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生化需氧量測(cè)定方法的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀

2013-08-15 00:53:06陳麗瓊茹婉紅余東波茹菁宇
綠色科技 2013年2期
關(guān)鍵詞:方法

陳麗瓊,茹婉紅,胡 勇,余東波,茹菁宇

(1.云南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,云南 昆明650034;2.上海航天化工應(yīng)用研究所,上海201109;3.西南林業(yè)大學(xué),云南 昆明650224;4.云南省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究院,云南 昆明650051;5.云南省環(huán)境科學(xué)研究院,云南 昆明650034)

1 引言

生化需氧量(BOD)是指在有氧存在的條件下,微生物分解水中的可氧化性物質(zhì)所進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)中所消耗的溶解氧的量,以氧的mg/L表示,它是衡量水體受有機(jī)物污染程度的綜合性重要指標(biāo)之一。整個(gè)生化過程包括兩個(gè)階段:第一個(gè)階段為碳化階段,主要是微生物將有機(jī)物中的碳和氫氧化生成CO2和H2O,20℃下完成此階段需要20d左右;第二個(gè)階段為硝化階段,是硝化細(xì)菌將含氮有機(jī)物和氨氧化生成亞硝酸鹽和硝酸鹽,20℃下完成此階段需要100d左右[1]。水樣經(jīng)過5d的生物氧化,碳化階段可完成大半,并開始進(jìn)入硝化階段。尤其對(duì)生活污水來說,5d的耗氧量相當(dāng)于完全氧化分解耗氧量的70%,因此國內(nèi)外普遍規(guī)定將水樣在20±1℃培養(yǎng)5d,分別測(cè)定培養(yǎng)前后的溶解氧,二者之差即為BOD5值[2,3]。在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中,BOD5能相對(duì)表示微生物可氧化的有機(jī)污染物的含量,比較符合水體自然凈化功能和大部分污水處理工藝路線的設(shè)計(jì)思想,是研究水樣的可生化降解性和生化處理工藝動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)[4]。因此,BOD的測(cè)定對(duì)水體污染控制和對(duì)水環(huán)境功能評(píng)價(jià)具有非常重要的意義。

2 稀釋與接種法

生化需氧量的傳統(tǒng)測(cè)定方法是稀釋與接種法,是指水樣經(jīng)含有營(yíng)養(yǎng)液的接種稀釋水適度稀釋后在20±1℃培養(yǎng)5d,測(cè)定培養(yǎng)前后水樣中溶解氧的質(zhì)量濃度,由二者之差計(jì)算每升樣品所消耗的溶解氧量,表示為BOD5。該法是1913年由英國皇家污水處理委員會(huì)正式提出,美國公共衛(wèi)生協(xié)會(huì)1936年將(20℃)5d生化需氧量稀釋法定為水和廢水的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法,從而形成了測(cè)定BOD5的標(biāo)準(zhǔn)稀釋法,并為ISO/TC-147所推薦[5]。我國1987年將此方法頒布為水質(zhì)分析方法標(biāo)準(zhǔn)GB7488-87,并由環(huán)境保護(hù)部于2009年修訂后頒布為HJ505-2009標(biāo)準(zhǔn)[6]。

自從BOD5在國際上被確定為重要的水質(zhì)有機(jī)污染指標(biāo)和監(jiān)測(cè)參數(shù)之一以來,許多研究人員和分析工作者對(duì)其測(cè)定方法一直在堅(jiān)持不懈地研究和改進(jìn),截至目前國內(nèi)外仍以稀釋與接種法作為經(jīng)典方法廣泛應(yīng)用于常規(guī)監(jiān)測(cè)、比對(duì)實(shí)驗(yàn)、標(biāo)樣考核、仲裁分析等領(lǐng)域。然而,在實(shí)際工作中,稀釋與接種法也有許多不足之處,如操作復(fù)雜、耗時(shí)耗力、精密度差、干擾性大、適用范圍有限、不宜現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等[7,8]。

