稀釋接種法測定水中BOD5的質(zhì)量控制指標研究*

康長安，吳志強，彭剛?cè)A，夏新

(1.江西省環(huán)境監(jiān)測中心站，南昌 330029； 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012)

生化需氧量的測定起源于英國(1870年)，是一種量度水中可被生物降解部分有機物(包括某些無機物)的綜合指標，常用來評價水體有機物的污染程度。目前國內(nèi)外普遍采用20℃培養(yǎng)5天所需溶解氧含量作為評價指標，簡稱五日生化需氧量(BOD5)。BOD5是污水處理過程中的一項基本指標，其測定準確與否關(guān)系到能否正確判斷廢水的可生化性，進而影響到廢水處理工藝的選擇和設計［1］。標準稀釋法又稱稀釋接種法，是生化需氧量測定的經(jīng)典方法。目前文獻報道的研究多為BOD5測定的影響因素研究［2–4］及 BOD5與 CODcr，CODmn 的關(guān)系研究［5–8］，BOD5檢測質(zhì)量控制指標研究未見報道。我國目前已頒布的標準分析方法中，給出的“精密度和準確度”質(zhì)量控制指標均來源于方法制定時多家實驗室對特定樣品進行多次測定所獲得的驗證數(shù)據(jù)，旨在說明方法的可行性［9］。如GB 5750–2006 《生活飲用水標準檢驗方法》中給出的方法精密度數(shù)據(jù)引自相關(guān)資料，且只給出了多家實驗室測定某一濃度樣品時的標準偏差值，此值僅為方法制定時用于說明方法可行，對分析工作者在日常檢測質(zhì)量控制及評價無實際意義。HJ 505–2009 《水質(zhì) 五日生化需氧量(BOD5)的測定 稀釋與接種法》中給出了平行樣相對百分偏差限值及精密度和準確度數(shù)據(jù)。為了檢驗標準給出的質(zhì)量控制指標在實際檢測過程中的適用性，筆者收集了17個省份137家實驗室(含東部發(fā)達省份和中西部欠發(fā)達省份的省、市、縣三級環(huán)境監(jiān)測實驗室)積累的實際檢測數(shù)據(jù)，通過對上述大量實驗室實際樣品檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，研究了稀釋接種法測定水中BOD5質(zhì)量控制指標限值。目前應用數(shù)理統(tǒng)計法研究質(zhì)量控制指標限值的僅有趙嘉詳?shù)热死盟趯嶒炇?年時間所積累實際水樣檢測數(shù)據(jù)，用數(shù)理統(tǒng)計的方法給出檢測方法的質(zhì)量控制指標建議值［10］，但該研究用于統(tǒng)計的樣本量小，且用于統(tǒng)計的檢測數(shù)據(jù)不代表全國各級實驗室的檢測水平。筆者通過對收集的大量實際檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析研究質(zhì)量控制指標限值，研究結(jié)果既是對現(xiàn)有分析標準給出的質(zhì)量控制指標值的檢驗，同時為分析人員提供工作參考數(shù)據(jù)，為開展質(zhì)量控制工作提供評價依據(jù)及技術(shù)支持。

1 研究內(nèi)容和數(shù)據(jù)

1．1 研究內(nèi)容

以稀釋接種法為依據(jù)，通過對空白樣品、標準樣品、實際樣品及其加標樣品的測定數(shù)據(jù)進行分析，得出精密度和準確度等質(zhì)量控制指標，主要為重復性精密度(RSD)、再現(xiàn)性精密度(RSD')、相對偏差(RD)、相對誤差(RE)和加標回收率。研究所得稀釋接種發(fā)法測定水中BOD5評定指標值與國內(nèi)外資料指標值進行對比分析，提出符合我國實際監(jiān)測水平的BOD5監(jiān)測質(zhì)量評定指標值。

1．2 監(jiān)測單位及數(shù)據(jù)

用于本研究的檢測數(shù)據(jù)來自于全國17個省份137家實驗室(省級站8家，市級站65家，縣級站64家)。全國15個省份135家實驗室(省級站8家，市級站63家，縣級站64家)對濃度為10.5～148 mg／L的10種標準樣品進行了測定，得到監(jiān)測數(shù)據(jù)367個；全國2家實驗室(省級)對1.95～30 mg／L濃度范圍的實際樣品進行了測定，得到983對平行雙樣數(shù)據(jù)；9個省13家實驗室(省級站3家，市級站10家)進行了空白加標和標樣加標測定，得到加標回收率數(shù)據(jù)315個。

