微生物電極法快速測定水中的生化需氧量

崔 苗， 端 允

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

生化需氧量是反映環保領域可生化性有機污染程度的重要指標，也是生化污水處理廠衡量污水狀態的重要指標。目前我國大多數科研實驗單位均采用稀釋與接種法，該方法測量時間長、操作比較復雜，無法及時反映水體污染狀況，也不能滿足當前環境監測中要求的快速測定的目標。本實驗采用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、快速準確的優點，廣泛適用于各類生活污水、地表水和工業廢水的BOD測定。

生化需氧量；微生物電極法；快速準確

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物分解成無機質，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物污染物含量的一個綜合指標，其值越高，說明該水體中的有機污染物含量越高，污染也就越嚴重[1]。它是我國實施污染物排放總量控制的指標之一，也是評價水質好壞、反應水體受污染程度的一項重要指標。目前，我國測定生化需氧量的標準方法是稀釋與接種法(HJ505-2009)[2]，該方法氧化率高，再現性好，準確可靠，但操作繁瑣、實驗時間長、對操作人員的技術要求比較高，不能及時反映水體受污染的程度，難以達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報、工業廢水的處理等實際應用具有一定的指導意義。本文采用微生物電極法BOD快速測定儀，通過測定標準樣品和環境水樣的濃度與稀釋接種法測量值對比來驗證其方法的可行性[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”工作狀態下，讓微生物菌膜持續活化1 d～2 d，以保證其輸出值穩定。

實驗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，會在實驗操作中造成二次污染影響測量結果。

1.2 試劑

1.2.1 BOD標準溶液

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

1.2.2 磷酸鹽緩沖液

準確稱取磷酸氫二鈉(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，用于標準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狀態即“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。當被測樣品BOD質量濃度大于50 mg/L時，會導致測量誤差增大，所以，應該將被測樣品先稀釋至50 mg/L以下，然后再對其進行測量。實驗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而縮短檢測周期。

3 實驗原理及分析步驟

3.1 實驗原理[1]

本實驗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。因為溶解氧的含量與氧電極的輸出電流成正比，當緩沖溶液即不含任何有機物的液體通過流通池時，微生物的同化作用很小，流經微生物膜的溶解氧含量基本沒有減少。而當含有有機物的溶液通過流通池時，微生物因為同化作用非常活躍，同化過程中需要消耗更多的溶解氧，導致流經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生變化，也就證明樣品有機物的含量與輸出電流變化值成正比關系，從而可以計算出待測樣品中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值調節到中性即可。

3.2.2 樣品的準備

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

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行測量。生活污水和工業廢水可根據經驗或預期BOD值確定稀釋倍數，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，然后再作為待測樣品測試。

3) 準備3支從環保部標準樣品研究所購買的GSB 07-3160-2014標準樣品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穩定，I0值應保持在4.0以上10.0以下，ΔI在0.3以上，穩定后開始測量。

1) 量取50 mL已配好的5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、25 mg/L BOD標準使用液，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”溶液(每次做實驗必須先定標準)，測量選樣時選擇“標樣”按鈕，并在系統中對應輸入5、10、20、25(mg/L)進樣測出其電流差△I(△I與BOD濃度成正比)；

2) 用量筒準確量取已稀釋好的標準樣品和待測水樣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”按鈕并在系統中輸入該樣品對應的稀釋倍數，已保證最后計算結果的準確；

3) 所有樣品都設置好以后，點擊系統上的“開始測量”按鈕進行水樣測量。首先，進樣器會自動復位，將1號樣品杯置于開始測量的位置。隨后，BOD快速測定儀的主機自動進入清洗狀態。清洗結束后，進入標準測量(或樣品測量)狀態，系統將自動得出樣品的濃度。

