微生物电极法快速测定水中的生化需氧量
2018-01-31崔苗,端允
崔 苗, 端 允
(1.太原理工大学,山西 太原 030024;2.太原市环境监测中心站,山西 太原 030002)
生化需氧量是反映环保领域可生化性有机污染程度的重要指标,也是生化污水处理厂衡量污水状态的重要指标。目前我国大多数科研实验单位均采用稀释与接种法,该方法测量时间长、操作比较复杂,无法及时反映水体污染状况,也不能满足当前环境监测中要求的快速测定的目标。本实验采用220B型BOD快速测定仪,该仪器采用微生物电极法测定水中的BOD值,具有操作简便、快速准确的优点,广泛适用于各类生活污水、地表水和工业废水的BOD测定。
生化需氧量;微生物电极法;快速准确
生化需氧量(biochemical oxygen demand,BOD),是水中的好氧微生物在一定的温度条件下将有机物分解成无机质,其氧化过程中所消耗的溶解氧量。BOD是表示水体中的好氧有机物污染物含量的一个综合指标,其值越高,说明该水体中的有机污染物含量越高,污染也就越严重[1]。它是我国实施污染物排放总量控制的指标之一,也是评价水质好坏、反应水体受污染程度的一项重要指标。目前,我国测定生化需氧量的标准方法是稀释与接种法(HJ505-2009)[2],该方法氧化率高,再现性好,准确可靠,但操作繁琐、实验时间长、对操作人员的技术要求比较高,不能及时反映水体受污染的程度,难以达到大批量快速测定的要求。微生物电极法是目前快速测定BOD的新方法之一,该方法测量周期短,操作简单,对水体受污染程度的预报、工业废水的处理等实际应用具有一定的指导意义。本文采用微生物电极法BOD快速测定仪,通过测定标准样品和环境水样的浓度与稀释接种法测量值对比来验证其方法的可行性[3-4]。
1 仪器及主要试剂
1.1 仪器
赛普环保BOD-220系列快速测定仪;微生物菌膜:将微生物菌膜浸泡在0.005 mol/L清洗液中活化48 h,每24 h换一次清洗液,然后将其安装在仪器的微生物传感器上。在“清洗”工作状态下,让微生物菌膜持续活化1 d~2 d,以保证其输出值稳定。
实验中需要的玻璃仪器及塑料容器在使用前要清洗干净,如果有可生物降解的化合物附着,会在实验操作中造成二次污染影响测量结果。
1.2 试剂
1.2.1 BOD标准溶液
将葡萄糖(C6H12O6)和谷氨酸(C5H9NO4)放置在103 ℃的烘箱内烘1 h,取出后晾至室温,然后各准确称取1.705 g溶于1 000 mL蒸馏水中,得到2 500 mg/L的标准溶液(此标准溶液在配制后应尽快使用)。
1.2.2 磷酸盐缓冲液
准确称取磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)179 g和磷酸二氢钾(KH2PO4)68 g溶于1 L蒸馏水中得到0.5 mol/L的缓冲溶液。该缓冲溶液pH=7.0,用于标准溶液及被测样品的稀释,并使所有待测样品中的磷酸盐缓冲溶液的浓度达到0.005 mol/L。
1.2.3 磷酸盐缓冲使用液(清洗液)
将0.5 mol/L的磷酸盐缓冲溶液用蒸馏水稀释至0.005 mol/L即可。本清洗液用于仪器的正常开机状态即“清洗”中,每分钟消耗4.5 mL,每8 h消耗约2.7 L。
2 适用范围
BOD-220系列快速测定仪的最佳线性范围是2 mg/L~50 mg/L。当被测样品BOD质量浓度大于50 mg/L时,会导致测量误差增大,所以,应该将被测样品先稀释至50 mg/L以下,然后再对其进行测量。实验时建议将待测量样品稀释到25 mg/L以下,使其可以获得最佳线性范围,同时还能减少清洗时间进而缩短检测周期。
3 实验原理及分析步骤
3.1 实验原理[1]