1．3 異常值檢驗方法

對收集到的歷史檢測數(shù)據(jù)采用Grubbs、Dixon和Cochran檢驗方法進行室內(nèi)、室間均值和方差檢驗，剔除異常值后進行數(shù)據(jù)分析［11］。

(1)采用Grubbs檢驗法對實驗室內(nèi)的每組測定數(shù)據(jù)進行檢驗，篩選出可疑值。當數(shù)據(jù)量大于100時，采用Pauta 進行檢驗。

(2)用各個實驗室的標準偏差進行方差檢驗。對同一標準樣品：①如果每家實驗室的測定次數(shù)相同，采用Cochran 檢驗法對多家實驗室測定數(shù)據(jù)的標準偏差篩選可疑值，將最大方差剔除，然后重新檢驗，直到方差不存在顯著性差異；②如果測定次數(shù)不同，應用Bartlett 檢驗法來檢驗，此時，如果方差存在顯著性差異，應將最大方差剔除，然后重新檢驗，直到方差不存在顯著性差異。

(3)根據(jù)上述(2)的檢驗結(jié)果(經(jīng)過方差檢驗，并進行異常數(shù)據(jù)剔除)，采用Dixon檢驗法對實驗室間每組測定數(shù)據(jù)的均值篩選可疑值。

異常值的判斷指標：以P表示上述3 種方法的檢驗統(tǒng)計量的觀測值出現(xiàn)的概率，檢驗結(jié)果按下列3種情形進行判斷：①P＞5%，即Cochran，Grubbs或Dixon 檢驗法檢驗統(tǒng)計量小于其5%的臨界值，則判斷觀測值為正常值；②1%≤P≤5%，即檢驗統(tǒng)計量介于5%和1%的臨界值之間，則判斷觀測值為異常值；③P＜1%，即檢驗統(tǒng)計量大于1%的臨界值，則判斷觀測值為高度異常值。

1．4 質(zhì)量控制指標建議值統(tǒng)計方法

相對標準偏差、相對誤差、相對偏差、重復性和再現(xiàn)性的統(tǒng)計分3個步驟：①依據(jù)確認數(shù)據(jù)，計算各個質(zhì)量控制參數(shù)的均值x及標準偏差s；②分別計算約85%，90%，95%的有效數(shù)據(jù)(即有效數(shù)據(jù)占總確認數(shù)據(jù)的百分比)覆蓋的x±A的范圍值，A值根據(jù)實際數(shù)據(jù)計算得出；③結(jié)合x±A范圍和有效數(shù)據(jù)量，再結(jié)合所作圖表進一步分析數(shù)據(jù)的離散狀況，采用有效數(shù)據(jù)量不小于95%(特殊情況下選擇85%或者90%)所覆蓋的范圍值，給出最終的建議值。

加標回收率質(zhì)量控制指標的計算方法：根據(jù)空白加標回收率、標準樣品加標回收率和實際樣品加標回收率進行統(tǒng)計分析，采用有效數(shù)據(jù)量不小于95%(特殊情況下選擇85%或者90%)所覆蓋的回收率范圍，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析圖表，給出最終的建議值。

2 結(jié)果與討論

2．1 精密度

2.1.1 重復性精密度

10.5～148 mg／L的10種濃度水平的標準樣品367個監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)異常值檢驗剔除和除去測定平行次數(shù)少于3次的數(shù)據(jù)，得到54家實驗室測得的8種濃度水平共215個有效數(shù)據(jù)。8種標準樣品實驗室內(nèi)相對標準偏差散點圖見圖1。重復性精密度統(tǒng)計結(jié)果見表1。統(tǒng)計表明，96%的RSD≤7.8%，所以建議在10.5～127 mg／L濃度范圍內(nèi)，控制RSD≤10.0%。

圖1 各濃度水平標準樣品室內(nèi)相對標準偏差散點圖

表1 標準樣品實驗室內(nèi)相對標準偏差匯總結(jié)果

2.1.2 相對偏差2家實驗室分別對1.95～30 mg／L濃度范圍的地表水實際樣品進行了平行雙樣測定，共得到983對數(shù)據(jù)。實際樣品的相對偏差散點圖見圖2。從圖2可看出，983組實際樣品平行樣相對偏差多集中在10%之內(nèi)，實際樣品相對偏差統(tǒng)計結(jié)果見表2。

