稀釋法測定生化需氧量的品管基準與最新趨勢

湯 瑜，劉 佳，徐 磊

（湖北省生態環境廳十堰生態環境監測中心，湖北 十堰 442000）

隨著工業化進程的不斷推進，我國水質污染問題越發嚴重。大量含有機污染物的生活垃圾、工業廢油等排入水體中，導致有機污染物成為影響水質的重要因素之一。生化需氧量作為一種反映水體有機污染物含量的檢測方法，在水質檢測中廣泛應用。目前，生化需氧量的檢測方法有稀釋法、微生物傳感器法、無汞壓力法三種，其中，稀釋法應用最廣。本文分析了稀釋法檢測生化需氧量的基本原理和品管基準，并介紹了微生物傳感器法與無汞壓力法的最新發展趨勢。

1 稀釋法檢測生化需氧量的基本原理

1936年，標準稀釋法檢測水質生化需氧量的技術最早被美國公共衛生協會標準委員會采用。它是國際上歷史最悠久、目前應用最廣泛的檢測水質中生化需氧量的方法，適用于地表水、生活污水和工業廢水的檢測。我國已廢止的《水質 五日生化需氧量（BOD5）的測定 稀釋與接種法》（GB/T 7488—1987）與現行的《水質 五日生化需氧量（BOD5）的測定 稀釋與接種法》（HJ 505—2009）也采用標準稀釋法檢測水質中的生化需氧量。

1.1 標準稀釋法檢測生化需氧量的試驗方法

標準稀釋法檢測生化需氧量的具體試驗方法為：將水質樣品稀釋到所需濃度后，在環境溫度為20 ℃的恒溫環境下培養5 d或10 d。試驗技術人員通過檢測并對比恒溫培養前后的水質樣品的溶解氧含量，計算出水質的生化需氧量（BOD）、五日生化需氧量（BOD5）或十日生化需氧量（BOD10）[1]。

1.2 標準稀釋法檢測生化需氧量的優缺點

對于被檢測水質中某些特定可降解有機物的檢測，標準稀釋法穩定性高，重復性好。但是，對于生活污水與工業廢水的檢測，標準稀釋法存在一些問題。

首先，標準稀釋法的內容多為人們日常檢測過程中約定俗成的經驗。因此，在恒溫20 ℃的環境下檢測水質的五日或十日生化需氧量，檢測結果并無準確的理論依據與實際應用價值，檢測結果也不一定代表實際水質樣品的生化需氧量。對于需要準確生化需氧量檢測結果的生產企業，如污水處理廠，數據指導作用不強。其次，試驗條件為20 ℃恒溫培養，這種試驗環境與實際水質環境明顯不符。同時，受檢測過程中使用的菌種種類與水質pH等的影響，標準稀釋法的生化需氧量檢測數據重復性不高。研究表明，標準稀釋法的相對偏差為6%～12%[2]。再者，培養溫度要求控制在20 ℃上下浮動1 ℃，對于有機成分復雜的生活污水或工業廢水，要想選擇適宜的稀釋比，必須多次嘗試并摸索，較為煩瑣。最后，標準稀釋法的檢測結果為以碳為標準的生化需氧量。實際污水中可能廣泛存在一些硝化細菌，這將可能導致檢測結果嚴重偏大，從而影響生化需氧量檢測數據的準確性。

2 標準稀釋法檢測生化需氧量的品管基準

湖北省生態環境廳十堰生態環境監測中心（簡稱十堰生態環境監測中心）對標準稀釋法檢測水質的生化需氧量進行長達一年半的試驗研究，經摸索與修正，得到標準稀釋法檢測生化需氧量的品管基準，即改進方法。

