生化需氧量检测标准现状与发展

孙孝雯，黄思捷，刘志丹

生化需氧量检测标准现状与发展

孙孝雯，黄思捷，刘志丹※

（中国农业大学水利与土木工程学院农业农村部设施农业工程重点实验室，环境增值能源实验室，北京 100083）

水环境监测是切实推进生态文明建设的重要方面。生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）是在微生物存在下水体有机物生化降解所需的氧量。作为反映水中有机污染物含量的重要指标，在城镇、工业和农业农村环境等领域的监测工作中均不可忽视。该研究剖析了国内外关于BOD检测的标准和方法，总结了稀释接种法和微生物电极法以及更加与时俱进的测试方法。同时，对比分析了国内外标准排放限值的制定力度，从国家标准、地方标准、行业标准三个方面全面梳理了现行BOD标准体系建立的结构和框架，深入剖析了地方强制标准在国家法规、地方政策引导下建立的影响因素和执法部门监管、人民群众监督下实施的推动关系。从标准分布、制定力度、检测方法的迭代三个方面提出了标准体系的重点发展方向和制修订建议，以期为推动中国水环境保护和水资源利用提供支撑。

生化需氧量（BOD）；微生物燃料电池；标准；水环境；检测方法

0 引 言

国内外为积极响应“碳中和”战略、“碳减排”策略，推动全球绿色低碳转型，在污水处理行业陆续出台相应政策。美国发布的《2016—2045年新兴科技趋势报告》认为污水回收等科技将会减缓人类对淡水水源的需求，欧盟于2020年通过的《污水再利用条例》有望促进更广泛的再生水回用，中国国家发改委等十部委于2021年联合引发的《关于推进污水资源化利用的指导意见》明确将污水资源化利用作为节水开源的重要内容，指出了“达标排放”和“达标回用”的必要性，点明了“水质监测评价”和“废水循环利用智慧管理平台”的要求。为推进生态文明建设、“深入打好污染防治攻坚战”，在水环境和污水治理过程中，急迫需要及时、有效、稳定的水污染物监测手段[1]。

生化需氧量是评价水中有机物污染程度的综合指标[2]，其值越高，消耗水中溶解氧越多，导致厌氧菌繁殖加快，有机物腐败，水质恶化，在污水排放检测中不可忽视[3-4]。目前国内外通用衡量水污染程度的水质指标除BOD外，还有化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、总有机碳（Total Organic Carbon，TOC）等[5]。相较于COD和TOC，BOD能相对地表示出微生物可以分解的有机污染物的含量，比较符合水体自净化的实际情况[6]。BOD作为衡量废水污染强度、成分和水体氧平衡的重要指标，对整个水环境保护、水污染控制以及维护水环境健康至关重要[7-9]。

本研究梳理了国内外BOD的检测标准，阐释了BOD检测方法的迭代以及标准的制定力度、覆盖范围等，并结合中国水环境中BOD监测需求对BOD标准体系制定提出了建议，以期为推动BOD有效监测提供支撑和参考，保障污水“达标”排放和回用，保护水环境，重视全球生态环境问题，坚持“坚持人与自然和谐共生”和“坚持推动构建人类命运共同体”的国家基本方略，推进中国水环境生态保护和高质量发展。

1 国内外BOD检测方法及排放限值现状

1.1 国内外BOD检测方法

1.1.1 稀释与接种法

标准BOD检测方法最早确立于1936年，美国公共卫生协会将5日生化需氧量稀释法规定为水和废水的检验方法，并为ISO/TC-147推荐[10]。国际标准化组织（ISO）自1983年对BOD排放监测设立了标准，《水质-天后生化需氧量的测定（BODn）-稀释与接种法（ISO 5815—1983）》规定采用稀释与接种法根据实际情况进行天的生化需氧量监测。经过标准不断迭代，到2019年形成检测范围更广、试验程序更加优化的《水质-日生化需氧量（BODn）的测定第一部分：加烯丙基硫脲的稀释与接种法》（ISO 5815—1：2019）和《水质-日生化需氧量（BODn）的测定第二部分：非稀释法》（ISO 5815—2：2019），中国现行BOD检测标准就是修改自2003版国际标准[11]。美国自1996年就对具体行业BOD排放阈值制定了相关标准，《摄影（冲洗）废液生化耗氧量和溶解氧的测量》（ANSI/NAPM IT4.40—1996）对测定范围、测量结果可靠性和BOD测定标准进行了规定，可用作分析照相摄影处理废水的一套具体操作说明。