圖2 30 mg／L以下實際樣品相對偏差分布圖(983個數(shù)據(jù))

表2 30 mg／L以下實際樣品相對偏差統(tǒng)計結(jié)果

由表2可看出，濃度在1.95～30 mg／L范圍內(nèi)，95%的相對偏差在11.11%之內(nèi)，所以建議在實際工作中控制RD≤12.0%。

2.1.3 實驗室間相對標準偏差

135家實驗室分別對10.5～148 mg／L 10種濃度水平的標準樣品進行了平行測定，經(jīng)過數(shù)據(jù)檢驗方法檢驗，得到實驗室內(nèi)均值有效數(shù)據(jù)54個。標準樣品和質(zhì)控樣品實驗室間相對標準偏差與濃度水平關(guān)系圖見圖3。

圖3 濃度水平和實驗室間相對標準偏差的關(guān)系圖

從圖3可以看出，在10.5～148 mg／L范圍內(nèi)，再現(xiàn)性精密度RSD'在2.9%～16.1%范圍內(nèi)波動。對以上10種濃度水平樣品的實驗室間相對標準偏差進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表3。根據(jù)表3的統(tǒng)計結(jié)果，在實際的監(jiān)測工作中，建議控制RSD'≤15.0%。

表3 標準樣品和質(zhì)控樣品實驗室間相對標準偏差統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2.1.4 重復性和再現(xiàn)性研究了8種濃度水平標準樣品的重復性和再現(xiàn)性，各濃度水平樣品重復性和再現(xiàn)性見表4。

表4 不同濃度水平標準樣品的重復性和再現(xiàn)性統(tǒng)計結(jié)果

從表4可以看出，在10.5～127 mg／L濃度范圍內(nèi)，重復性在0.55～8.33 mg／L之間；再現(xiàn)性在4.31～20.71 mg／L之間。

2．2 準確度

2.2.1 相對誤差對10.5～148 mg／L 10種濃度水平標準樣品的測定結(jié)果進行相對誤差統(tǒng)計，以各實驗室測定均值計算各實驗室相對誤差，相對誤差數(shù)據(jù)共167個，經(jīng)檢驗有效數(shù)據(jù)153個，誤差統(tǒng)計結(jié)果見表5。

表5 各濃度水平標準樣品相對誤差統(tǒng)計結(jié)果

從表5可看出，在10.5～148 mg／L范圍內(nèi)，相對誤差均值范圍在–3.60%～4.70%之間，各實驗室所有相對誤差值在–14.97%～35.24%范圍內(nèi)，其中共153個相對誤差數(shù)據(jù)值，除去10.5±2.4 mg／L標準樣品有一家實驗室相對誤差為35.24%外，其余152個相對誤差值在–14.97%～23.16%之間。各濃度水平相對誤差分布圖見圖4。

-(10.5±2.4) mg/L;-(22.8±3.4) mg/L;-(58.3±4.8) mg/L;-(62.4±5.2) mg/L;-(67.6±5.9) mg/L;-(94.7±5) mg/L;

-(107±8) mg/L;-(108±8) mg/L;

-(148±9) mg/L;-(127±8) mg/L

從圖4可看出，在10.5～148 mg／L范圍內(nèi)，隨濃度增大，相對誤差有明顯減小的趨勢。將10.5～148 mg／L的標準樣品分10.5～60 mg／L和60～148 mg／L兩個范圍進行討論，統(tǒng)計結(jié)果見表6。

表6 10.5～148 mg／L范圍內(nèi)標準樣品相對誤差統(tǒng)計結(jié)果

從表6得出，在實際監(jiān)測工作中，在60 mg／L以下濃度范圍時，建議控制RE在±20.0%范圍內(nèi)；在60 mg／L濃度范圍以上時，建議控制RE在±10.0%范圍內(nèi)。

2.2.2 加標回收率

全國9個省份13家實驗室進行了空白加標平行測定(n=7)；8個省份12家實驗室進行了標準樣品加標平行測定(n=7)。加標回收率分布圖見圖5。

圖5 加標回收率分布圖

從圖5可看出，空白加標和標樣加標回收率數(shù)據(jù)集中度相似，加標回收率數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表7。