本实验采用的仪器使用流通测量方式,将微生物膜固定于隔膜式氧电极上组成微生物电极,由流通测量池组件固定微生物膜。因为溶解氧的含量与氧电极的输出电流成正比,当缓冲溶液即不含任何有机物的液体通过流通池时,微生物的同化作用很小,流经微生物膜的溶解氧含量基本没有减少。而当含有有机物的溶液通过流通池时,微生物因为同化作用非常活跃,同化过程中需要消耗更多的溶解氧,导致流经微生物膜的溶解氧含量减少。由于溶解氧含量的变化,使得氧电极的输出同比发生变化,也就证明样品有机物的含量与输出电流变化值成正比关系,从而可以计算出待测样品中BOD的值。微生物传感器及其工作原理如图1、图2所示。
图1 微生物传感器
图2 仪器的工作原理
3.2 分析步骤
3.2.1 样品的前处理
如果样品的pH值不在4~10,可用0.5 mol/L盐酸溶液或20 g/L氢氧化钠溶液,将样品的pH值调节到中性即可。
3.2.2 样品的准备
1) 取10 mL已配好的BOD标准液(1.2.1),用纯水定容至250 mL的容量瓶中,得到100 mg/L的BOD标准使用液,将其稀释成5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、25 mg/L的溶液用于定标。
2) 一般情况,地表水样品可以不用稀释,直接作为待测样品进行测量。生活污水和工业废水可根据经验或预期BOD值确定稀释倍数,使其BOD值控制在50 mg/L以下,保证其浓度范围控制在最佳线性范围内,然后再作为待测样品测试。
3) 准备3支从环保部标准样品研究所购买的GSB 07-3160-2014标准样品200246、200247和200248,分别取10 mL用纯水定容至250 mL的容量瓶中,稀释至适宜浓度后作为待测样品。
3.2.3 测量方法
用磷酸盐缓冲使用液(1.2.3)清洗微生物传感器至电流I0稳定,I0值应保持在4.0以上10.0以下,ΔI在0.3以上,稳定后开始测量。
1) 量取50 mL已配好的5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、25 mg/L BOD标准使用液,从1号样品杯开始往后依次加入,然后向每个样品杯中加入0.5 mL的磷酸盐缓冲溶液(1.2.2),作为“定标”溶液(每次做实验必须先定标准),测量选样时选择“标样”按钮,并在系统中对应输入5、10、20、25(mg/L)进样测出其电流差△I(△I与BOD浓度成正比);
2) 用量筒准确量取已稀释好的标准样品和待测水样50 mL分别加入各样品杯中,并向每个样品杯内各加0.5 mL的磷酸盐缓冲溶液(1.2.2),必须保证磷酸盐缓冲液占总体积的1%,测量选样时选择“样品”按钮并在系统中输入该样品对应的稀释倍数,已保证最后计算结果的准确;
3) 所有样品都设置好以后,点击系统上的“开始测量”按钮进行水样测量。首先,进样器会自动复位,将1号样品杯置于开始测量的位置。随后,BOD快速测定仪的主机自动进入清洗状态。清洗结束后,进入标准测量(或样品测量)状态,系统将自动得出样品的浓度。
4 数据分析
4.1 全程序空白及检出限
由于空白值比较低,做空白实验前需要先定1个低浓度的标准以保证结果更加准确,取1 mL BOD标准液(1.2.1)定容到250 mL的容量瓶中得到1 mg/L的定标使用液,定标后准备5组磷酸盐缓冲使用液(1.2.3)进行空白值的测定,结果如表1所示。
表1 空白测定
4.2 两种测定方法比对结果
由于目前BOD测试方法主要是稀释与接种法,为了保证本文中所采用方法结果的准确性和可靠性,分别采用微生物电极法和测定生化需氧量的标准方法稀释与接种法(HJ505-2009)对水样进行分析,对其测量结果的偏差进行计算,结果对比如表2。
表2 生化需氧量不同方法结果比对表
4.3 标准样品的测定
