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《水质生化需氧量（BOD）测定微生物传感器快速测定法》编制说明
《水质生化需氧量（BOD）测定微生物传感器快速测定法》编制说明
一、 起草过程
生物化学需氧量国家标准测定方法为五日稀释与接种法。它不仅作为水质有机污染综合指标之一，而且还反映废水中有机物可生化降解性。也是废水处理工艺设计的重要参数及处理效率的检验指标。
自1913年英国**污水处理委员会**提出生化需氧量五日法后，又陆续报导了库仑计法、差压法、高温法、活性污泥法、微生物电极法等。但前几种方法由于耗时、耗力，不能及时反映水质现状，尤其在出现有机物污染事故时不能为环境管理和决策提供及时的科学依据。BOD快速测定法就是在此基础上提出并且也一直是国内外竞先研究的目标。
微生物电极法和其它几种方法相比较具有快速、相对稳定、操作简单、与五日生化法有可比性等特点。该方法也得到国内外研制者和专家认可。
自1962年Clark和Layons提出了生物传感器的设想到1983年日本自新电机推出首台BOD—1100型快速测定仪至今近40年，经过国内外研究人员的努力，用微生物传感器法快速测定水中BOD的方法已趋于成熟。并且国家“十五”《国内环境监测仪器发展指南》已明确将BOD快速测定仪列入其中。从96年到2000年，天津、青岛、沈阳等城市相继推出了BOD快速测定仪，经过实验室内和实验室间及与标准五日稀释法对照分析，其结果能满足对环境水质、污染源废水及生活污水测定的需要。因此需要制定相关的标准方法来规范仪器的性能以适应环境监测的需要，从而促进BOD快速测定仪的完善与发展。
另外，该方法的制定也满足了以下几个条件：（1）应在短时间内得到BOD值。（2）与BOD五日法应有可比性。（3）应用广泛。（4）经济上可行。（5）与国际接轨。（6）方法简便可行。
根据以上情况，在了解国内外BOD快速测定仪的研制开发和使用的基础上，经过近一年多的实验研究，我们起草了BOD快速测定法的标准。
二、 名词解释
1．生化需氧量
在一定条件下，微生物分解存在水中的某些可氧化物质，特别是有机物所进行的生物化学过程中消耗溶解氧的量。
2．微生物传感器
微生物传感器是由氧电极和固定化微生物膜组成。可检测微生物在降解有机物时引起的氧浓度的变化。
3．微生物菌膜
将丝孢酵母菌在保持其生理机能的状态下封入膜中，称之为微生物菌膜或固定化微生物膜。
4．流通式
样品或清洗液在蠕动泵的作用下连续不断地将样品或清洗液在单位时间内按一定量比连续不断地被送入测量池中。
5．间断式（加入式）
将缓冲溶液加入到测量池中，使微生物传感器（微生物菌膜 ）与缓冲溶液保持接触状态，然后加入定量的被测水样，测得被测水样的BOD值
6．流通池
流通池也称测量池。是附着在氧电极上的微生物菌膜中的微生物与样品中有机物进行生化反应的环境。必须保证微生物传感器与被测试液保持接触状态，其构造应既能保证被测试液的适当温度，又能保持氧的浓度，而且不影响测试液的流动性。
7．恒温控制装置
微生物电极的反应性能依赖于一定的温度条件，因此要求在试验过程中要有一稳定的温场。该装置在仪器中称之为恒温控制装置。
8．磷酸盐缓冲使用液
该液是由磷酸二氢钾和磷酸氢二钠配制而成。其主要作用是作为缓冲液调节样品的pH值，洗涤和维持微生物传感器使其正常工作，并具有沉降重金属离子的作用。
三、 主要技术指标
1、方法测定上限
对测定一个未知高浓度的BOD值的样品，存在着该测量值不在线性范围内（线性范围2~50mg/L）使准确性受到置疑，并且造成测量周期长（清洗时间随浓度增高而延长）的困扰。因此，对高浓度BOD值样品应经过恰当倍数的稀释后测定，*好根据样品的COD值推算出估计的BOD值，根据此值将样品中BOD浓度稀释至20mg/L~30mg/L左右再进行测量。在实际测试中测量值是经人为稀释过的，样品浓度不同，稀释倍数也不同。而测定值也非原水中测定值。显然，规定测定范围上限是很困难，也是不客观的。因此，该标准中未规定方法的测定上限。