表7 加標回收率統(tǒng)計結(jié)果表

從表7統(tǒng)計結(jié)果來看，建議控制加標回收率范圍為70.0%～130.0%。

2．3 研究結(jié)果與文獻比較

稀釋接種法測定水中BOD5文獻資料給出的質(zhì)量控制指標較少，環(huán)保部《水和廢水監(jiān)測分析方法(第 4 版增補版 )》［12］，2002 稀釋接種法中實驗室內(nèi)相對標準偏差為5.6%，與其相比本研究相對標準偏差值偏高；與《環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量保證手冊》(第二版)質(zhì)量控制數(shù)據(jù)15%相比，本研究相對標準偏差值偏低［13］。HJ 505–2009 《水質(zhì)五日生化需氧量(BOD5)的測定稀釋與接種法》中給出了稀釋法和稀釋接種法的對比測定結(jié)果重現(xiàn)性標準偏差為11 mg／L，再現(xiàn)性標準偏差為3.7～22 mg／L。本研究結(jié)果與之比較，均在該參考值范圍內(nèi)，與該方法規(guī)定內(nèi)容基本吻合。

3 結(jié)論

通過對收集到的大量實驗室實際樣品監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，系統(tǒng)地對稀釋接種法測定水中生化需氧量的加標回收率、重復性、再現(xiàn)性、相對誤差、相對偏差和相對標準偏差等質(zhì)量控制指標進行了分析和討論。提出了體現(xiàn)各監(jiān)測領(lǐng)域技術(shù)特點，適合于多種質(zhì)量控制措施，代表我國監(jiān)測技術(shù)水平，在全國具有廣泛應用價值的質(zhì)量控制指標建議值。本研究建議在實際監(jiān)測工作中，樣品BOD5在10.5～127 mg／L范圍內(nèi)，控制重復性RSD≤10.0%，控制RSD'≤15%；樣品濃度小于30 mg／L時，控制相對偏差RD≤12.0%；60 mg／L以下樣品，控制相對誤差RE在±20%范圍內(nèi)；60 mg／L以上樣品，控制RE在±10%范圍內(nèi)；控制加標回收率在70.0%～130.0%之間。通過對10.5～127 mg／L的8種濃度水平的標準樣品分析，重復性在0.55～8.33 mg／L范圍內(nèi)，再現(xiàn)性在4.31～20.71 mg／L范圍內(nèi)。

［1］ 于靜潔，顧國維，張志峰，等.廢水BOD5測定的探討［J］.環(huán)境科學與技術(shù)，2008，31(1):80–85.

［2］ 鄭璇，李莉.生化需氧量快速測定法的研究進展［J］.福建分析測試，2015，24(1): 20–24.

［3］ 肖美麗，李明明.微生物傳感器快速測定生化需氧量［J］.化學分析計量，2005，14(5): 55–55.

［4］ 朱倩.污水放置時間對BOD5測定結(jié)果的影響［J］.石化技術(shù)，2014，21(4): 7–9.

［5］ 王德明 .水體 TOC 與 CODCr、BOD5、CODMn相關(guān)性研究［J］.化學分析計量，2010，19(3): 61–64.

［6］ 李志亮，仲躋文.生化需氧量、化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)三者關(guān)系解析［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2015(1): 5–6.

［7］ 梁艷菊.水污染監(jiān)測中BOD5與COD的相關(guān)性研究［J］.化工管理，2013(3): 199–200.

［8］ 司慧敏，張景馨，宋雅范，等.水質(zhì)監(jiān)測中BOD5與COD值相關(guān)性研究［J］.化學分析計量，2005，14(2): 50–51.

［9］ 胡冠九，李娟，袁力，等.吹掃捕集– GC／MS法測定水中苯系物質(zhì)量控制指標研究［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2011，27(增刊):30–33.

［10］ 趙嘉詳，楊金鳳.平行樣相對偏差容許范圍的探討［J］.干旱環(huán)境監(jiān)測，1991，5(4): 255–257.

［11］ GB 17378.2–2007 海洋監(jiān)測規(guī)范第二部分：數(shù)據(jù)處理與分析質(zhì)量控制［S］.

［12］ 國家環(huán)境保護總局，《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京：中國環(huán)境科學出版社，2002.

［13］ 中國環(huán)境監(jiān)測總站《環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量保證手冊》編寫組.環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量保證手冊［M］.2版.北京：中國環(huán)境科學出版社，1994.