1987年，中国环境保护部发布实施《水质五日生化需氧量（BOD5）的测定稀释与接种法》（GB/T 7488—1987），这是中国实施的第一个关于BOD测定的国家标准，对BOD的原理、测定所需试剂、测定仪器、样品储存注意事项、试验操作步骤都进行了详细的规定。2009年，中华人民共和国国家环境保护标准（HJ 505—2009）代替（GB/T 7488—1987），修订增加了检出限，在方法原理部分明确规定了培养温度和时间，增加了（2+5）d培养时间的内容、接种液的选择、样品前处理方法内容、稀释倍数的确定、质量保证和质量控制以及细化了测定方法[12]。标准规定地表水、工业废水、生活污水中BOD5的稀释与接种的测定方法，通过测定培养前后溶解氧的质量浓度之差计算BOD5，方法的测定范围为2～6 000 mg/L，达到6 mg/L就需要进行稀释。在准确性上，非稀释接种法的重现性和再现性偏差均小于稀释接种法。

1.2.2 微生物电极法

日本最早于1990 s年代推出BOD快速检测仪器并颁布微生物电极法工业标准（JIS K3602—1990），标准放弃使用耗时长的稀释接种法，采用微生物电极法对BOD进行快速检测，在BOD检测方法和仪器上有很大改进[13]。

中国于2002年制定的《水质生化需氧量（BOD）的测定微生物传感器快速检测法》（HJ/T 86—2002）首次规定了微生物传感器快速测定方法——微生物电极法[14]，其原理涉及初级氧化速率，所以8～15 min即可完成一个样品的测定，相对误差在-2.0%到2.8%之间。在城镇建设、纺织、煤炭等行业对BOD排放限值和检测方法做出的相关规定均采用稀释接种法，虽然微生物传感器快速测定方法已经作为行业标准发布，但在污水排放标准中并未得到应用。

1.2.3 其他BOD检测方法

除标准规定的稀释接种法和微生物传感器快速检测方法外，还包括荧光细菌检测法、近红外光谱法、高光谱成像技术和微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）法，原理均不相同，如图1 BOD检测方法原理简图所示。荧光细菌检测原理是污水中微生物活动和BOD及细菌污染密切相关，通过利用与微生物活动密切相关的色氨酸发射的荧光强度转换成相应的BOD值[15]。近红外光谱法原理是依靠不同物质吸收强度的差异来测定BOD值[16]。高光谱成像法是确定水质浓度与光谱反射率最优相关波段，建立BOD与光谱反射率之间回归模型[17-19]。微生物燃料电池原理是电池产生的电流强度及转移的库仑电荷量与阳极有机物浓度高低直接相关，在一定BOD范围内，电信号响应与BOD呈现良好的线性关系[20-23]。在《地表水和污水监测技术规范》中，地表水、集中式饮用水源地、湖泊水库中的BOD均为必测项目，但在2017年底发布的《地表水自动监测技术规范》中，由于仪器设备适用性等原因将BOD作为选测项目实施。随着“自动监测为主，手工监测为辅”水环境监测体系的日趋成熟，加快BOD自动监测仪器研发进程，实现BOD在线自动监测尤为重要[24]。因此，在BOD标准制定上，可以考虑引入“实验室”研究已久的检测方法，推进科学仪器研发成果积极转化，以实现检测配套设施真正的智能化和自动化。

1.2 国内外BOD排放限值现状

由于各国发展情况、技术要求和污染现状等不同，在BOD排放限值上也存在一定差异，表1为各国BOD排放限值。美国乡村起步早，乡村和城市使用相同的排放标准，即《联邦水污染防治法》，该法对BOD5做出规范而未考虑COD，BOD5月平均值限制在30 mg/L，周平均值限制在45 mg/L[25]。欧盟《城市废水处理指令（91/271/EEC）》对BOD5规定年平均值限制在25 mg/L，类似于中国二级排放标准（城镇污水处理厂水污染物排放的主导标准，大部分污水处理厂应达到二级标准的要求）。但该指令并不等同于国内法，各国按照污染综合预防和控制指令（Integrated Pollution Prevention Control，IPPC）和水政策行动框架（Water Framework Directives，WFD）的规定，结合实际制定基于水质的排放限值，确保水质目标的实现[26]。日本深度处理净化槽技术较为成熟，出水水质中BOD5可达到10 mg/L 以下，日本农村分散生活污水排放标准中排放限值根据净化槽处理工艺和技术确定[27]。