2、方法测定下限
由于该方法被测样品中应含有0.005mol/L浓度稀释液，当一个未知样品BOD值较低时，也应加入一定量的稀释液，例如量取100ml待测样品应加入1ml 0.5mol/L稀释液（或更多更少不同浓度的稀释液），因此也对样品进行了不同量的稀释。与方法测定上限相类似，规定标准方法中测定下限值也是不恰当的。因此，该标准方法中未规定方法规定下限。
3、方法适用范围
本方法适用于测定地表水、生活污水和不含对微生物菌种有明显毒害作用的工业废水。因为高浓度**剂、农药类废水BOD测定结果明显偏低，且**剂、高浓度游离氯或结合氯、农药类、氰化物等对微生物膜中的菌种易造成伤害，因此，该方法对上述几种废水BOD的测定不适宜。
4、干扰物
通过实验表明：对含有
10mg/L以下；
10 mg/L以下；
10 mg/L以下；
10 mg/L以下；
5 mg/L以下；
4 mg/L以下 ；
10 mg/L以下；
10 mg/L以下；
1 mg/L以下；
0.05 mg/L以下水样进行BOD测定时，对测定结果不会产生明显干扰。因此，为保证测试的可靠性，在该标准中我们把干扰离子的含量定为：
5mg/L；
5 mg/L；
4 mg/L；
5 mg/L；
2 mg/L；
5 mg/L；
5 mg/L；
0.5 mg/L；
0.05 mg/L以下，确保对本方法测定结果基本上不受上述离子的干扰。对于游离氯的干扰，分析样品中含有0.5mg/L以下的游离氯对测试结果不会产生明显的干扰，低浓度的游离氯还能对管路、流通池、菌膜表面附着的微生物起清洗作用。对含有高浓度的游离氯的样品可加1.575mg/L的亚硫酸钠溶液使高浓度的游离氯或结合氯失效，但应避免加过量，否则会对分析结果产生负干扰。被测水样中的悬浮物对BOD测定的干扰是令人关注的问题。为此我们做了如下实验：
悬浮物标准物质的选取：由于六次甲基四胺在测定BOD时会产生干扰。因此我们选取了硅藻土作为悬浮物标准物质。
用硅藻土配制成含悬浮物50 mg/L，102 mg/L，280 mg/L的溶液进行实验。
（见表1、2、3）
表1 BOD溶液为5 mg/L时含不同量悬浮物的测定结果
|
BOD溶液浓度 mg/L |
悬浮物含量 mg/L |
BOD测定结果 mg/L |
相对误差% |
|
5 |
50 |
5.3 |
6.0 |
|
5 |
50 |
5.0 |
0 |
|
5 |
102 |
5.0 |
0 |
|
5 |
102 |
5.2 |
4.0 |
|
5 |
280 |
5.2 |
4.0 |
|
5 |
280 |
4.9 |
-2.0 |
表2 BOD溶液为25 mg/L时含不同量悬浮物的测定结果
|
BOD溶液浓度 mg/L |
悬浮物含量 mg/L |
BOD测定结果 mg/L |
相对误差% |
|
25 |
50 |
26.0 |
4.0 |
|
25 |
50 |
25.5 |
2.0 |
|
25 |
102 |
25.7 |
2.8 |
|
25 |
102 |
24.6 |
-1.6 |
|
25 |
280 |
26.5 |
6.0 |
|
25 |
280 |
24.4 |
-2.4 |
表3 BOD溶液为50 mg/L时含不同量悬浮物的测定结果
|
BOD溶液浓度 mg/L |
悬浮物含量 mg/L |
BOD测定结果 mg/L |
相对误差% |
|
50 |
50 |
49.0 |
-2.0 |
|
50 |
50 |
50.9 |