3 BOD快速測(cè)定方法

3.1 微生物傳感器法

Verrismmen于1976年首先提出用氧電極接種污泥法測(cè)定BOD,為生物傳感技術(shù)發(fā)展及BOD測(cè)定傳感器的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1977年,Karube[9]等采用固定化技術(shù)研制成了第一臺(tái)測(cè)定BOD的微生物傳感器,Hikuma[10]等和Strand[11]等又分別用多孔醋酸纖維素膜固定酵母菌和活性污泥富集菌對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命。1983年日本的大谷芳亨研制出BOD的連續(xù)測(cè)定裝置,用于測(cè)定營(yíng)養(yǎng)型廢水中的BOD,日本成為了世界上率先研制出BOD快速測(cè)定儀的國家,并在1990年頒布了微生物電極法工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JISK3602—1990)。2000年,Chee[12]等和 Koenig[13]等曾用溶解氧光纖維制成了BOD傳感器。國內(nèi)對(duì)BOD微生物傳感器開展研究的主要有武漢病毒研究所的張先恩[14]、河北輕化工學(xué)院的孫裕生[15]、上海華東化工學(xué)院的李友榮[16]、上海復(fù)旦大學(xué)的鄧家祺[17],以及華南理工化學(xué)工程所的阮復(fù)昌等[7],他們分別從BOD傳感器、菌種篩選、微生物膜及測(cè)定電極系統(tǒng)等方法展開研究,為BOD微生物傳感器在我國問世做出了突出貢獻(xiàn)。我國于2002年頒布了微生物傳感器快速測(cè)定法(HJ/T86-2002),BOD生物傳感器也由此邁開了商業(yè)化的步伐[18]。

微生物傳感器法測(cè)定BOD的原理是待測(cè)樣品與空氣以一定流量進(jìn)入流通測(cè)量池內(nèi)與微生物傳感器接觸,樣品中溶解態(tài)可生化降解的有機(jī)物被菌膜中的微生物分解,使擴(kuò)散到氧電極表面的氧減少,當(dāng)樣品中可生化降解的有機(jī)物向菌膜的擴(kuò)散速度達(dá)到恒定時(shí),擴(kuò)散到氧電極表面上的氧也達(dá)到恒定并產(chǎn)生恒定電流,該電流與樣品中可生化降解的有機(jī)物的差值及氧的減少量存在相關(guān)關(guān)系,據(jù)此計(jì)算出樣品的BOD,再與BOD5標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)比換算得到樣品的BOD5值[19]。與標(biāo)準(zhǔn)稀釋法相比,微生物傳感器法具有測(cè)定時(shí)間短、精度較高、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn),但是當(dāng)水樣中對(duì)BOD有貢獻(xiàn)的懸浮物含量較高或含有難生化降解的有機(jī)物時(shí),測(cè)定結(jié)果會(huì)產(chǎn)生偏差,而且該方法不能用于含有高濃度氰化物、殺菌劑、農(nóng)藥類和游離氯等水樣的測(cè)定。

3.2 測(cè)壓法

測(cè)壓法是將水樣置于密閉的培養(yǎng)瓶中,并在瓶口處放置一個(gè)裝有NaOH或KOH的小杯,當(dāng)培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)的氧被微生物消耗的同時(shí),由微生物呼吸產(chǎn)生的與耗氧量的量相當(dāng)?shù)腃O2氣體被堿吸收,密閉系統(tǒng)的壓力會(huì)降低,通過壓力計(jì)測(cè)出其壓降,即可求出水樣的BOD5值。該法操作簡(jiǎn)便、節(jié)省人力和試劑、可直讀BOD值、便于隨時(shí)觀查,而且儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能相對(duì)穩(wěn)定、比較適合于批量樣品的測(cè)定。張愛麗[20,21]等對(duì)差壓式直讀BOD測(cè)定儀及其測(cè)試方法進(jìn)行了改進(jìn),有效地提高了儀器的靈敏度和精密度,擴(kuò)大了測(cè)定范圍,并可連續(xù)測(cè)量,提高了儀器的使用效率。目前應(yīng)用測(cè)壓法測(cè)定BOD5的儀器型號(hào)較多,國外的主要有德國WTW公司生產(chǎn)的TS606-G/4-i和意大利生產(chǎn)的ET99724ABOD測(cè)定儀,國產(chǎn)儀器為江蘇電分析儀器廠生產(chǎn)的890型微機(jī)BOD5測(cè)定儀[4]。

