有有機(jī)物的溶液通過流通池時，微生物因?yàn)橥饔梅浅；钴S，同化過程中需要消耗更多的溶解氧，導(dǎo)致流經(jīng)微生物膜的溶解氧含量減少。由于溶解氧含量的變化，使得氧電極的輸出同比發(fā)生變化，也就證明樣品有機(jī)物的含量與輸出電流變化值成正比關(guān)系，從而可以計(jì)算出待測樣品中BOD的值。微生物傳感器及其工作原理如圖1、圖2所示。

圖1 微生物傳感器

圖2 儀器的工作原理

3.2 分析步驟

3.2.1 樣品的前處理

如果樣品的pH值不在4～10，可用0.5 mol/L鹽酸溶液或20 g/L氫氧化鈉溶液，將樣品的pH值調(diào)節(jié)到中性即可。

3.2.2 樣品的準(zhǔn)備

1) 取10 mL已配好的BOD標(biāo)準(zhǔn)液(1.2.1),用純水定容至250 mL的容量瓶中,得到100 mg/L的BOD標(biāo)準(zhǔn)使用液，將其稀釋成5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、25 mg/L的溶液用于定標(biāo)。

2) 一般情況，地表水樣品可以不用稀釋，直接作為待測樣品進(jìn)行測量。生活污水和工業(yè)廢水可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或預(yù)期BOD值確定稀釋倍數(shù)，使其BOD值控制在50 mg/L以下，保證其濃度范圍控制在最佳線性范圍內(nèi)，然后再作為待測樣品測試。

3) 準(zhǔn)備3支從環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所購買的GSB 07-3160-2014標(biāo)準(zhǔn)樣品200246、200247和200248，分別取10 mL用純水定容至250 mL的容量瓶中，稀釋至適宜濃度后作為待測樣品。

3.2.3 測量方法

用磷酸鹽緩沖使用液(1.2.3)清洗微生物傳感器至電流I0穩(wěn)定，I0值應(yīng)保持在4.0以上10.0以下，ΔI在0.3以上，穩(wěn)定后開始測量。

1) 量取50 mL已配好的5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、25 mg/L BOD標(biāo)準(zhǔn)使用液，從1號樣品杯開始往后依次加入，然后向每個樣品杯中加入0.5 mL的磷酸鹽緩沖溶液(1.2.2)，作為“定標(biāo)”溶液(每次做實(shí)驗(yàn)必須先定標(biāo)準(zhǔn))，測量選樣時選擇“標(biāo)樣”按鈕，并在系統(tǒng)中對應(yīng)輸入5、10、20、25(mg/L)進(jìn)樣測出其電流差△I(△I與BOD濃度成正比)；

2) 用量筒準(zhǔn)確量取已稀釋好的標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測水樣50 mL分別加入各樣品杯中，并向每個樣品杯內(nèi)各加0.5 mL的磷酸鹽緩沖溶液(1.2.2)，必須保證磷酸鹽緩沖液占總體積的1%，測量選樣時選擇“樣品”按鈕并在系統(tǒng)中輸入該樣品對應(yīng)的稀釋倍數(shù)，已保證最后計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確；

3) 所有樣品都設(shè)置好以后，點(diǎn)擊系統(tǒng)上的“開始測量”按鈕進(jìn)行水樣測量。首先，進(jìn)樣器會自動復(fù)位，將1號樣品杯置于開始測量的位置。隨后，BOD快速測定儀的主機(jī)自動進(jìn)入清洗狀態(tài)。清洗結(jié)束后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)測量(或樣品測量)狀態(tài)，系統(tǒng)將自動得出樣品的濃度。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 全程序空白及檢出限

由于空白值比較低，做空白實(shí)驗(yàn)前需要先定1個低濃度的標(biāo)準(zhǔn)以保證結(jié)果更加準(zhǔn)確，取1 mL BOD標(biāo)準(zhǔn)液(1.2.1)定容到250 mL的容量瓶中得到1 mg/L的定標(biāo)使用液，定標(biāo)后準(zhǔn)備5組磷酸鹽緩沖使用液(1.2.3)進(jìn)行空白值的測定，結(jié)果如表1所示。

表1 空白測定

4.2 兩種測定方法比對結(jié)果

由于目前BOD測試方法主要是稀釋與接種法，為了保證本文中所采用方法結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，分別采用微生物電極法和測定生化需氧量的標(biāo)準(zhǔn)方法稀釋與接種法(HJ505-2009)對水樣進(jìn)行分析，對其測量結(jié)果的偏差進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果對比如表2。

表2 生化需氧量不同方法結(jié)果比對表

4.3 標(biāo)準(zhǔn)樣品的測定

為了證明該儀器測量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，對從環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所購買的GSB07-3160-2014標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行了測量，并對其精密度和準(zhǔn)確度進(jìn)行了檢驗(yàn)，測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值符合良好，說明本方法準(zhǔn)確可靠，結(jié)果如表3。

表3 BOD標(biāo)準(zhǔn)樣品測定結(jié)果

5 注意事項(xiàng)

