浅谈微生物膜传感器快速测定BOD

曾昭

摘 要：BOD是反映水体中有机物含量的重要指标之一，其表示水中污染物经微生物分解时所需要消耗的分子氧的数量（mg/L），BOD的数值越高，表明水中可降解的有机物越多。BOD能较正确地反映水中有机物生物氧化分解时消耗的氧量，从而反映出水体污染的程度。

关键词：BOD；水质；微生物膜；传感器

生化需氧量的国家标准检测方法是稀释接种法，是将水样在20℃±1℃条件下水封培养5天，分别测定培养前后的溶解氧，两者之差即为BOD5。该方法操作复杂、耗时长，不能及时反映水质状况，特别是遇到突发性水污染事故，不能及时有效的为水环境管理提供科学依据。

通过国内外科研工作者的不懈努力，相继研究出不同种类的微生物膜传感器BOD快速测定仪。我国则研制出以微生物电极为核心的BOD快速测定仪，该方法已经通过多家实验室验证，与传统的稀释接种法相比，具有如下优点：（1）测量准确，操作简便；（2）能在短时间内测得BOD值，检测一个样品的周期只有20分钟左右；（3）经济可行；（4）适用范围广，适用于各类地表水、工业废水、生活污水。

1 微生物膜传感器快速测定仪工作原理

将紧固了微生物膜的传感器置于恒温罐内，磷酸盐缓冲溶液通过蠕动泵的作用缓缓流经螺旋恒温棒，加热后在三通管处与气泵鼓进的气体混合后最终流入流通池内。因为磷酸盐缓冲液不含有机物，只含氧，此时微生物仅进行内源呼吸，极少消耗缓冲溶液中的溶解氧，因而透过微生物膜的溶解氧几乎没减少。

BOD标样或水样与气体混合后进入流通池，由于标样和水样都含一定浓度的有机物，微生物的同化作用变得非常活跃，消耗大量溶解氧，因此透过微生物膜的溶解氧减少。

输出电流的变化值与溶解氧的变化成正比例关系，与样品中的有机物也成正比例关系，由此计算出BOD的值。

2 微生物膜传感器测量BOD的影响因素

2.1 pH值对测量的影响

在用微生物膜传感器测量BOD时，不同的pH值将导致感应器的响应不同，而pH值在7左右时响应最佳。我们平常测量的样品pH值大多是4～10，这时我们选择用KH2PO4与Na2HPO4的混合磷酸盐缓冲液加入样品中，从而调节样品pH值使之符合测量要求。

在测量一些污水时，其pH值往往极高或极低，通过加磷酸盐缓冲液已达不到调节的目的，这时就需要加入少许浓酸或浓碱来中和样品的酸碱度。只有经过调节好了pH值的样品方能进入感应器内，否则强酸强碱将杀死微生物膜内菌群，使膜失效。

2.2 重金属对测量的影响

大部分重金属对微生物的新陈代谢都有抑制作用，因此在测量前应保证重金属含量在合适的范围内。通常加入的磷酸盐缓冲液能将样品中的一些高浓度重金属离子转换成磷酸盐沉淀物而去除。

2.3 游离氯对测量的影响

当样品中游离氯含量小于0.5mg/L时对测量的影响微乎其微，几乎可以不考虑，并且低浓度的游离氯对管路，流通池和微生物膜的冲刷，能够起到清洁的作用。但对于高浓度的游离氯却不能不做处理，方法是加入亚硫酸钠溶液，使之与游离氯发生氧化还原反应。但是应当注意的是不能加过量，否则会产生负干扰。

3 BOD的测量

3.1 测量的范围。微生物膜传感器BOD测定仪适用于测量浓度范围为2～4000mg/L的地表水、生活污水、工业废水等不同种类的水样。但其最佳线性范围是2～50mg/L，超过50mg/L不仅导致仪器清洗时间过长，延长检测周期，而且测得数据不准确，因此需将水样先稀释至50mg/L以下再测量。在测量一个水样前我们往往不知道其BOD到底有多大，需要稀释几倍，这就需要通过比较COD值来推断估计的BOD值。一般情况下，地表水BOD较小，不需要稀释，污水则可通过BOD5/COD=0.4～0.8，计算出稀释倍数。本仪器对地表水、生活污水和无高浓度毒物的工业废水有较好的适用性，而对含有高浓度农药、杀菌剂等的废水却不适用。

3.2 测量前处理

3.2.1 微生物膜的处理。生物膜的活性对测量至关重要，因此应将其保存在一个低温、干燥、缺氧的环境下，使其处于不活泼、生长繁殖受到抑制的休眠状态。生物膜在安装前需用磷酸盐清洗液浸泡7天至15天，且每24小时更换一次清洗液。浸泡用的容器内清洗液应不少于500mL，且生物膜在活化期间容器应加盖。将活化好了的生物膜安装至电极上时，应注意凹面朝上，并轻轻按压中心菌种部位，赶走气泡，最后慢慢扣上擦拭干净的扣碗。换好微生物膜后，仪器必须清洗一至两天，期间为提高微生物的活性应持续给予20mg/L左右的营养，当洗到I0在4.0～10之间，且稳定方可开始测量。若连续7天未开机微生物膜会死亡，因此为了保证微生物的生命和活性每周至少开机清洗一次，一个月后微生物自然死亡，届时更换新的生物膜。

3.2.2 管路的处理。管路一周更换一套。当仪器的使用频率较高时，水样中的微生物易集聚于管壁上并大量繁殖，导致流速降低，影响测量的准确性。这种情况下，可用浓度为1‰的次氯酸钠溶液清洗管路20min。

3.2.3 电极的处理。电极中透氧膜一年更换一次。为保证电极输出信号的稳定，可配置0.1mol/L的KCl溶液作为电极液，用注射器吸取5～7mL从电极侧面小孔缓缓注射于电极内。

3.3 BOD的测量

3.3.1 标准曲线的测量。实验称取经烘干1小时并放冷的葡萄糖和L-谷氨酸各3.410g，加蒸馏水在烧杯中溶解，定容于1000mL容量瓶中，即配得5000mg/L的BOD储备液。

根据所测BOD标样的标准值49.3mg/L（稀释一倍为24.6mg/L）选取标准值为20mg/L和40mg/L两点定曲线。20mg/L的标准配置方法为1mL5000mg/L的BOD储备液与2.5mL的缓冲液定容于250mL的容量瓶中。40mg/L的标准配置方法为2mL5000mg/L的BOD储备液与2.5mL的缓冲液定容于250mL的容量瓶中。

测得曲线值为：

3.3.2 BOD标样的测定。选取国家环境标准样品研究中心研制的标样（编号为200235）进行分析。其标准值为49.3mg/L，不确定度为±4.2mg/L。平行测定7次数据见下表：

3.3.3 BOD的测量结果的精密度和准确性。数据的准确性是指测量值与真值的符合程度，通常用相对误差表示。精密度是检验测量值的重复性与再现性，通常用极差、标准偏差表示。

由以上计算结果可知用微生物膜传感器快速测定仪测量BOD具有良好的精密度和准确性。

参考文献

[1]国家环保总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法（第四版）[M].北京：中国环境科学出版社，2002：227-236.

[2]张玉惠.BOD快速测定仪微生物膜传感器的实验研究[D].