1.8 |
|
50 |
102 |
51.5 |
3.0 |
|
50 |
102 |
50.2 |
0.4 |
|
50 |
280 |
50.8 |
1.6 |
|
50 |
280 |
51.6 |
3.2 |
从以上表中可以看出含有5mg/L、25 mg/L、50 mg/L的BOD标准溶液的样品悬浮物含量从50—280 mg/L对BOD的测定结果的相对误差分别在-2.0%~6.0%、-5.2%~4.0%、-2.0~3.2%之间，悬浮物基本上不对其产生干扰。
因此在标准方法中确定为：含有悬浮物250 mg/L以下的BOD样品，其BOD测定结果基本上不受影响。
5、缓冲溶液的选择
用于BOD测定的水样的pH值应保持在7左右，因此，我们选择混合磷酸盐作为缓冲溶液。它既能一定范围内缓冲调节pH值以符合样品测定的条件，也同时可以对一些高浓度的重金属离子进行沉降。实验结果表明水样的pH值在4~10之间可以不用进行酸或碱中和处理即能满足实验条件的要求。
6、管路气、液比的调整
对于流通式仪器进样管路中的气液比是经过实验得出的经验数据，可事先调整好的。在分析测试时，也可根据实际情况进行调整。但无论如何调整，应保证流通池里样品有充足的氧，在整个测定过程中进样总量应大于10ml，使其被测样品具有较好的代表性。并保证实验所需条件和稳定性。对于间断式仪器不存在气液比的调整，但本底液与分析样品的加入量应调整好，以保证每个分析样品的加入量每次不少于10mL。
7、恒温控制装置的温度控制
恒温控制装置温度的控制范围应有利于使微生物产生具有*大活性，使其呼吸强度*大，并获得*大的稳定的电流强度。因此根据菌种及实验条件制作的恒温控制装置，温度控制精度范围应尽可能小。
8、样品测定时间
样品测定的时间是一定的，但样品测定周期与样品中BOD浓度成正比，也就是说BOD浓度越高，虽然测定时间一定，但清洗的时间就要延长。因此为了缩短测定周期而要求进样和样品BOD含量应小于50mg/L（25mg/L左右为宜），以保证测定周期在20min左右完成。如果BOD浓度低，测定周期会相应缩短。这样做，也和我们工作曲线的线形范围0~50 mg/L是相吻合的。
9、样品的贮存
在《水和废水监测分析方法》中对BOD样品保存冷冻可保存一个月的提法值得商榷，在《水和废水监测分析方法指南》上册中对BOD水样保存提出了“即测定值将随水样贮存时间而降低……。Geller分别探讨了4℃、-22℃，酸化至pH1.5和酸化并在-22℃四种条件下保存,发现没有一种措施会令人满意的,因此,总原则是贮存时间应尽可能短。”样品贮存时间尽可能短到什么程度是令我们关注的。美国《水和废水标准检验方法》第15版、第19版规定了对采集的样品2h之内进行分析的样品无需冷藏，采集样品2h后分析样品保存在4℃以下，冷却降温至接近冰点以减少误差，当不能在6h内分析时，实验记录应注明保存时间温度一并报出。对贮存超过24h的样品不能分析。配制标准样品的分析结果一定要在6h内完成。由中国环境监测总站负责起草的《地表水和污水监测技术规范》中规定BOD样品的保存条件为0—4℃避光，保存时间为12h。根据目前的实验条件，该标准规定，无论在任何条件下样品的贮存决不能超过24h。
我们的实验结果也验证了以上结论，在0~4℃冷藏12h的食品、造纸、洗涤剂、污水处理厂、油墨等处理后的废水中BOD浓度降低了20%~40%。用未煮沸的蒸馏水配制的10mg/L、20 mg/L的标准溶液常温存放6h后BOD含量减少20%左右。用煮沸的蒸馏水配制的以上标准溶液常温存放6 h后BOD含量减少10%左右。因此，样品的贮存在分析中易被忽视和客观上难以解决的问题必须引起注意，应用快速测定方法来解决这一问题也是我们的初衷。
10.方法的精密度和准确度