1) 每次開機(jī)后要清洗1 h使電位穩(wěn)定后方可做實(shí)驗(yàn)。

2) 所有參與實(shí)驗(yàn)的樣品必須加緩沖溶液，所有進(jìn)入儀器的液體中都必須加0.5 mol/L的緩沖液并稀釋到0.005 mol/L，必須保證磷酸鹽緩沖溶液占總體積的1%。

3) 需每天作新標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槲⑸锬さ幕钚悦刻於疾煌?/p>

4) 測量時溫度要穩(wěn)定在33 ℃左右，I0在4.0以上10.0以下，△I在0.3以上，新?lián)Q的微生物膜要在機(jī)器上洗一段時間，洗到I0在4.0～10.0，并穩(wěn)定。

5) 水樣中的干擾雜質(zhì)少，用小的稀釋倍數(shù)，減少誤差；水樣中的干擾雜質(zhì)多，用大的稀釋倍數(shù)，減小影響。

6) 樣品測量的順序：先測定低濃度的樣品，再測定高濃度的樣品；先測定容易降解的樣品，再測定難降解的樣品；如果遇到強(qiáng)干擾物或含有毒、有害的物質(zhì)，可用大倍數(shù)稀釋之后再進(jìn)行測量。

6 結(jié)論

作為水中有機(jī)物污染的一項(xiàng)重要指標(biāo)，生化需氧量反映的可生化降解性是其他參數(shù)無法替代的，所以它一直作為我國水質(zhì)監(jiān)測的基礎(chǔ)項(xiàng)。使用經(jīng)典的稀釋與接種法進(jìn)行測定得到的BOD值，需要將水樣培養(yǎng)5 d，這期間將發(fā)生了一系列極為復(fù)雜的氧化過程后，將培養(yǎng)水樣取出測量，通過計(jì)算得到結(jié)果。培養(yǎng)期間發(fā)生的反應(yīng)包括被測水中的微生物對有機(jī)物進(jìn)行直接的攝取或分解后再對其進(jìn)行攝取、同化代謝時的氧化，產(chǎn)生異化代謝時的氧化、維持代謝時的氧化。氧化過程也容易受到各種因素的影響，比如，由于原生動物在捕食微生物時形成食物鏈而造成整體氧化率上升，或者由于微生物增殖而造成氧化速度加快。不論是經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)稀釋法，還是微生物電極法，通過測定其生化需氧量來確定對環(huán)境的影響都有一定的局限性。其根本原因是，由于實(shí)驗(yàn)室所配置的標(biāo)準(zhǔn)樣品與現(xiàn)場所采集的水樣是兩個本質(zhì)不同的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室配置的標(biāo)準(zhǔn)樣品可能受到分析人員操作的微小差異或者儀器的不穩(wěn)定性而造成的隨機(jī)誤差的影響，而現(xiàn)場采集水樣受到現(xiàn)場溫度、濕度、自然曝氣、各種有毒有害干擾物質(zhì)的沉淀等自然條件的影響，加之目前國內(nèi)使用的各種測定BOD的方法都存在某些不確定性及影響因素，因此，生化需氧量只能作為綜合判定水質(zhì)狀況的指標(biāo)。既然作為參考指標(biāo)，那么快速準(zhǔn)確就是環(huán)境監(jiān)測過程中一項(xiàng)很重要的影響因素，因此，微生物電極法快速測定水中的生化需氧量對水質(zhì)實(shí)時監(jiān)測和工業(yè)廢水處理的調(diào)控及污染預(yù)報(bào)更加具有實(shí)際意義，也更能滿足當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測中快速測定的要求[5-6]。

本實(shí)驗(yàn)通過對標(biāo)準(zhǔn)樣品、空白樣品以及日常工作中水樣的測定，得到的結(jié)果均比較滿意，數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性和準(zhǔn)確性均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，說明微生物電極法用于測量BOD有可行性。而且該方法測量時間短、出數(shù)效率高、得到的結(jié)果準(zhǔn)確可靠、實(shí)驗(yàn)過程中能耗低、污染少，這些優(yōu)點(diǎn)使得其在應(yīng)急監(jiān)測、大批量樣品的檢測過程中可以廣泛應(yīng)用。

[1] 國家環(huán)境保護(hù)總局.水質(zhì)生化需氧量的測定微生物傳感器快速測定法(HJ/T 86-2002)[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[2] 環(huán)境保護(hù)部.水質(zhì)生化需氧量的測定稀釋與接種法(HJ505-2009)[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,2009.

[3] 國家環(huán)境保護(hù)總局，水和廢水監(jiān)測分析方法編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版增補(bǔ)版)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002:227-231.

[4] 張皓.BOD快速測定儀在水中BOD測定中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究,2014,4(5):60-62.

[5] 石美珠.BOD快速測定儀維護(hù)及盲樣考核注意事項(xiàng)探討[J].科技信息,2010(10):722.

[6] 李海燕,姜玲,張麗.微生物膜法快速測定水中的BOD[J].污染防治技術(shù),2007,20(4):86-88.