稀释接种法测定水中BOD5的质量控制指标研究*

康长安，吴志强，彭刚华，夏新

(1.江西省环境监测中心站，南昌 330029； 2.中国环境监测总站，北京 100012)

生化需氧量的测定起源于英国(1870年)，是一种量度水中可被生物降解部分有机物(包括某些无机物)的综合指标，常用来评价水体有机物的污染程度。目前国内外普遍采用20℃培养5天所需溶解氧含量作为评价指标，简称五日生化需氧量(BOD5)。BOD5是污水处理过程中的一项基本指标，其测定准确与否关系到能否正确判断废水的可生化性，进而影响到废水处理工艺的选择和设计［1］。标准稀释法又称稀释接种法，是生化需氧量测定的经典方法。目前文献报道的研究多为BOD5测定的影响因素研究［2–4］及 BOD5与 CODcr，CODmn 的关系研究［5–8］，BOD5检测质量控制指标研究未见报道。我国目前已颁布的标准分析方法中，给出的“精密度和准确度”质量控制指标均来源于方法制定时多家实验室对特定样品进行多次测定所获得的验证数据，旨在说明方法的可行性［9］。如GB 5750–2006 《生活饮用水标准检验方法》中给出的方法精密度数据引自相关资料，且只给出了多家实验室测定某一浓度样品时的标准偏差值，此值仅为方法制定时用于说明方法可行，对分析工作者在日常检测质量控制及评价无实际意义。HJ 505–2009 《水质 五日生化需氧量(BOD5)的测定 稀释与接种法》中给出了平行样相对百分偏差限值及精密度和准确度数据。为了检验标准给出的质量控制指标在实际检测过程中的适用性，笔者收集了17个省份137家实验室(含东部发达省份和中西部欠发达省份的省、市、县三级环境监测实验室)积累的实际检测数据，通过对上述大量实验室实际样品检测数据进行统计分析，研究了稀释接种法测定水中BOD5质量控制指标限值。目前应用数理统计法研究质量控制指标限值的仅有赵嘉详等人利用所在实验室5年时间所积累实际水样检测数据，用数理统计的方法给出检测方法的质量控制指标建议值［10］，但该研究用于统计的样本量小，且用于统计的检测数据不代表全国各级实验室的检测水平。笔者通过对收集的大量实际检测数据进行统计分析研究质量控制指标限值，研究结果既是对现有分析标准给出的质量控制指标值的检验，同时为分析人员提供工作参考数据，为开展质量控制工作提供评价依据及技术支持。

1 研究内容和数据

1．1 研究内容

以稀释接种法为依据，通过对空白样品、标准样品、实际样品及其加标样品的测定数据进行分析，得出精密度和准确度等质量控制指标，主要为重复性精密度(RSD)、再现性精密度(RSD')、相对偏差(RD)、相对误差(RE)和加标回收率。研究所得稀释接种发法测定水中BOD5评定指标值与国内外资料指标值进行对比分析，提出符合我国实际监测水平的BOD5监测质量评定指标值。

1．2 监测单位及数据

用于本研究的检测数据来自于全国17个省份137家实验室(省级站8家，市级站65家，县级站64家)。全国15个省份135家实验室(省级站8家，市级站63家，县级站64家)对浓度为10.5～148 mg／L的10种标准样品进行了测定，得到监测数据367个；全国2家实验室(省级)对1.95～30 mg／L浓度范围的实际样品进行了测定，得到983对平行双样数据；9个省13家实验室(省级站3家，市级站10家)进行了空白加标和标样加标测定，得到加标回收率数据315个。

