稀釋接種法測(cè)定五日生化需氧量的影響因素

朱智慧，徐錫梅，章文華，汪雨茜，許小燕

(蘇州工業(yè)園區(qū)清源華衍水務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215021)

污水處理廠主要處理對(duì)象是生活污水、工業(yè)廢水等，水體中有機(jī)物質(zhì)種類(lèi)較多，其成分復(fù)雜，無(wú)法逐一測(cè)定，故需通過(guò)測(cè)定污水中有機(jī)物所消耗的氧含量，間接表示水體中可降解有機(jī)物的含量[1]，以表征污水廠進(jìn)水污染等級(jí)。五日生化需氧量(biochemical oxygen demand after 5 days，BOD5)數(shù)值越大反映水樣受有機(jī)物污染程度越大[2]。目前，《水質(zhì) 五日生化需氧量(BOD5)的測(cè)定 稀釋與接種法》(HJ 505—2009)[2]是測(cè)定BOD5的常用方法，該方法操作簡(jiǎn)單且成本較低，便于推廣普及，適合大批量水樣的分析[3]。然而，該方法在實(shí)際運(yùn)用中,溶解氧儀器測(cè)定時(shí)，樣品經(jīng)過(guò)稀釋接種等操作會(huì)使平行偏差增大，質(zhì)控樣落于合格范圍的難度增大，導(dǎo)致結(jié)果滿(mǎn)意度一般。本文針對(duì)該方法測(cè)定BOD5時(shí)關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，分析影響測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度的主要因素，供實(shí)驗(yàn)室操作者參考借鑒，同時(shí)為污水處理廠運(yùn)行監(jiān)測(cè)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 儀器與試劑

儀器：溶解氧測(cè)定儀(YSI52，美國(guó))；恒溫培養(yǎng)箱(LRH-250，上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；250 mL溶解氧瓶；雙圈定性中速濾紙等。

試劑：葡萄糖-谷氨酸溶液(質(zhì)控樣，BOD5含量為180～230 mg/L)；磷酸鹽緩沖溶液(pH值為7.20)；硫酸鎂溶液(11.0 g/L)；氯化鈣溶液(27.6 g/L)；氯化鐵溶液(0.15 g/L)；丙烯基硫脲溶液(1.0 g/L)。

1.2 試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)用水

試驗(yàn)水樣為蘇州市工業(yè)園區(qū)清源華衍水務(wù)工業(yè)園區(qū)第一污水處理廠進(jìn)水和出廠水，進(jìn)出水pH值為6.70～7.40。

稀釋水為實(shí)驗(yàn)室三級(jí)水，若稀釋水溶解氧質(zhì)量濃度<8.00 mg/L，采用曝氣裝置曝氣1.0 h即可[2]，使稀釋水中的溶解氧質(zhì)量濃度達(dá)到8.00 mg/L以上。稀釋水中氧的質(zhì)量濃度不能過(guò)飽和，使用前需開(kāi)口放置1.0 h，且應(yīng)在24.0 h內(nèi)使用，剩余的稀釋水應(yīng)棄去。

接種液為污水處理廠曝氣池當(dāng)日水樣。

(2)溶解氧電極的校準(zhǔn)及測(cè)定

環(huán)境溫度在(20±1)℃，測(cè)定前保持電極膜為干燥狀態(tài)，不可有水滴，否則會(huì)影響校正值。打開(kāi)溶解氧測(cè)定儀，預(yù)熱0.5 h，待顯示屏幕上溫度為(20±1)℃，且儀器穩(wěn)定后，打開(kāi)攪拌，在飽和溶解氧瓶子中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)溶解氧瓶?jī)?nèi)裝入1 mm高度的純水，使得電極在100%飽和濕空氣中校準(zhǔn)。打開(kāi)攪拌按鈕，將電極插入溶解氧瓶中測(cè)定(圖1)。樣品測(cè)定完畢后，蓋緊溶解氧瓶?jī)?nèi)塞，確保玻璃塞上方有水封，最后蓋好溶解氧瓶玻璃外罩，3次密封充分保證了微生物在密閉環(huán)境中消耗溶解氧[4]。

圖1 溶解氧電極校準(zhǔn)