2.1 嚴格控制標準稀釋法檢測生化需氧量的恒溫培養溫度

根據十堰生態環境監測中心的檢測數據與經驗積累，恒溫培養過程中，溫度每偏差20 ℃上下浮動1 ℃的標準范圍1 ℃，就會引起約6%的系統誤差。因此，在使用標準稀釋法檢測水質生化需氧量的恒溫過程中，建議直接使用空調與生化培養箱。空調可以調節培養箱外界的大環境溫度，使得環境溫度與培養箱內溫度相差小于5 ℃，降低培養箱的控溫難度。生化培養箱可以精確調控水質樣品的溫度，精度可達0.5 ℃，優質的生化培養箱溫度控制精度甚至可達0.1 ℃。

2.2 水質樣品pH對標準稀釋法檢測生化需氧量的影響

待檢水質樣品的pH也是影響標準稀釋法檢測準確度的重要因素。研究表明，標準稀釋法接種菌種需要最適宜的生長環境，常用的水質樣品pH為6～8[3]。在這個pH范圍內，菌種氧化速度最快，推廣至含多種有機物成分的水質樣品時，重復性較高。

2.3 接種基質濃度對標準稀釋法檢測生化需氧量的影響

根據十堰生態環境監測中心的檢測數據與經驗積累，接種基質的濃度增加時，水質樣品中的醋酸鹽氧化速度不明顯，丙醋鹽和丁酸鹽的氧化速度增加較為明顯。因此，必須選擇合適的基質濃度，保證標準稀釋法檢測結果的準確性。經驗顯示，選擇五日耗氧率在40%～70%的基質濃度，便可保證標準稀釋法檢測生化需氧量的準確性與重復性。

2.4 確保稀釋水溶解氧含量合適對標準稀釋法檢測生化需氧量的影響

稀釋水中的溶解氧含量稍高，可能會致使恒溫培養過程中水質樣品的氧氣過飽和并生成氣泡；稀釋水中的溶解氧含量略低，可能會導致氧氣含量較低，不足以保證菌種完全氧化水質樣品中的有機物。根據十堰生態環境監測中心的檢測數據與經驗積累，在使用標準稀釋法檢測生活污水或工業廢水中生化需氧量的過程中，將稀釋水的溶解氧含量控制在0.008 0～0.009 1 mg/mL較為合適。下面分析獲得合適溶解氧含量的稀釋水的方法。

2.4.1 恒溫法

根據十堰生態環境監測中心的檢測數據與經驗積累，將純水（電阻率大于0.1×106Ω·cm）配制的稀釋水放置在設置為20 ℃的生化培養箱中24～48 h，獲得的稀釋水的溶解氧含量約為0.009 0 mg/mL。如果使用超純水（電阻率大于18.4 MΩ·cm）在設置為20 ℃的生化培養箱中培養120～168 h，獲得的稀釋水的空白溶解氧含量可降低至0.003 0 mg/mL。

2.4.2 抽氣法

研究發現，可以使用特定的抽氣與充氣工具，通過改變操作條件的壓力達到調節各種稀釋水中溶解氧含量的目的[4]。

2.5 稀釋水的接種對標準稀釋法檢測生化需氧量的影響

生化需氧量的檢測原理是利用菌種將有機物氧化并對比氧化前后來計算含氧量，因此菌種的存在與選擇便十分重要。為了降低樣品中微生物菌落組對檢測結果的影響，水質樣品在檢測生化需氧量前必須經過高溫消毒的前處理。此時的水質樣品中原有的微生物已被殺滅，為了進行試驗，必須接種微生物。現在常用的微生物接種多為純種微生物接種與混合微生物接種。

根據十堰生態環境監測中心的檢測數據與經驗積累，如果采用混合微生物接種，建議直接采用成分穩定且已知的新鮮污水接種。為了保證生化需氧量檢測數據的重復性與準確性，十堰生態環境監測中心使用厭氧生化處理水培養并馴化特定純種菌種進行試驗分析。結果顯示，使用馴化后的菌種檢測的水質樣品的生化需氧量數據基本穩定且明顯大于新鮮污水接種后的生化需氧量檢測數據。同時，馴化后的特定純種菌種接種濃度對生化需氧量檢測數據無影響，僅會影響完全氧化的時間。馴化后的菌種對于營養鹽中氮的需求約為6%，對于磷的需求約為2%。