1．3 异常值检验方法

对收集到的历史检测数据采用Grubbs、Dixon和Cochran检验方法进行室内、室间均值和方差检验，剔除异常值后进行数据分析［11］。

(1)采用Grubbs检验法对实验室内的每组测定数据进行检验，筛选出可疑值。当数据量大于100时，采用Pauta 进行检验。

(2)用各个实验室的标准偏差进行方差检验。对同一标准样品：①如果每家实验室的测定次数相同，采用Cochran 检验法对多家实验室测定数据的标准偏差筛选可疑值，将最大方差剔除，然后重新检验，直到方差不存在显著性差异；②如果测定次数不同，应用Bartlett 检验法来检验，此时，如果方差存在显著性差异，应将最大方差剔除，然后重新检验，直到方差不存在显著性差异。

(3)根据上述(2)的检验结果(经过方差检验，并进行异常数据剔除)，采用Dixon检验法对实验室间每组测定数据的均值筛选可疑值。

异常值的判断指标：以P表示上述3 种方法的检验统计量的观测值出现的概率，检验结果按下列3种情形进行判断：①P＞5%，即Cochran，Grubbs或Dixon 检验法检验统计量小于其5%的临界值，则判断观测值为正常值；②1%≤P≤5%，即检验统计量介于5%和1%的临界值之间，则判断观测值为异常值；③P＜1%，即检验统计量大于1%的临界值，则判断观测值为高度异常值。

1．4 质量控制指标建议值统计方法

相对标准偏差、相对误差、相对偏差、重复性和再现性的统计分3个步骤：①依据确认数据，计算各个质量控制参数的均值x及标准偏差s；②分别计算约85%，90%，95%的有效数据(即有效数据占总确认数据的百分比)覆盖的x±A的范围值，A值根据实际数据计算得出；③结合x±A范围和有效数据量，再结合所作图表进一步分析数据的离散状况，采用有效数据量不小于95%(特殊情况下选择85%或者90%)所覆盖的范围值，给出最终的建议值。

加标回收率质量控制指标的计算方法：根据空白加标回收率、标准样品加标回收率和实际样品加标回收率进行统计分析，采用有效数据量不小于95%(特殊情况下选择85%或者90%)所覆盖的回收率范围，结合数据统计分析图表，给出最终的建议值。

2 结果与讨论

2．1 精密度

2.1.1 重复性精密度

10.5～148 mg／L的10种浓度水平的标准样品367个监测数据，经异常值检验剔除和除去测定平行次数少于3次的数据，得到54家实验室测得的8种浓度水平共215个有效数据。8种标准样品实验室内相对标准偏差散点图见图1。重复性精密度统计结果见表1。统计表明，96%的RSD≤7.8%，所以建议在10.5～127 mg／L浓度范围内，控制RSD≤10.0%。

图1 各浓度水平标准样品室内相对标准偏差散点图

表1 标准样品实验室内相对标准偏差汇总结果

2.1.2 相对偏差2家实验室分别对1.95～30 mg／L浓度范围的地表水实际样品进行了平行双样测定，共得到983对数据。实际样品的相对偏差散点图见图2。从图2可看出，983组实际样品平行样相对偏差多集中在10%之内，实际样品相对偏差统计结果见表2。

图2 30 mg／L以下实际样品相对偏差分布图(983个数据)

表2 30 mg／L以下实际样品相对偏差统计结果

由表2可看出，浓度在1.95～30 mg／L范围内，95%的相对偏差在11.11%之内，所以建议在实际工作中控制RD≤12.0%。

2.1.3 实验室间相对标准偏差

135家实验室分别对10.5～148 mg／L 10种浓度水平的标准样品进行了平行测定，经过数据检验方法检验，得到实验室内均值有效数据54个。标准样品和质控样品实验室间相对标准偏差与浓度水平关系图见图3。

图3 浓度水平和实验室间相对标准偏差的关系图

从图3可以看出，在10.5～148 mg／L范围内，再现性精密度RSD'在2.9%～16.1%范围内波动。对以上10种浓度水平样品的实验室间相对标准偏差进行统计，统计结果见表3。根据表3的统计结果，在实际的监测工作中，建议控制RSD'≤15.0%。

