稀釋法測定生化需氧量的品管基準(zhǔn)與最新趨勢

湯 瑜，劉 佳，徐 磊

（湖北省生態(tài)環(huán)境廳十堰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖北 十堰 442000）

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國水質(zhì)污染問題越發(fā)嚴(yán)重。大量含有機(jī)污染物的生活垃圾、工業(yè)廢油等排入水體中，導(dǎo)致有機(jī)污染物成為影響水質(zhì)的重要因素之一。生化需氧量作為一種反映水體有機(jī)污染物含量的檢測方法，在水質(zhì)檢測中廣泛應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)，并介紹了微生物傳感器法與無汞壓力法的最新發(fā)展趨勢。

1 稀釋法檢測生化需氧量的基本原理

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

1.1 標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測生化需氧量的試驗(yàn)方法

標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測生化需氧量的具體試驗(yàn)方法為：將水質(zhì)樣品稀釋到所需濃度后，在環(huán)境溫度為20 ℃的恒溫環(huán)境下培養(yǎng)5 d或10 d。試驗(yàn)技術(shù)人員通過檢測并對比恒溫培養(yǎng)前后的水質(zhì)樣品的溶解氧含量，計(jì)算出水質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測生化需氧量的優(yōu)缺點(diǎn)

對于被檢測水質(zhì)中某些特定可降解有機(jī)物的檢測，標(biāo)準(zhǔn)稀釋法穩(wěn)定性高，重復(fù)性好。但是，對于生活污水與工業(yè)廢水的檢測，標(biāo)準(zhǔn)稀釋法存在一些問題。

首先，標(biāo)準(zhǔn)稀釋法的內(nèi)容多為人們?nèi)粘z測過程中約定俗成的經(jīng)驗(yàn)。因此，在恒溫20 ℃的環(huán)境下檢測水質(zhì)的五日或十日生化需氧量，檢測結(jié)果并無準(zhǔn)確的理論依據(jù)與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，檢測結(jié)果也不一定代表實(shí)際水質(zhì)樣品的生化需氧量。對于需要準(zhǔn)確生化需氧量檢測結(jié)果的生產(chǎn)企業(yè)，如污水處理廠，數(shù)據(jù)指導(dǎo)作用不強(qiáng)。其次，試驗(yàn)條件為20 ℃恒溫培養(yǎng)，這種試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際水質(zhì)環(huán)境明顯不符。同時(shí)，受檢測過程中使用的菌種種類與水質(zhì)pH等的影響，標(biāo)準(zhǔn)稀釋法的生化需氧量檢測數(shù)據(jù)重復(fù)性不高。研究表明，標(biāo)準(zhǔn)稀釋法的相對偏差為6%～12%[2]。再者，培養(yǎng)溫度要求控制在20 ℃上下浮動(dòng)1 ℃，對于有機(jī)成分復(fù)雜的生活污水或工業(yè)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(biāo)準(zhǔn)稀釋法的檢測結(jié)果為以碳為標(biāo)準(zhǔn)的生化需氧量。實(shí)際污水中可能廣泛存在一些硝化細(xì)菌，這將可能導(dǎo)致檢測結(jié)果嚴(yán)重偏大，從而影響生化需氧量檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測生化需氧量的品管基準(zhǔn)

湖北省生態(tài)環(huán)境廳十堰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心（簡稱十堰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心）對標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測水質(zhì)的生化需氧量進(jìn)行長達(dá)一年半的試驗(yàn)研究，經(jīng)摸索與修正，得到標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測生化需氧量的品管基準(zhǔn)，即改進(jìn)方法。

2.1 嚴(yán)格控制標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測生化需氧量的恒溫培養(yǎng)溫度

根據(jù)十堰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心的檢測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)積累，恒溫培養(yǎng)過程中，溫度每偏差20 ℃上下浮動(dòng)1 ℃的標(biāo)準(zhǔn)范圍1 ℃，就會引起約6%的系統(tǒng)誤差。因此，在使用標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測水質(zhì)生化需氧量的恒溫過程中，建議直接使用空調(diào)與生化培養(yǎng)箱?？照{(diào)可以調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱外界的大環(huán)境溫度，使得環(huán)境溫度與培養(yǎng)箱內(nèi)溫度相差小于5 ℃，降低培養(yǎng)箱的控溫難度。生化培養(yǎng)箱可以精確調(diào)控水質(zhì)樣品的溫度，精度可達(dá)0.5 ℃，優(yōu)質(zhì)的生化培養(yǎng)箱溫度控制精度甚至可達(dá)0.1 ℃。

2.2 水質(zhì)樣品pH對標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測生化需氧量的影響

待檢水質(zhì)樣品的pH也是影響標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測準(zhǔn)確度的重要因素。研究表明，標(biāo)準(zhǔn)稀釋法接種菌種需要最適宜的生長環(huán)境，常用的水質(zhì)樣品pH為6～8[3]。在這個(gè)pH范圍內(nèi)，菌種氧化速度最快，推廣至含多種有機(jī)物成分的水質(zhì)樣品時(shí)，重復(fù)性較高。

2.3 接種基質(zhì)濃度對標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測生化需氧量的影響

根據(jù)十堰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心的檢測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)積累，接種基質(zhì)的濃度增加時(shí)，水質(zhì)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(zhì)濃度，保證標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。經(jīng)驗(yàn)顯示，選擇五日耗氧率在40%～70%的基質(zhì)濃度，便可保證標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測生化需氧量的準(zhǔn)確性與重復(fù)性。