2.6 水樣的保存對標準稀釋法檢測生化需氧量的影響

待檢測的水質樣品保存期間，生化需氧量也會發生明顯變化。十堰生態環境監測中心一般要求在收到樣品當天進行水質樣品的前處理，并要求送樣單位送檢水質樣品為送檢當天新取水質樣品。根據有關對比試驗研究，對于成分較為穩定的生活污水處理廠最終過濾污水，在環境溫度為26 ℃的前提下，當保存3 h或更短時間時，樣品的生化需氧量與馬上檢測的樣品數據相比降低5%左右；當存放6～7 h時，樣品的生化需氧量將降低15%左右；當存放20～24 h時，樣品的生化需氧量將降低21%左右。

2.7 稀釋比的選擇對標準稀釋法檢測生化需氧量的影響

根據十堰生態環境監測中心的檢測數據曲線分析結果，只有耗氧量保持在40%～70%，稀釋比與耗氧量的關系才為線性關系。此時的方法誤差最小。標準稀釋法測定生活污水與工業廢水的生化需氧量時，稀釋后水樣的生化需氧量應控制在0.000 2～0.000 7 mg/L，因而選擇適宜的稀釋比是生化需氧量檢測試驗的重要一環。根據十堰生態環境監測中心的檢測數據與經驗積累，對于本監測中心經常接收的生活污水與工業廢水，選取0.45、0.40、0.25、0.20中的一到兩個稀釋比便可達到95%的數值重復性。

3 生化需氧量的檢測方法最新發展趨勢

3.1 微生物傳感器法

微生物傳感器法檢測水質中生化需氧量的原理是將含飽和溶解氧的水樣導入流通池中與微生物傳感器接觸，并給予微生物充分分解有機物的時間。該方法采用流通測量的檢測方法，根據輸出電流變化值與樣品中有機物含量成正比的原理，計算出生化需氧量。對于成分復雜性一般的水質樣品，該方法的相對偏差在10%左右。20世紀90年代，日本率先將微生物傳感器法設置為標準測量方法，經過長達20多年的發展，該方法操作簡單與測量時間短的優勢逐步被發掘出來。我國現行的《水質 生化需氧量（BOD）的測定 微生物傳感器快速測定法》（HJ/T 86—2002）便對使用微生物傳感器法檢測水質中的生化需氧量進行了規范性說明。目前，學術界對于微生物傳感器法的研究主要集中在使用哪幾種微生物制作的微生物膜對于何種特定廢水檢測具有良好的準確性與穩定性。

3.2 無汞壓力法

無汞壓力法檢測水質中生化需氧量的原理是在密封的培養瓶中使用微生物將瓶內的溶解氧消耗。根據呼吸作用中產生的二氧化碳量與耗氧量相同的原理，瓶內的二氧化碳被吸收劑吸收后，使用儀器分析瓶內壓力的升降，計算生化需氧量。對于復雜的水質樣品，無汞壓力法的相對偏差在5%～8%。與其他兩種檢測方法相比，該方法具有操作方便、誤差更小的優勢。但目前我國未將無汞壓力法檢測水質中的生化需氧量進行規范性說明，因此該方法在業內的推廣度較低。

4 結語

生化需氧量是水質監測中的一種重要理化指標。生化需氧量的準確檢測對企業的正常生產與環境檢測均有重要的指導意義。本文首先概述了稀釋法檢測生化需氧量的基本原理，之后重點分析了稀釋法檢測生化需氧量的品管基準，最后介紹了微生物傳感器法與無汞壓力法的最新發展趨勢。因篇幅所限且關于微生物傳感器法與無汞壓力法的研究不多，這里僅介紹了稀釋法檢測生化需氧量的品管基準與生化需氧量檢測技術的最新發展趨勢，相關技術分析中仍有大量理論知識有待研究。