四个实验室测定统一样品结果
|
样品 浓度 |
实验室 编号 |
测定 次数 |
测定值 mg/L |
平均值 mg/L |
标准 偏差 |
相对标 准偏差% |
相对 误差% |
|
25.3 mg/L |
1 |
1 |
23.7 |
25.4 |
1.2 |
4.6 |
0.4 |
|
2 |
24.6 | ||||||
|
3 |
25.0 | ||||||
|
4 |
26.2 | ||||||
|
5 |
26.0 | ||||||
|
6 |
26.8 | ||||||
|
2 |
1 |
24.9 |
26.0 |
0.7 |
2.6 |
2.8 | |
|
2 |
25.7 | ||||||
|
3 |
26.1 | ||||||
|
4 |
26.2 | ||||||
|
5 |
26.5 | ||||||
|
6 |
26.8 | ||||||
|
3 |
1 |
24.3 |
24.8 |
0.3 |
1.4 |
-2.0 | |
|
2 |
24.7 | ||||||
|
3 |
24.7 | ||||||
|
4 |
24.6 | ||||||
|
5 |
25.0 | ||||||
|
6 |
25.3 | ||||||
|
4 |
1 |
24.7 |
25.1 |
0.5 |
2.0 |
-0.8 | |
|
2 |
24.9 | ||||||
|
3 |
24.9 | ||||||
|
4 |
24.6 | ||||||
|
5 |
25.9 | ||||||
|
6 |
25.5 |
|
样品 浓度 |
实验室 编号 |
测定 次数 |
测定值 mg/L |
平均值 mg/L |
标准 偏差 |
相对标 准偏差% |
相对 误差% |
|
10.3 mg/L |
1 |
1 |
10.4 |
10.7 |
0.4 |
4.0 |
3.9 |
|
2 |
10.1 | ||||||
|
3 |
10.4 | ||||||
|
4 |
10.9 | ||||||
|
5 |
11.2 | ||||||
|
6 |
11.0 | ||||||
|
2 |
1 |
10.2 |
10.6 |
0.2 |
2.1 |
2.9 | |
|
2 |
10.6 | ||||||
|
3 |
10.6 | ||||||
|
4 |
10.7 | ||||||
|
5 |
10.8 | ||||||
|
6 |
10.8 | ||||||
|
3 |
1 |
10.3 |
10.4 |
0.2 |
1.5 |
1.0 | |
|
2 |
10.3 | ||||||
|
3 |
10.5 | ||||||
|
4 |
10.6 | ||||||
|
5 |
10.5 | ||||||
|
6 |
10.2 | ||||||
|
4 |
1 |
10.3 |
10.4 |
0.2 |
1.6 |
1.0 | |
|
2 |
10.1 | ||||||
|
3 |
10.4 | ||||||
|
4 |
10.6 | ||||||
|
5 |
10.4 | ||||||
|
6 |
10.3 |
方法的精密度与准确度
|
统一样品值 |
精密度 |
准确度 相对误差% | |
|
重现性相对标准偏差% |
再现性相对标准偏差% | ||
|
25.3mg/L |
3.0 |
3.5 |
0.1 |
|
10.3mg/L |
2.6 |
2.7 |
2.2 |
11.快速法与标准五日稀释法对照实验
|
样品种类 |
实验室编号 |
仪器法测定结果 mg/L |
五日法测定结果 mg/L |
相对误差% |
|
造纸厂 |
1 |
114 |
117 |
-2.6 |
|
2 |
109 |
112 |
-2.7 | |
|
3 |