(3)試驗(yàn)方法

按照《水質(zhì) 五日生化需氧量(BOD5)的測(cè)定 稀釋與接種法》(HJ 505—2009)[2]的方法檢測(cè)。污水處理廠進(jìn)水有懸浮物，先將其攪拌均勻，取均勻樣品進(jìn)行試驗(yàn)。夏季出廠水溶解氧質(zhì)量濃度<8.00 mg/L時(shí)采用曝氣裝置進(jìn)行曝氣，曝氣10 min后靜置0.5 h，等氣泡排盡后進(jìn)行試驗(yàn)。張鈞等[5]對(duì)不同樣品的初始溶解氧調(diào)控給出了具體的試驗(yàn)步驟。待上述操作完成后，取一定量原水樣或稀釋水樣，使其完全充滿(mǎn)密閉培養(yǎng)容器(溶解氧瓶)，于(20±1)℃恒溫培養(yǎng)箱避光培養(yǎng)5 d，分別測(cè)定培養(yǎng)前后水樣溶解氧濃度，當(dāng)水樣沒(méi)有稀釋和接種的時(shí)候，二者之差即為BOD5，以mg/L表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 稀釋倍數(shù)的影響

試驗(yàn)水樣來(lái)自污水處理廠不同日期的進(jìn)水，分別測(cè)定污水處理廠進(jìn)水1#、2#、質(zhì)控樣(BOD5質(zhì)量濃度為180.00～230.00 mg/L)稀釋倍數(shù)下的BOD5，每個(gè)稀釋倍數(shù)都需做平行樣，記錄每個(gè)稀釋倍數(shù)的平均值結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同稀釋倍數(shù)的測(cè)定結(jié)果

BOD5計(jì)算如式(1)。

(1)

其中：ρ——樣品BOD5質(zhì)量濃度，mg/L；

ρ1——接種稀釋水樣在培養(yǎng)前樣品溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L；

ρ2——接種稀釋水樣在培養(yǎng)后樣品溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L；

ρ3——空白樣在培養(yǎng)前的溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L；

ρ4——空白樣在培養(yǎng)后的溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L；

f1——接種稀釋水或稀釋水在培養(yǎng)液中所占的比例；

f2——原樣品在培養(yǎng)液中所占的比例。

由表1可知，污水處理廠進(jìn)水1#稀釋20.0倍時(shí)，剩余溶解氧質(zhì)量濃度接近0，BOD5測(cè)定結(jié)果偏小(172.00 mg/L)；污水處理廠進(jìn)水1#稀釋50.0、80.0倍時(shí)，根據(jù)式(1)得出試驗(yàn)結(jié)果值的相對(duì)偏差為1.9%，偏差較小。污水處理廠進(jìn)水2#樣品分別測(cè)定稀釋50.0、80.0、100.0倍時(shí)樣品的BOD5，三者結(jié)果較為接近，稀釋50.0倍時(shí)測(cè)定值最低，稀釋100.0倍時(shí)測(cè)定值最高，稀釋80.0倍時(shí)結(jié)果處于平均值。質(zhì)控樣測(cè)定稀釋30.0、50.0、80.0倍的結(jié)果表明，稀釋50.0倍的測(cè)定值處于結(jié)果的中位值，稀釋100.0倍時(shí)測(cè)定值接近質(zhì)控樣上限。因此，稀釋倍數(shù)偏小，樣品的測(cè)定結(jié)果容易偏低，稀釋倍數(shù)過(guò)大，結(jié)果容易偏高。選擇合適的稀釋倍數(shù)是試驗(yàn)結(jié)果接近真實(shí)值的關(guān)鍵性因素之一。若不能確定合適的稀釋倍數(shù)，可以選取不同的稀釋倍數(shù)測(cè)定BOD5。表2是污水處理廠進(jìn)水和出水常用的稀釋倍數(shù)，一般先測(cè)定樣品的CODCr，初步判定BOD5的期望值，找出合適的稀釋倍數(shù)。表1中污水廠進(jìn)水2#稀釋50.0倍和稀釋100.0倍樣品差值較大，而稀釋80.0倍時(shí)結(jié)果處于中位值，因此，認(rèn)為試驗(yàn)方法中稀釋倍數(shù)50.0倍與100.0倍的跨度較大，增加了污水處理廠進(jìn)水CODCr(600～800 mg/L)稀釋80倍的試驗(yàn)。同樣，冉毅君[6]、萬(wàn)建紅[7]認(rèn)為污水處理廠的水樣成分較為復(fù)雜，BOD5與CODCr比值(簡(jiǎn)稱(chēng)B/C)在理論上有一定的合理性，實(shí)際檢測(cè)中還需根據(jù)具體的水樣種類(lèi)來(lái)確定合適的稀釋倍數(shù)，達(dá)到滿(mǎn)意的結(jié)果。

表2 水樣常用的稀釋倍數(shù)