2.4 確保稀釋水溶解氧含量合適對標(biāo)準(zhǔn)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(yǎng)過程中水質(zhì)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(dǎo)致氧氣含量較低，不足以保證菌種完全氧化水質(zhì)樣品中的有機(jī)物。根據(jù)十堰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心的檢測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)積累，在使用標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測生活污水或工業(yè)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(jù)十堰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心的檢測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)積累，將純水（電阻率大于0.1×106Ω·cm）配制的稀釋水放置在設(shè)置為20 ℃的生化培養(yǎng)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(shè)置為20 ℃的生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)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(fā)現(xiàn)，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(dá)到調(diào)節(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)物氧化并對比氧化前后來計(jì)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(jié)果的影響，水質(zhì)樣品在檢測生化需氧量前必須經(jīng)過高溫消毒的前處理。此時(shí)的水質(zhì)樣品中原有的微生物已被殺滅，為了進(jìn)行試驗(yàn)，必須接種微生物?，F(xiàn)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(jù)十堰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心的檢測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)積累，如果采用混合微生物接種，建議直接采用成分穩(wěn)定且已知的新鮮污水接種。為了保證生化需氧量檢測數(shù)據(jù)的重復(fù)性與準(zhǔn)確性，十堰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心使用厭氧生化處理水培養(yǎng)并馴化特定純種菌種進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果顯示，使用馴化后的菌種檢測的水質(zhì)樣品的生化需氧量數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定且明顯大于新鮮污水接種后的生化需氧量檢測數(shù)據(jù)。同時(shí)，馴化后的特定純種菌種接種濃度對生化需氧量檢測數(shù)據(jù)無影響，僅會影響完全氧化的時(shí)間。馴化后的菌種對于營養(yǎng)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(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測生化需氧量的影響

待檢測的水質(zhì)樣品保存期間，生化需氧量也會發(fā)生明顯變化。十堰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心一般要求在收到樣品當(dāng)天進(jìn)行水質(zhì)樣品的前處理，并要求送樣單位送檢水質(zhì)樣品為送檢當(dāng)天新取水質(zhì)樣品。根據(jù)有關(guān)對比試驗(yàn)研究，對于成分較為穩(wěn)定的生活污水處理廠最終過濾污水，在環(huán)境溫度為26 ℃的前提下，當(dāng)保存3 h或更短時(shí)間時(shí)，樣品的生化需氧量與馬上檢測的樣品數(shù)據(jù)相比降低5%左右；當(dāng)存放6～7 h時(shí)，樣品的生化需氧量將降低15%左右；當(dāng)存放20～24 h時(shí)，樣品的生化需氧量將降低21%左右。

2.7 稀釋比的選擇對標(biāo)準(zhǔn)稀釋法檢測生化需氧量的影響

根據(jù)十堰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心的檢測數(shù)據(jù)曲線分析結(jié)果，只有耗氧量保持在40%～70%，稀釋比與耗氧量的關(guān)系才為線性關(guān)系。此時(shí)的方法誤差最小。標(biāo)準(zhǔn)稀釋法測定生活污水與工業(yè)廢水的生化需氧量時(shí)，稀釋后水樣的生化需氧量應(yīng)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(yàn)的重要一環(huán)。根據(jù)十堰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心的檢測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)積累，對于本監(jiān)測中心經(jīng)常接收的生活污水與工業(yè)廢水，選取0.45、0.40、0.25、0.20中的一到兩個(gè)稀釋比便可達(dá)到95%的數(shù)值重復(fù)性。

3 生化需氧量的檢測方法最新發(fā)展趨勢

3.1 微生物傳感器法

微生物傳感器法檢測水質(zhì)中生化需氧量的原理是將含飽和溶解氧的水樣導(dǎo)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(jī)物的時(shí)間。該方法采用流通測量的檢測方法，根據(jù)輸出電流變化值與樣品中有機(jī)物含量成正比的原理，計(jì)算出生化需氧量。對于成分復(fù)雜性一般的水質(zhì)樣品，該方法的相對偏差在10%左右。20世紀(jì)90年代，日本率先將微生物傳感器法設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)測量方法，經(jīng)過長達(dá)20多年的發(fā)展，該方法操作簡單與測量時(shí)間短的優(yōu)勢逐步被發(fā)掘出來。我國現(xiàn)行的《水質(zhì) 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(zhì)中的生化需氧量進(jìn)行了規(guī)范性說明。目前，學(xué)術(shù)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(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

3.2 無汞壓力法

無汞壓力法檢測水質(zhì)中生化需氧量的原理是在密封的培養(yǎng)瓶中使用微生物將瓶內(nèi)的溶解氧消耗。根據(jù)呼吸作用中產(chǎn)生的二氧化碳量與耗氧量相同的原理，瓶內(nèi)的二氧化碳被吸收劑吸收后，使用儀器分析瓶內(nèi)壓力的升降，計(jì)算生化需氧量。對于復(fù)雜的水質(zhì)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(yōu)勢。但目前我國未將無汞壓力法檢測水質(zhì)中的生化需氧量進(jìn)行規(guī)范性說明，因此該方法在業(yè)內(nèi)的推廣度較低。

4 結(jié)語

生化需氧量是水質(zhì)監(jiān)測中的一種重要理化指標(biāo)。生化需氧量的準(zhǔn)確檢測對企業(yè)的正常生產(chǎn)與環(huán)境檢測均有重要的指導(dǎo)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(diǎn)分析了稀釋法檢測生化需氧量的品管基準(zhǔn)，最后介紹了微生物傳感器法與無汞壓力法的最新發(fā)展趨勢。因篇幅所限且關(guān)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(zhǔn)與生化需氧量檢測技術(shù)的最新發(fā)展趨勢，相關(guān)技術(shù)分析中仍有大量理論知識有待研究。