4 數據分析

4.1 全程序空白及檢出限

由于空白值比較低，做空白實驗前需要先定1個低濃度的標準以保證結果更加準確，取1 mL BOD標準液(1.2.1)定容到250 mL的容量瓶中得到1 mg/L的定標使用液，定標后準備5組磷酸鹽緩沖使用液(1.2.3)進行空白值的測定，結果如表1所示。

表1 空白測定

4.2 兩種測定方法比對結果

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果的準確性和可靠性，分別采用微生物電極法和測定生化需氧量的標準方法稀釋與接種法(HJ505-2009)對水樣進行分析，對其測量結果的偏差進行計算，結果對比如表2。

表2 生化需氧量不同方法結果比對表

4.3 標準樣品的測定

為了證明該儀器測量數據真實可靠，對從環保部標準樣品研究所購買的GSB07-3160-2014標準樣品進行了測量，并對其精密度和準確度進行了檢驗，測定結果與標準值符合良好，說明本方法準確可靠，結果如表3。

表3 BOD標準樣品測定結果

5 注意事項

1) 每次開機后要清洗1 h使電位穩定后方可做實驗。

2) 所有參與實驗的樣品必須加緩沖溶液，所有進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) 需每天作新標準，因為微生物膜的活性每天都不同。

4) 測量時溫度要穩定在33 ℃左右，I0在4.0以上10.0以下，△I在0.3以上，新換的微生物膜要在機器上洗一段時間，洗到I0在4.0～10.0，并穩定。

5) 水樣中的干擾雜質少，用小的稀釋倍數，減少誤差；水樣中的干擾雜質多，用大的稀釋倍數，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；如果遇到強干擾物或含有毒、有害的物質，可用大倍數稀釋之后再進行測量。

6 結論

作為水中有機物污染的一項重要指標，生化需氧量反映的可生化降解性是其他參數無法替代的，所以它一直作為我國水質監測的基礎項。使用經典的稀釋與接種法進行測定得到的BOD值，需要將水樣培養5 d，這期間將發生了一系列極為復雜的氧化過程后，將培養水樣取出測量，通過計算得到結果。培養期間發生的反應包括被測水中的微生物對有機物進行直接的攝取或分解后再對其進行攝取、同化代謝時的氧化，產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。不論是經典的標準稀釋法，還是微生物電極法，通過測定其生化需氧量來確定對環境的影響都有一定的局限性。其根本原因是，由于實驗室所配置的標準樣品與現場所采集的水樣是兩個本質不同的系統，實驗室配置的標準樣品可能受到分析人員操作的微小差異或者儀器的不穩定性而造成的隨機誤差的影響，而現場采集水樣受到現場溫度、濕度、自然曝氣、各種有毒有害干擾物質的沉淀等自然條件的影響，加之目前國內使用的各種測定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狀況的指標。既然作為參考指標，那么快速準確就是環境監測過程中一項很重要的影響因素，因此，微生物電極法快速測定水中的生化需氧量對水質實時監測和工業廢水處理的調控及污染預報更加具有實際意義，也更能滿足當前環境監測中快速測定的要求[5-6]。

本實驗通過對標準樣品、空白樣品以及日常工作中水樣的測定，得到的結果均比較滿意，數據的真實性、有效性和準確性均符合行業標準，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、出數效率高、得到的結果準確可靠、實驗過程中能耗低、污染少，這些優點使得其在應急監測、大批量樣品的檢測過程中可以廣泛應用。

[1] 國家環境保護總局.水質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：中國環境科學出版社,2002.

[2] 環境保護部.水質生化需氧量的測定稀釋與接種法(HJ505-2009)[S].北京：中國環境科學出版社,2009.

[3] 國家環境保護總局，水和廢水監測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法(第4版增補版)[M].北京：中國環境科學出版社,2002:227-231.

[4] 張皓.BOD快速測定儀在水中BOD測定中的應用[J].農業災害研究,2014,4(5):60-62.

[5] 石美珠.BOD快速測定儀維護及盲樣考核注意事項探討[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,2007,20(4):86-88.