表3 标准样品和质控样品实验室间相对标准偏差统计数据

2.1.4 重复性和再现性研究了8种浓度水平标准样品的重复性和再现性，各浓度水平样品重复性和再现性见表4。

表4 不同浓度水平标准样品的重复性和再现性统计结果

从表4可以看出，在10.5～127 mg／L浓度范围内，重复性在0.55～8.33 mg／L之间；再现性在4.31～20.71 mg／L之间。

2．2 准确度

2.2.1 相对误差对10.5～148 mg／L 10种浓度水平标准样品的测定结果进行相对误差统计，以各实验室测定均值计算各实验室相对误差，相对误差数据共167个，经检验有效数据153个，误差统计结果见表5。

表5 各浓度水平标准样品相对误差统计结果

从表5可看出，在10.5～148 mg／L范围内，相对误差均值范围在–3.60%～4.70%之间，各实验室所有相对误差值在–14.97%～35.24%范围内，其中共153个相对误差数据值，除去10.5±2.4 mg／L标准样品有一家实验室相对误差为35.24%外，其余152个相对误差值在–14.97%～23.16%之间。各浓度水平相对误差分布图见图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

从图4可看出，在10.5～148 mg／L范围内，随浓度增大，相对误差有明显减小的趋势。将10.5～148 mg／L的标准样品分10.5～60 mg／L和60～148 mg／L两个范围进行讨论，统计结果见表6。

表6 10.5～148 mg／L范围内标准样品相对误差统计结果

从表6得出，在实际监测工作中，在60 mg／L以下浓度范围时，建议控制RE在±20.0%范围内；在60 mg／L浓度范围以上时，建议控制RE在±10.0%范围内。

2.2.2 加标回收率

全国9个省份13家实验室进行了空白加标平行测定(n=7)；8个省份12家实验室进行了标准样品加标平行测定(n=7)。加标回收率分布图见图5。

图5 加标回收率分布图

从图5可看出，空白加标和标样加标回收率数据集中度相似，加标回收率数据统计结果见表7。

表7 加标回收率统计结果表

从表7统计结果来看，建议控制加标回收率范围为70.0%～130.0%。

2．3 研究结果与文献比较

稀释接种法测定水中BOD5文献资料给出的质量控制指标较少，环保部《水和废水监测分析方法(第 4 版增补版 )》［12］，2002 稀释接种法中实验室内相对标准偏差为5.6%，与其相比本研究相对标准偏差值偏高；与《环境水质监测质量保证手册》(第二版)质量控制数据15%相比，本研究相对标准偏差值偏低［13］。HJ 505–2009 《水质五日生化需氧量(BOD5)的测定稀释与接种法》中给出了稀释法和稀释接种法的对比测定结果重现性标准偏差为11 mg／L，再现性标准偏差为3.7～22 mg／L。本研究结果与之比较，均在该参考值范围内，与该方法规定内容基本吻合。

3 结论

通过对收集到的大量实验室实际样品监测数据进行分析，系统地对稀释接种法测定水中生化需氧量的加标回收率、重复性、再现性、相对误差、相对偏差和相对标准偏差等质量控制指标进行了分析和讨论。提出了体现各监测领域技术特点，适合于多种质量控制措施，代表我国监测技术水平，在全国具有广泛应用价值的质量控制指标建议值。本研究建议在实际监测工作中，样品BOD5在10.5～127 mg／L范围内，控制重复性RSD≤10.0%，控制RSD'≤15%；样品浓度小于30 mg／L时，控制相对偏差RD≤12.0%；60 mg／L以下样品，控制相对误差RE在±20%范围内；60 mg／L以上样品，控制RE在±10%范围内；控制加标回收率在70.0%～130.0%之间。通过对10.5～127 mg／L的8种浓度水平的标准样品分析，重复性在0.55～8.33 mg／L范围内，再现性在4.31～20.71 mg／L范围内。

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