淺談微生物膜傳感器快速測(cè)定BOD

曾昭

摘 要：BOD是反映水體中有機(jī)物含量的重要指標(biāo)之一，其表示水中污染物經(jīng)微生物分解時(shí)所需要消耗的分子氧的數(shù)量（mg/L），BOD的數(shù)值越高，表明水中可降解的有機(jī)物越多。BOD能較正確地反映水中有機(jī)物生物氧化分解時(shí)消耗的氧量，從而反映出水體污染的程度。

關(guān)鍵詞：BOD；水質(zhì)；微生物膜；傳感器

生化需氧量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法是稀釋接種法，是將水樣在20℃±1℃條件下水封培養(yǎng)5天，分別測(cè)定培養(yǎng)前后的溶解氧，兩者之差即為BOD5。該方法操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，不能及時(shí)反映水質(zhì)狀況，特別是遇到突發(fā)性水污染事故，不能及時(shí)有效的為水環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外科研工作者的不懈努力，相繼研究出不同種類的微生物膜傳感器BOD快速測(cè)定儀。我國(guó)則研制出以微生物電極為核心的BOD快速測(cè)定儀，該方法已經(jīng)通過(guò)多家實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，與傳統(tǒng)的稀釋接種法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）測(cè)量準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)便；（2）能在短時(shí)間內(nèi)測(cè)得BOD值，檢測(cè)一個(gè)樣品的周期只有20分鐘左右；（3）經(jīng)濟(jì)可行；（4）適用范圍廣，適用于各類地表水、工業(yè)廢水、生活污水。

1 微生物膜傳感器快速測(cè)定儀工作原理

將緊固了微生物膜的傳感器置于恒溫罐內(nèi)，磷酸鹽緩沖溶液通過(guò)蠕動(dòng)泵的作用緩緩流經(jīng)螺旋恒溫棒，加熱后在三通管處與氣泵鼓進(jìn)的氣體混合后最終流入流通池內(nèi)。因?yàn)榱姿猁}緩沖液不含有機(jī)物，只含氧，此時(shí)微生物僅進(jìn)行內(nèi)源呼吸，極少消耗緩沖溶液中的溶解氧，因而透過(guò)微生物膜的溶解氧幾乎沒(méi)減少。

BOD標(biāo)樣或水樣與氣體混合后進(jìn)入流通池，由于標(biāo)樣和水樣都含一定濃度的有機(jī)物，微生物的同化作用變得非常活躍，消耗大量溶解氧，因此透過(guò)微生物膜的溶解氧減少。

輸出電流的變化值與溶解氧的變化成正比例關(guān)系，與樣品中的有機(jī)物也成正比例關(guān)系，由此計(jì)算出BOD的值。

2 微生物膜傳感器測(cè)量BOD的影響因素

2.1 pH值對(duì)測(cè)量的影響

在用微生物膜傳感器測(cè)量BOD時(shí)，不同的pH值將導(dǎo)致感應(yīng)器的響應(yīng)不同，而pH值在7左右時(shí)響應(yīng)最佳。我們平常測(cè)量的樣品pH值大多是4～10，這時(shí)我們選擇用KH2PO4與Na2HPO4的混合磷酸鹽緩沖液加入樣品中，從而調(diào)節(jié)樣品pH值使之符合測(cè)量要求。

在測(cè)量一些污水時(shí)，其pH值往往極高或極低，通過(guò)加磷酸鹽緩沖液已達(dá)不到調(diào)節(jié)的目的，這時(shí)就需要加入少許濃酸或濃堿來(lái)中和樣品的酸堿度。只有經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)好了pH值的樣品方能進(jìn)入感應(yīng)器內(nèi)，否則強(qiáng)酸強(qiáng)堿將殺死微生物膜內(nèi)菌群，使膜失效。

2.2 重金屬對(duì)測(cè)量的影響

大部分重金屬對(duì)微生物的新陳代謝都有抑制作用，因此在測(cè)量前應(yīng)保證重金屬含量在合適的范圍內(nèi)。通常加入的磷酸鹽緩沖液能將樣品中的一些高濃度重金屬離子轉(zhuǎn)換成磷酸鹽沉淀物而去除。

2.3 游離氯對(duì)測(cè)量的影響

當(dāng)樣品中游離氯含量小于0.5mg/L時(shí)對(duì)測(cè)量的影響微乎其微，幾乎可以不考慮，并且低濃度的游離氯對(duì)管路，流通池和微生物膜的沖刷，能夠起到清潔的作用。但對(duì)于高濃度的游離氯卻不能不做處理，方法是加入亞硫酸鈉溶液，使之與游離氯發(fā)生氧化還原反應(yīng)。但是應(yīng)當(dāng)注意的是不能加過(guò)量，否則會(huì)產(chǎn)生負(fù)干擾。