3.3 檢壓庫侖法

檢壓庫侖法測(cè)定BOD是指在特制裝置中,微生物分解待測(cè)樣品中的有機(jī)物,消耗其中的氧氣而釋放出CO2,釋放出的CO2被吸收劑吸收,使瓶?jī)?nèi)的壓力降低,消耗掉的氧氣又由電解產(chǎn)生的氧氣不斷補(bǔ)充,使培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)的壓力始終保持平衡,根據(jù)微生物分解樣品時(shí)的耗氧量可計(jì)算其BOD5值。該方法是將化學(xué)分析轉(zhuǎn)化為物理量的測(cè)定,其操作過程變得更為簡(jiǎn)單。檢壓法是由西德Sierp 最 先 提 出[1],但 儀 器 不 夠 完 善,Galdwell、Langelire和Gellman[22]等人又在Sierp裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),采用瓦勃計(jì)測(cè)定BOD,結(jié)果證明該方法的靈敏度更高,測(cè)定范圍更寬。Dillinghom[23]用純葡萄糖溶液進(jìn)行驗(yàn)證,也發(fā)現(xiàn)瓦勃式法比稀釋法更為準(zhǔn)確。

3.4 增溫法

增溫法就是在稀釋接種法培養(yǎng)溫度的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高反應(yīng)溫度,激化微生物的活性,加快其分解作用,縮短水樣培養(yǎng)時(shí)間,以達(dá)到快速測(cè)定樣品中BOD的目的。張金華[24]根據(jù)BOD反映動(dòng)力學(xué)原理,提出了應(yīng)用增溫法快速測(cè)定BOD5的培養(yǎng)時(shí)間的計(jì)算公式,并計(jì)算出高溫條件下適合絕大多數(shù)水樣的培養(yǎng)時(shí)間。他通過對(duì)增溫法理論上的準(zhǔn)確性和可行性,以及大量應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行分析,證明增溫法測(cè)定水樣的BOD是可行的。Young[25]也認(rèn)為樣品在35℃培養(yǎng)2.5d的 BOD值與20℃培養(yǎng)5d沒有差別。

3.5 活性污泥曝氣降解法

在溫度為30~35℃,用活性污泥強(qiáng)制曝氣降解樣品2h,經(jīng)重鉻酸鉀消解生物降解前、后的樣品,測(cè)定生物降解前和生物降解后的化學(xué)需氧量,其差值即為BOD,可根據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算出樣品的BOD5值。黃平路等[26]采用活性污泥曝氣法測(cè)定地表水和工業(yè)廢水中的BOD5,結(jié)果證明該方法具有操作簡(jiǎn)單、分析快捷、準(zhǔn)確度和精密度高、測(cè)定范圍寬、可及時(shí)提供監(jiān)測(cè)結(jié)果等優(yōu)點(diǎn),但不易準(zhǔn)確控制培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)的空氣流量,給體積定量造成困難,所以該方法在日常監(jiān)測(cè)工作中尚未普及。