114 |
108 |
5.6 | |
|
4 |
114 |
107 |
6.5 | |
|
地表水 |
1 |
4.43 |
3.85 |
15.1 |
|
2 |
4.37 |
4.26 |
2.6 | |
|
3 |
4.38 |
4.06 |
7.9 | |
|
4 |
4.39 |
3.93 |
-11.7 | |
|
污水处理厂 |
1 |
11.9 |
12.4 |
-4.0 |
|
2 |
11.4 |
11.6 |
-1.7 | |
|
3 |
12.0 |
12.4 |
-3.2 | |
|
4 |
11.1 |
11.4 |
-2.6 | |
|
食品厂 |
1 |
713 |
653 |
9.2 |
|
2 |
745 |
718 |
3.8 | |
|
3 |
784 |
727 |
7.8 | |
|
4 |
775 |
663 |
16.9 | |
|
油墨厂 |
1 |
238 |
206 |
15.5 |
|
2 |
195 |
190 |
2.6 | |
|
3 |
204 |
203 |
0.5 | |
|
4 |
216 |
202 |
6.9 |
四、与国外现行同类标准方法的比较
本标准在国内为**制定，国外微生物膜BOD快速测定的标准方法日本曾在90年制定了日本工业标准JIS K 3602—1990，因此本标准的编制参照了日本工业标准。
1、 方法的适用范围
日本的工业标准中利用微生物电极快速测定水中BOD的方法适用范围为工业废水和生活污水。对含BOD低浓度的水样不能准确测定以及不适于对地表水中BOD的测定。
本标准方法的适用范围为地表水、生活污水和工业废水。对水中含2mg/L的BOD值可以较准确测定。
2、 方法的检测范围
本标准与日本工业标准中均对方法的测定上限和测定下限未做规定。这主要是因为方法本身限制而无法确定其方法的测定上、下限。为此我们给出了BOD线性测量范围为2~50mg/L
3、 测量时间
日本工业标准方法中对BOD的测量时间（单个样品）在30分钟以上，本标准方法对BOD的测量时间（单个样品）在20分钟左右。
4、 工作曲线
日本工业标准中给出了两种（方式1和方式2）方式计算BOD工作曲线。由于微生物膜中微生物是一动态的，微生物存在从生长到死亡的过程中，虽然在短时间内呼吸强度相对稳定，但变化是**的。在比较稳定的环境下（室内温度、气压等）一条工作曲线使用期也较短。并且日本标准方法中的曲线制作需要较长时间，方式1需要1.5~3小时，方式2需要3~6小时。
本标准方法绘制的BOD工作曲线可由仪器本身进行数据处理给出结果，也可通过人工计算得出。在该编制说明中列举出了几条工作曲线测定的结果。（见表4）
表4 工作曲线的测定值
|
标准溶液浓度mg/L |
测得值mg/L |
线性回归结果 | ||
|
**组 |
**组 |
第三组 |
**组 r=0.9993 b=1.0246 a= -0.3855 **组 r=0.9994 b=1.0196 a= -0.1247 第三组 r=0.9997 b=1.0195 a= -0.3117 | |
|
0 |
0 |
0 |
0 | |
|
5 |
4.93 |
4.94 |
4.89 | |
|
15 |
14.9 |
15.7 |
14.9 | |
|
30 |
29.1 |
29.3 |
29.4 | |
|
50 |
51.6 |
51.4 |
51.2 | |
BOD浓度在0~50mg/L之间线性回归结果是令人满意的。但BOD含量超过55mg/L测定结果明显偏低。例如当测定60mg/L标准溶液时，多次实际测量值结果为：54.6mg/L，59.7mg/L，55.0mg/L，52.3mg/L，51.1mg/L，54.3mg/L。