2.2 接種液的影響

污水處理廠曝氣池水樣中微生物豐富，各項(xiàng)指標(biāo)接近于出廠水，非常適合作為BOD5樣品的接種液。試驗(yàn)接種液來(lái)自同一日期的污水處理廠曝氣池水樣，空白水樣是同一稀釋水，對(duì)6個(gè)空白水樣進(jìn)行接種試驗(yàn)，空白1、2、3的接種液經(jīng)中速濾紙過(guò)濾，空白4、5、6的接種液未經(jīng)中速濾紙，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 空白的BOD5測(cè)定值

表3中接種液過(guò)濾的空白1、2、3的BOD5質(zhì)量濃度分別為0.25、0.42、0.36 mg/L，接種液未過(guò)濾的空白4、5、6中質(zhì)量濃度分別為2.21、2.00、1.66 mg/L，空白的結(jié)果相差較大。試驗(yàn)方法中規(guī)定，直接稀釋法的空白值控制在0.50 mg/L以?xún)?nèi)，稀釋或不稀釋接種法空白試樣的測(cè)定結(jié)果在1.50 mg/L以下為合格。因此，空白4、5、6空白試樣的測(cè)定結(jié)果不合格。由于接種水樣含有懸浮物，空白引入了新的有機(jī)物，空白BOD5將變大，空白值參與最終結(jié)果計(jì)算，稀釋接種法中空白值影響試驗(yàn)結(jié)果。為了進(jìn)一步研究不同水質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本試驗(yàn)還將未經(jīng)消毒的出廠水和河水做接種水進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，均不過(guò)濾，結(jié)果如表4所示。

表4 不同水樣的空白BOD5

表4中未經(jīng)消毒的出廠水作為接種液時(shí)，試驗(yàn)空白值雖未超過(guò)試驗(yàn)方法中的規(guī)定值，但相對(duì)偏差較大，仍不適合作為接種液。河水作為接種液時(shí)，試驗(yàn)空白值均大于1.50 mg/L，不合格。因此，試驗(yàn)接種水中有懸浮物狀態(tài)下必須先過(guò)濾再進(jìn)行接種。楊斌等[8]也對(duì)加入接種液體積做了具體的研究。

2.3 環(huán)境濕度的影響

溶解氧儀每次測(cè)定前需要進(jìn)行校準(zhǔn)，在不同的濕度環(huán)境下，對(duì)儀器進(jìn)行初始值校正，將數(shù)據(jù)繪制成曲線，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 濕度與儀器初始校正值的關(guān)系

圖2表明濕度越大，初始校正值越高。濕度為50%以下時(shí)，初始校正值小于8.50 mg/L，由于空白及樣品初始溶解氧測(cè)定值小于8.50 mg/L，空白試驗(yàn)值會(huì)出現(xiàn)負(fù)數(shù)，造成結(jié)果偏小。濕度高于75%時(shí)，初始校正值大于9.00 mg/L，空白及樣品初始溶解氧測(cè)定值同樣大于9.00 mg/L，空白試驗(yàn)差值會(huì)高于常規(guī)空白測(cè)定值，參與計(jì)算使得最終樣品測(cè)定結(jié)果偏小。因此，控制初始校正值對(duì)最終空白差值有重要的意義，濕度控制在55%～70%更加合適，5 d前后濕度不要有太大偏差。測(cè)定樣品初始溶解氧值應(yīng)先判定數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)較大波動(dòng)，初始值異常應(yīng)先檢查外界因素是否達(dá)到試驗(yàn)要求，如溫度、濕度是否在范圍內(nèi)，儀器是否預(yù)熱平衡，開(kāi)機(jī)后是否立即測(cè)定樣品，這些因素容易導(dǎo)致樣品初始溶解氧數(shù)據(jù)異常，直接影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2.4 余氯和結(jié)合氯的影響

污水處理廠出水一般選用次氯酸鈉消毒滅菌，次氯酸鈉使出廠水中存在少量余氯和結(jié)合氯，出廠水樣靜置1～2 h后余氯即可消失，結(jié)合氯會(huì)一直存在于水樣中持續(xù)殺滅水中的微生物，短時(shí)間未除去或未完全除去的余氯和結(jié)合氯可通過(guò)添加亞硫酸鈉溶液進(jìn)行去除。試驗(yàn)水樣來(lái)自不同日期的污水處理廠出廠水，分別試驗(yàn)污水廠出水1、2、3未去除余氯與去除余氯的狀態(tài)下的BOD5差別，出廠水BOD5質(zhì)量濃度小于6.00 mg/L不需要稀釋?zhuān)囼?yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 結(jié)合氯去除試驗(yàn)BOD5測(cè)定