3.6 紫外曝氣法

紫外(UV)曝氣法是用紫外光對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行掃描,樣品中的有機(jī)物對(duì)紫外光會(huì)產(chǎn)生吸收,不同種類和結(jié)構(gòu)的有機(jī)物的∧max與ε也不同,而且水樣中結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、毒性越大、越難降解的有機(jī)物產(chǎn)生的吸收值越大,ε也越大。UV曝氣法測(cè)定BOD的過程主要包括生化處理池曝氣、生物膜處理水樣和污水排入河道后的實(shí)際模擬幾個(gè)部分,其真實(shí)性比BOD5強(qiáng),因此該方法測(cè)得的BOD值對(duì)評(píng)價(jià)各種水體有機(jī)污染的程度和污水處理效果,以及對(duì)相關(guān)處理設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整等方面都具有實(shí)際的指導(dǎo)意義[27]。

3.7 分光光度法

分光光度法是在傳統(tǒng)的五日測(cè)定法基礎(chǔ)上,采用I3--結(jié)晶紫-聚乙烯醇(PVA)體系測(cè)定5d前后培養(yǎng)水樣中溶解氧的濃度,以碘酸鉀為溶解氧標(biāo)準(zhǔn)溶液,與過量碘化鉀反應(yīng)生成單質(zhì)碘,新生成的I3-與結(jié)晶紫在PVA存在下結(jié)合成的電中性離子締合物在550nm處有最大吸收,采用光度法測(cè)定5d前后培養(yǎng)水樣中的溶解氧,根據(jù)其變化量計(jì)算出BOD5值。沙鷗等[28,29]采用該方法對(duì)BOD5標(biāo)準(zhǔn)樣品、葡萄糖-谷氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液和污水廠進(jìn)出口水樣進(jìn)行測(cè)定,所得結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定結(jié)果一致,同時(shí)證明該法試劑用量少,分析誤差小、測(cè)定靈敏度高,為環(huán)境水樣中BOD5的測(cè)定提供了更為靈敏準(zhǔn)確的方法。

3.8 近紅外光譜法

近紅外光譜法是以透射法采集水樣的近紅外光譜,利用水樣中有機(jī)污染物在短波近紅外區(qū)(800~1350nm)的吸收峰,與標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定的BOD值建立相關(guān)關(guān)系曲線,測(cè)得樣品的近紅外光譜即可通過曲線計(jì)算出水樣的BOD5值。近紅外光譜法作為一種新的水質(zhì)快速測(cè)定方法,不僅操作簡(jiǎn)便、測(cè)定速度快、不產(chǎn)生二次污染、適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),還具有與光纖技術(shù)結(jié)合構(gòu)建大型、遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的潛力,但水中存在的殺菌劑、游離氯、藻類、硝化微生物等會(huì)使得測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生偏差[30,31]。

3.9 重鉻酸鉀紫外光度法

重鉻酸鉀紫外光度法是指在規(guī)定的條件下,先用活性污泥降解待測(cè)樣品,再經(jīng)重鉻酸鉀消解生物降解前和生物降解后的樣品,用紫外光掃描反應(yīng)前后重鉻酸鉀的變化量,以求得生物降解前和生物降解后的化學(xué)需氧量,其差值即為BOD,再換算成BOD5值。謝煒平和劉敬等[32,33]研究證明用重鉻酸鉀紫外光度法測(cè)定水中的BOD5具有操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、精密度和準(zhǔn)確度高、測(cè)定范圍寬、適用面廣等優(yōu)點(diǎn),是測(cè)定水體中有機(jī)物污染物的較好方法,但也存在一些缺點(diǎn),如BOD實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性較差、軟件設(shè)計(jì)不夠靈活、打出的數(shù)據(jù)指示不詳?shù)龋朔ㄟ€有待改進(jìn)。