为了证明该仪器测量数据真实可靠,对从环保部标准样品研究所购买的GSB07-3160-2014标准样品进行了测量,并对其精密度和准确度进行了检验,测定结果与标准值符合良好,说明本方法准确可靠,结果如表3。
表3 BOD标准样品测定结果
5 注意事项
1) 每次开机后要清洗1 h使电位稳定后方可做实验。
2) 所有参与实验的样品必须加缓冲溶液,所有进入仪器的液体中都必须加0.5 mol/L的缓冲液并稀释到0.005 mol/L,必须保证磷酸盐缓冲溶液占总体积的1%。
3) 需每天作新标准,因为微生物膜的活性每天都不同。
4) 测量时温度要稳定在33 ℃左右,I0在4.0以上10.0以下,△I在0.3以上,新换的微生物膜要在机器上洗一段时间,洗到I0在4.0~10.0,并稳定。
5) 水样中的干扰杂质少,用小的稀释倍数,减少误差;水样中的干扰杂质多,用大的稀释倍数,减小影响。
6) 样品测量的顺序:先测定低浓度的样品,再测定高浓度的样品;先测定容易降解的样品,再测定难降解的样品;如果遇到强干扰物或含有毒、有害的物质,可用大倍数稀释之后再进行测量。
6 结论
作为水中有机物污染的一项重要指标,生化需氧量反映的可生化降解性是其他参数无法替代的,所以它一直作为我国水质监测的基础项。使用经典的稀释与接种法进行测定得到的BOD值,需要将水样培养5 d,这期间将发生了一系列极为复杂的氧化过程后,将培养水样取出测量,通过计算得到结果。培养期间发生的反应包括被测水中的微生物对有机物进行直接的摄取或分解后再对其进行摄取、同化代谢时的氧化,产生异化代谢时的氧化、维持代谢时的氧化。氧化过程也容易受到各种因素的影响,比如,由于原生动物在捕食微生物时形成食物链而造成整体氧化率上升,或者由于微生物增殖而造成氧化速度加快。不论是经典的标准稀释法,还是微生物电极法,通过测定其生化需氧量来确定对环境的影响都有一定的局限性。其根本原因是,由于实验室所配置的标准样品与现场所采集的水样是两个本质不同的系统,实验室配置的标准样品可能受到分析人员操作的微小差异或者仪器的不稳定性而造成的随机误差的影响,而现场采集水样受到现场温度、湿度、自然曝气、各种有毒有害干扰物质的沉淀等自然条件的影响,加之目前国内使用的各种测定BOD的方法都存在某些不确定性及影响因素,因此,生化需氧量只能作为综合判定水质状况的指标。既然作为参考指标,那么快速准确就是环境监测过程中一项很重要的影响因素,因此,微生物电极法快速测定水中的生化需氧量对水质实时监测和工业废水处理的调控及污染预报更加具有实际意义,也更能满足当前环境监测中快速测定的要求[5-6]。
本实验通过对标准样品、空白样品以及日常工作中水样的测定,得到的结果均比较满意,数据的真实性、有效性和准确性均符合行业标准,说明微生物电极法用于测量BOD有可行性。而且该方法测量时间短、出数效率高、得到的结果准确可靠、实验过程中能耗低、污染少,这些优点使得其在应急监测、大批量样品的检测过程中可以广泛应用。
[1] 国家环境保护总局.水质生化需氧量的测定微生物传感器快速测定法(HJ/T 86-2002)[S].北京:中国环境科学出版社,2002.
[2] 环境保护部.水质生化需氧量的测定稀释与接种法(HJ505-2009)[S].北京:中国环境科学出版社,2009.
[3] 国家环境保护总局,水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法(第4版增补版)[M].北京:中国环境科学出版社,2002:227-231.
[4] 张皓.BOD快速测定仪在水中BOD测定中的应用[J].农业灾害研究,2014,4(5):60-62.
[5] 石美珠.BOD快速测定仪维护及盲样考核注意事项探讨[J].科技信息,2010(10):722.
[6] 李海燕,姜玲,张丽.微生物膜法快速测定水中的BOD[J].污染防治技术,2007,20(4):86-88.