3 BOD的測(cè)量

3.1 測(cè)量的范圍。微生物膜傳感器BOD測(cè)定儀適用于測(cè)量濃度范圍為2～4000mg/L的地表水、生活污水、工業(yè)廢水等不同種類的水樣。但其最佳線性范圍是2～50mg/L，超過(guò)50mg/L不僅導(dǎo)致儀器清洗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，延長(zhǎng)檢測(cè)周期，而且測(cè)得數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，因此需將水樣先稀釋至50mg/L以下再測(cè)量。在測(cè)量一個(gè)水樣前我們往往不知道其BOD到底有多大，需要稀釋幾倍，這就需要通過(guò)比較COD值來(lái)推斷估計(jì)的BOD值。一般情況下，地表水BOD較小，不需要稀釋，污水則可通過(guò)BOD5/COD=0.4～0.8，計(jì)算出稀釋倍數(shù)。本儀器對(duì)地表水、生活污水和無(wú)高濃度毒物的工業(yè)廢水有較好的適用性，而對(duì)含有高濃度農(nóng)藥、殺菌劑等的廢水卻不適用。

3.2 測(cè)量前處理

3.2.1 微生物膜的處理。生物膜的活性對(duì)測(cè)量至關(guān)重要，因此應(yīng)將其保存在一個(gè)低溫、干燥、缺氧的環(huán)境下，使其處于不活潑、生長(zhǎng)繁殖受到抑制的休眠狀態(tài)。生物膜在安裝前需用磷酸鹽清洗液浸泡7天至15天，且每24小時(shí)更換一次清洗液。浸泡用的容器內(nèi)清洗液應(yīng)不少于500mL，且生物膜在活化期間容器應(yīng)加蓋。將活化好了的生物膜安裝至電極上時(shí)，應(yīng)注意凹面朝上，并輕輕按壓中心菌種部位，趕走氣泡，最后慢慢扣上擦拭干凈的扣碗。換好微生物膜后，儀器必須清洗一至兩天，期間為提高微生物的活性應(yīng)持續(xù)給予20mg/L左右的營(yíng)養(yǎng)，當(dāng)洗到I0在4.0～10之間，且穩(wěn)定方可開(kāi)始測(cè)量。若連續(xù)7天未開(kāi)機(jī)微生物膜會(huì)死亡，因此為了保證微生物的生命和活性每周至少開(kāi)機(jī)清洗一次，一個(gè)月后微生物自然死亡，屆時(shí)更換新的生物膜。

3.2.2 管路的處理。管路一周更換一套。當(dāng)儀器的使用頻率較高時(shí)，水樣中的微生物易集聚于管壁上并大量繁殖，導(dǎo)致流速降低，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。這種情況下，可用濃度為1‰的次氯酸鈉溶液清洗管路20min。

3.2.3 電極的處理。電極中透氧膜一年更換一次。為保證電極輸出信號(hào)的穩(wěn)定，可配置0.1mol/L的KCl溶液作為電極液，用注射器吸取5～7mL從電極側(cè)面小孔緩緩注射于電極內(nèi)。

3.3 BOD的測(cè)量

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)稱取經(jīng)烘干1小時(shí)并放冷的葡萄糖和L-谷氨酸各3.410g，加蒸餾水在燒杯中溶解，定容于1000mL容量瓶中，即配得5000mg/L的BOD儲(chǔ)備液。

根據(jù)所測(cè)BOD標(biāo)樣的標(biāo)準(zhǔn)值49.3mg/L（稀釋一倍為24.6mg/L）選取標(biāo)準(zhǔn)值為20mg/L和40mg/L兩點(diǎn)定曲線。20mg/L的標(biāo)準(zhǔn)配置方法為1mL5000mg/L的BOD儲(chǔ)備液與2.5mL的緩沖液定容于250mL的容量瓶中。40mg/L的標(biāo)準(zhǔn)配置方法為2mL5000mg/L的BOD儲(chǔ)備液與2.5mL的緩沖液定容于250mL的容量瓶中。

測(cè)得曲線值為：

3.3.2 BOD標(biāo)樣的測(cè)定。選取國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品研究中心研制的標(biāo)樣（編號(hào)為200235）進(jìn)行分析。其標(biāo)準(zhǔn)值為49.3mg/L，不確定度為±4.2mg/L。平行測(cè)定7次數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：

3.3.3 BOD的測(cè)量結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是指測(cè)量值與真值的符合程度，通常用相對(duì)誤差表示。精密度是檢驗(yàn)測(cè)量值的重復(fù)性與再現(xiàn)性，通常用極差、標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

由以上計(jì)算結(jié)果可知用微生物膜傳感器快速測(cè)定儀測(cè)量BOD具有良好的精密度和準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

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