3.10 坪臺(tái)值法

坪臺(tái)值法是指在馴化培養(yǎng)微生物的系統(tǒng)中,樣品靜態(tài)曝氣一段時(shí)間,可生物降解的有機(jī)物完全被微生物群代謝吸收,當(dāng)混合液的COD和濾出液對(duì)時(shí)間的曲線上出現(xiàn)穩(wěn)定的坪臺(tái)值時(shí),二者之差即代表樣品的BOD值。BOD坪臺(tái)值雖有良好的重現(xiàn)性,但它僅適用于水樣中有機(jī)物強(qiáng)度的測(cè)定,而與水樣BOD5的測(cè)定不存在可比性[1]。

4 BOD在線監(jiān)測(cè)儀

隨著環(huán)保事業(yè)的不斷發(fā)展和污水處理力度的加大,BOD在線監(jiān)測(cè)儀的研發(fā)及普及應(yīng)用已勢(shì)在必行。目前為止,國內(nèi)外均未制定BOD在線監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法,市場(chǎng)上應(yīng)用較多的主要有生物反應(yīng)器法、微生物電極法和UV法三類[7]。

生物反應(yīng)器法的測(cè)定原理是利用特殊的中空材料吸附大量的微生物,當(dāng)待測(cè)水樣進(jìn)入反應(yīng)器后,在攪拌條件下微生物迅速降解水樣中的有機(jī)物,通過測(cè)定水樣降解前和降解后的溶解氧,并與反應(yīng)器的內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比計(jì)算得BOD值,多個(gè)反應(yīng)器連續(xù)工作即可實(shí)現(xiàn)水樣的在線監(jiān)測(cè)。該種BOD在線監(jiān)測(cè)儀的代表產(chǎn)品為北京北美儀器公司生產(chǎn)的BIOX-1010系列,可用以工業(yè)或城市污水BOD的在線連續(xù)測(cè)定。

微生物電極法與前面介紹的微生物傳感器法原理相同,但在線監(jiān)測(cè)儀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要定期添加標(biāo)準(zhǔn)溶液和更換進(jìn)液管路及微生物膜。我國生產(chǎn)的該類BOD快速測(cè)定儀不僅測(cè)量范圍較寬,還可以實(shí)時(shí)在線準(zhǔn)確監(jiān)測(cè),可達(dá)國際先進(jìn)水平。

UV法是指在特定波長(zhǎng)條件下,依據(jù)樣品中有機(jī)物的光譜吸收強(qiáng)度與待測(cè)溶液濃度的相關(guān)關(guān)系來測(cè)定樣品中有機(jī)物的含量。但采用該法所測(cè)定數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性及其與BOD5的相關(guān)性依賴于水樣的穩(wěn)定性,而許多不穩(wěn)定樣品中的有機(jī)物在指定波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)沒有吸收光譜,使得UV法很難精確測(cè)定BOD,所得數(shù)據(jù)只可以對(duì)水樣進(jìn)行定性判斷。

5 結(jié)語

生化需氧量作為衡量水中有機(jī)物污染程度的一項(xiàng)重要指標(biāo),其測(cè)定過程受物理、化學(xué)和生物等多種因素的影響,所以不論是傳統(tǒng)的稀釋與接種法還是各種BOD快速測(cè)定方法所測(cè)定的結(jié)果,用以評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境的影響都存在一定缺陷。稀釋與接種法雖然測(cè)定過程繁瑣,但對(duì)于測(cè)定生活污水和某些可降解的有機(jī)物來說,方法較為穩(wěn)定、準(zhǔn)確度較高、重視性較好,因此目前在比對(duì)實(shí)驗(yàn)、標(biāo)樣考核、仲裁分析等過程中還必須采用此法測(cè)定。如果BOD只是作為判定水質(zhì)污染狀況的綜合指標(biāo),則BOD快速測(cè)定對(duì)水質(zhì)的適時(shí)監(jiān)控及污水處理設(shè)備參數(shù)的調(diào)控更具實(shí)際意義,而且隨著環(huán)保事業(yè)的發(fā)展前進(jìn),各種新型的在線分析儀也必將蓬勃發(fā)展起來。

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