微生物膜电极法生物化学需氧量分析仪校准方法

2021-08-23贾会许建军尚梦帆

化学分析计量 2021年7期

贾会，许建军，尚梦帆

（河南省计量科学研究院，郑州 450008）

生物化学需氧量（生化需氧量，BOD）是指在规定的条件下，微生物分解水中某些可氧化的物质，特别是分解有机物的生物化学过程消耗的溶解氧［1］。生化需氧量间接反映了水中可被微生物氧化的有机物含量，主要用于水质监测、水质评价和水域功能划分，是水污染控制领域最广泛采用的检测参数之一［2-3］。

目前国内测定BOD的标准有HJ 505—2009《水质五日生化需氧量（BOD5）的测定稀释与接种法》［1］、HJ／T 86—2002 《水质生化需氧量(BOD)的测定微生物传感器快速测定法》［4］。上述两种方法相比，微生物传感器快速测定法减少了稀释与接种、培养5天的环节，节省人力、物力，且测量稳定、重现性好、灵敏度高、测量周期短、自动化程度提高、能真实、在线反馈水质信息［5–12］，从而使微生物膜电极法生物化学需氧量分析仪得以迅速发展［13］，该方法广泛应用于食品厂、化工厂等工业企业，测量工业废水中BOD，污水处理厂测量生活污水中的BOD，水环境监测中心、自来水厂等监测地下水和地表水中的BOD以及划分水域功能等，但其测量值是否准确、可靠，需要评判标准。

现行有效的JJG 824–1993 《生物化学需氧量（BOD5）测定仪检定规程》［14］仅适用于稀释与接种法原理的五日生化需氧量测定仪。JJG 824–1993中的检定项目需要测量压力（差压式原理BOD5分析仪）或用覆膜电极溶解氧测定仪测量水中溶解氧（电化学原理BOD5分析仪）。压力和水中溶解氧无法用微生物膜电极法生物化学需氧量分析仪测量。个别省份编写了地方校准规范［15］，这些规范仅对仪器测量结果的部分指标进行校准，而对测量结果有重要影响的温度及计时未曾涉及。针对以上问题，参考HJ／T 86–2002 《水质生化需氧量(BOD)的测定微生物传感器快速测定法》和JJG 975–2002 《化学需氧量测定仪检定规程》［16］，笔者探讨了微生物膜电极法生物化学需氧量分析仪的校准方法，并提出了主要校准项目及相应的技术指标，并对指标的合理性进行分析。

1 工作原理

微生物膜电极法生物化学需氧量分析仪由氧电极和微生物菌膜构成，含有饱和溶解氧的样品进入流通池中与微生物传感器接触，样品中可生化降解的有机物受到微生物菌膜中菌种的作用，消耗一定氧，使扩散到氧电极表面上的氧质量减少。当样品中可生化降解的有机物向菌膜扩散速度（质量）达到恒定时，扩散到氧电极表面上的氧质量也达到恒定，因此产生一个恒定电流［4］。恒定电流的差值与氧的减少量存在定量关系，据此可计算水样中生物化学需氧量。微生物膜电极法生物化学需氧量分析仪得主要部件有蠕动泵、电磁阀流通管路、恒温器、空气泵及微生物传感器，其结构示意图见图1。

图1 微生物膜电极法生物化学需氧量分析仪结构示意图

2 主要仪器与试剂

吸管：1、2、5 mL，A级，北京玻璃仪器集团公司。

容量瓶：100、1 000 mL，A级，北京玻璃仪器集团公司。

温度计：测量范围为(0～50)℃，分度值为0.1℃，郑州二七仪表厂。

BOD溶液标准物质：编号为GBW(E) 080550，1 000 μg／mL，不确定度Urel=5%(k=2)，不确定度可满足微生物膜电极法生物化学需氧量分析仪，中国计量科学研究院。

3 主要校准项目

BOD示值误差和BOD重复性是反应仪器整体性重要指标。水样中可生化降解的有机物向微生物膜扩散，经过一定时间后达到动态平衡，产生一个恒定电流，得到稳定的BOD数值。从采样开始到电流恒定所需的时间即为采样时间。不同厂家的仪器，采样时间有所差异，且对BOD数值及BOD稳定性影响较大，故将实际采样时间与仪器设定采样时间的误差作为计时误差；测量槽内的液体温度对微生物膜的活性至关重要，常通过设定温度来加热或者冷却槽体内液体，以较好的发挥微生物膜活性，故将实际测量温度与设定温度之差作为温度示值误差。BOD示值误差、BOD重复性、计时误差和温度示值误差所获得的数据，能直接反应出仪器性能，因此将上述项目作为主要校准项目。参考JJG 975–2002 《化学需氧量测定仪检定规程》制定［16］技术指标及制定。本研究主要校准项目和具体技术指标列于表1。

表1 主要校准项目及技术指标

4 校准方法

4.1 BOD示值误差和BOD重复性

将1 000 μg／mL的BOD溶液标准物质稀释，配制成BOD质量浓度分别为5.0、10.0、20.0 mg／L的系列标准工作溶液，按照仪器说明书要求，提前活化微生物膜，仪器开机预热至少30 min，达到规定要求后进行标定。分别测定浓度分别为5.0、10.0、20.0 mg／L的BOD系列标准工作溶液各3次，按式（1）计算示值误差，按式（2）计算测量重复性，均取绝对值最大值作为校准结果。