由表5可知，樣品1、2、3未去除結(jié)合氯的BOD5質(zhì)量濃度分別是0.37、0.47、0.35 mg/L，而去除結(jié)合氯的BOD5質(zhì)量濃度分別是1.61、1.55、1.17 mg/L，均大于未去除結(jié)合氯的測(cè)定結(jié)果。因此，出廠水去除結(jié)合氯十分重要，建議每次過(guò)量加入幾滴過(guò)硫酸鈉。污水處理廠出水都經(jīng)過(guò)加氯消毒過(guò)程，余氯或結(jié)合氯的含量對(duì)出水BOD5的測(cè)定尤為關(guān)鍵。

2.5 溶解氧消耗差值的影響

試驗(yàn)水樣來(lái)自同一日期的污水處理廠出水，將出水及質(zhì)控樣稀釋不同倍數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6中出水分別稀釋1.0、2.5、5.0倍，稀釋倍數(shù)越大，培養(yǎng)后剩余溶解氧測(cè)定值越高，消耗溶解氧值越小，參與計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，易對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。試驗(yàn)方法中也規(guī)定了5 d后溶解氧剩余值宜≥2 mg/L，5 d溶解氧消耗差值宜≥2.00 mg/L。質(zhì)控樣稀釋30.0、80.0倍時(shí)，溶解氧剩余值分別為1.91、5.14 mg/L，消耗值為1.91、5.41 mg/L，最終結(jié)果分別接近下限值和上限值；稀釋50.0倍時(shí)剩余溶解氧質(zhì)量濃度為4.13 mg/L，消耗溶解氧質(zhì)量濃度為4.51 mg/L，測(cè)定BOD5質(zhì)量濃度為205.00 mg/L，在質(zhì)控樣給定BOD5范圍的中位值。認(rèn)為試樣中剩余溶解氧質(zhì)量濃度在4.00 mg/L左右更有利于樣品的測(cè)定結(jié)果，同樣也可以根據(jù)此值選擇最優(yōu)稀釋倍數(shù)。

表6 樣品的測(cè)定結(jié)果

計(jì)算每日的B/C，一般B/C在0.2～0.6，超出或低于范圍時(shí)需查看異常原因。通過(guò)長(zhǎng)期大量的分析、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累、質(zhì)量的精準(zhǔn)把控，可以獲得非常好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)跟進(jìn)技術(shù)和更新標(biāo)準(zhǔn)都有重要意義[9]。除了以上幾個(gè)方面的影響，江梅等[10]對(duì)硝化細(xì)菌影響B(tài)OD5的測(cè)定做了具體的研究，證明測(cè)定BOD5時(shí)加入丙烯基硫脲非常必要。

3 結(jié)論

(1)為了保證電極校準(zhǔn)初始狀態(tài)相同，試驗(yàn)需提前制備稀釋水，控制室內(nèi)溫度在(20±1)℃，濕度為55%～70%，有利于樣品5 d前后電極測(cè)定值的準(zhǔn)確性。

(2)先測(cè)定樣品的CODCr,根據(jù)B/C比選定合適的稀釋倍數(shù)，50.0倍與100.0倍的跨度較大，可以采用80倍，最優(yōu)的稀釋倍數(shù)可以提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

(3)測(cè)定樣品若需要接種，可采用雙圈定量中速濾紙過(guò)濾接種水中的懸浮物顆粒，以防接種水引入其他有機(jī)物，保證空白值的可靠性。

(4)溶解氧電極在飽和濕空氣下校準(zhǔn)，玻璃電極膜上不得有小水珠聚集，校準(zhǔn)初始值無(wú)異常，樣品測(cè)定結(jié)果即可處于可控狀態(tài)。

(5)準(zhǔn)確測(cè)定樣品中余氯結(jié)合氯的含量，去除時(shí)可過(guò)量滴加幾滴亞硫酸鈉，防止結(jié)合氯持續(xù)殺滅接種液中的微生物，使得結(jié)果出現(xiàn)異常。

(6)檢測(cè)5 d空白值和質(zhì)控樣(180～230 mg/L)結(jié)果落在國(guó)標(biāo)中規(guī)定的范圍內(nèi)，樣品檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度可靠，若出現(xiàn)異常需逐步查找原因。結(jié)合多年檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確測(cè)定樣品的BOD5不僅需要做到以上關(guān)鍵步驟，而且更需要嚴(yán)讀標(biāo)準(zhǔn)，深入理解方法原理，精細(xì)操作。這樣處理必將得到可靠的數(shù)據(jù)，對(duì)污水檢測(cè)具有重要的意義。