式中：Δc——BOD示值误差，%；

cs——标准值，mg／L；

c——3次测量平均值，mg／L。

式中：δ——测量重复性，%；

cmax——3次测量结果绝对值最大值，mg／L；

cmin——3次测量结果绝对值最小值，mg／L。

根据日常工作情况分析，针对河南省相关企事业单位使用较多的3个厂家不同型号的微生物膜电极法生物化学需氧量分析仪，随机抽取取3台（编号分别为1#、2#、3#）进行BOD示值误差和BOD重复性测量，测量结果列于表2。

表2 BOD示值误差和BOD重复性测量结果汇总

由表2可知，BOD示值误差在±8%以内，BOD重复性存在1个值为12%，其余均在10%以内。

4.2 计时误差

待仪器采样开始启动仪器测量键，同时开始计时，待电流恒定后停止计时，记下采样时间，重复测定3次，以平均值作为测量值，按式（3）计算仪器的计时误差。

式中：Δt——计时误差，s；

ts——仪器设定值，s；

——3次测量平均值，s。

对上述3个编号的设备进行计时误差测量，测量结果列于表3。

表3 计时误差校准结果

由表3可知，计时误差在±3 s以内。

4.3 温度示值误差

将温度计插入测量池中，待温度稳定后，记录初始读数，每隔2 min读取一个数，观测10 min，求其算术平均值，按式(4)计算温度示值误差。

式中：ΔT——温度示值误差，℃；

Ts——仪器设定值，℃；

——6次测量平均值，℃。

对上述3个编号的设备进行温度示值误差测量，测量结果列于表4。

表4 温度示值误校准结果

由表3可知，温度示值误差在±2 ℃以内。

5 校准结果

对上述不同生产厂家、不同型号的仪器进行了校准，将校准结果归纳于表5。

表5 校准结果

由表5及上述分析可知，示值误差均在±8%以内；存在1个BOD重复性值为12%，其余均在10%以内；计时误差和温度示值误差实验结果均在要求之内。该校准方法可行，仪器的测量结果满足其技术指标，能够较全面反映仪器的计量性能。

6 校准结果的不确定度评定

6.1 数学模型

式中：ΔCr——仪器示值误差；

——3次测量平均值，mg／L；

Cs——溶液标准值，mg／L。

6.2 校准用溶液定值引入的不确定度u1

校准用溶液定值引入的不确定度由以下两部分组成：（1）标准物质定值引入的不确定度；（2）标准物质稀释、定容所引入的不确定度［17］。

6.2.1 标准物质引入的不确定度u11

由证书知1 000 μg／mL BOD5溶液标准物质的不确定度Urel=5%（k=2），则u11=2.5%。

6.2.2 标准物质稀释、定容引入的不确定度u12

分别配制5.0、10.0、20.0 mg／L的系列标准工作溶液，以5.0 mg／L的溶液浓度为例，配制时用5 mL的单标线吸管移取5.0 mL 1 000 μg／mL的BOD5标准溶液至1 000 mL容量瓶中，用纯水定容。

标准物质稀释、定容过程中的不确定度来源为容量器具的引入不确定度ua、移取及定容时引入不确定度ub、温度效应引入的不确定度uc。

（1）容量器具引入的不确定度ua

所用的5 mL单标线吸管和1 000 mL容量瓶均为A级，最大允许误差分别为(±0.015) mL和(±0.40) mL［18］。按三角分布，则5 mL单标线吸管和1 000 mL容量瓶引入的不确定度：

（2）移取及定容时引入的不确定度ub

（3）温度效应引入的不确定度uc

6.3 校准用溶液测量重复性引入的不确定度u2

分别测定5.0、10.0、20.0 mg／L的BOD校准溶液各3次，测量结果及引入的不确定度见表2。

表2 测量结果及引入的不确定度

6.4 分辨率引入的不确定度u3

仪器的分辨率为0.1 mg／L，则测量5.0、10.0、20.0 mg／L由分辨率引入的不确定度分别为：

6.5 合成标准不确定度u

表3 合成标准不确定度

6.6 扩展不确定度Urel

取包含因子k=2，Urel=k·u，相对扩展不确定度列于表4。

表4 扩展不确定度

7 注意事项

（1）生物膜的安装及活化必须要按照要求进行处理，并且每次开机前应在洗脱状态下加入低浓度的标准溶液，如5 mg／L，使菌膜适应工作环境；（2）每次开机后必须观察电极的初始电流稳定后方可进行实验，并且每次开机实验前须重新标定标准；（3）检查温度是否稳定，温度设定是否正确；（4）当测量一些有毒、有害的有机物样品时，会对微生物产生一定伤害，影响微生物活性，使测量结果不准确［19］。如果误用了此类水样，应立即更换生物膜；（5）仪器使用时间较长后，流通管路中的微生物会大量繁殖，严重时导致液体流量下降，影响测量结果，使仪器的精密度变差，此时应使用0.1%的次氯酸钠进行管路清洗，若清洗后仍未达到效果，应更换管路。