表1 BOD排放限值

2 国内BOD检测和排放标准的制定

2.1 国家、行业、地方标准分类及概况

不论国外还是国内，污染物排放标准均分为总体要求和具体要求两个层级。国家和行业标准作为总体控制要求是最低要求，其发布实施有利于优化水环境污染物排放、规范排污单位排污行为、加强落实地方水环境保护力度，地方标准作为国家、行业标准的补充更为严格，为适应中国地域环境差异大、地区之间发展不同步而设[28-29]。由于人类生活质量提高，环境重视程度加深，部分地方标准对BOD排放限值做出强制要求，这些标准的发布实施对推进其他省份标准和国家强制标准建立发挥重要指导作用。

2020年11月份通过的《》对各类标准作用定位进行了明确，关于污染物排放标准的顺序，地方污染物排放标准优先于国家污染物排放标准[30]。地方标准包括综合、通用型标准、行业标准和流域（海城）或者区域型标准。流域（海城）或者区城型污染物排放标准优先于行业型污染物排放标准，优先于综合、通用型污染物排放标准[31-32]。在地方水污染物排放标准中，规范性引用文件均采用稀释与接种法。

2.2 地方强制标准分布及制定

标准按照执行力度划分又可分为强制性标准和非强制性标准。强制性标准是国家法律法规的延伸，是国家治理体系中不可或缺的一部分[33]。《中华人民共和国标准化法》指出：“对保障人身健康和生命财产安全、国家安全、生态环境安全以及满足经济社会管理基本需要的技术要求，应当制定强制性国家标准”[34]。在强制性标准建立上，需考虑实际情况与强制属性之间的关系，综合考量必要性、强制性和引导性[35]。BOD是地方强制性水污染物排放标准中需要检测的一项重要指标，表2为对BOD作出规定的地方强制性标准。截至目前，在地方标准中，对BOD排放限值做出强制规定的有42项。黄河流经的河南、山东、陕西省强制性标准占21项。

对BOD排放限值做出规定的地方强制性标准中，综合、通用型有7项，北京、天津和上海市的水污染综合排放标准中将BOD作为第二类污染物，规定排放浓度限值分级排放，排入不同水域则执行不同级别标准限值；行业型强制标准有15项，在畜禽、制药、化工、食品等行业对BOD排放限值进行了强制规定[36-41]，制药行业要求较为严格，根据不同级别排放要求，BOD排放限值控制在20～45mg/L，集约化畜禽行业控制在140～150 mg/L，可用于还田的畜禽废水BOD则控制在20 mg/L；流域型强制性标准有20项，对流域范围及控制地区进行划分，各排污单位遵守不同控制要求。

各省关于BOD的规定差异较大，主要原因是由于各省水系污染情况和污染物指标不同，图2是中国2005—2019年七大水系3项首要污染物指标。在中国七大水系中，长江水系、珠江水系和松花江水系水质较优，近五年主要污染物中均未出现BOD，水系流经省份的强制性地方标准中，很少一部分将BOD作为检测指标推行；黄河、海河、淮河和辽河水系水质问题较为严重，三项首要污染物中均有BOD，水系流经省份的部分地方标准对BOD排放限值做出强制性规定，且在地方流域型标准中，对BOD的规定较严格。作为黄河、海河、淮河流域或独流入海口，山东省地方标准尤为严格，对境内五条流域分别出台相应标准[42-46]。地方明确关于水污染物排放标准类型，对精准治污、科学治污、依法治污具有重要意义。

表2 地方强制性标准

2.3 标准制定与实施监督之间的关系

标准建立与实施监管对提升中国水环境质量具有重大意义。如图3标准建立与实施之间关系所示，为解决环境问题，法规、标准建立规范，规定的技术内容要紧随行业发展，配合高校、科研机构创新检测方法[47]；地方标准是在国家标准引导下的细化，强制性地方标准的制定实施又提高国家标准对BOD指标的重视程度；国家、行业、地方标准制定后，地方执法部门加强对排污单位的监管力度，企业排污过程中进行自我监督，人民群众积极监督举报，进行不同层面的监管[48]。做到科学建立强制性标准体系，配套相适应管理机制。

3 结论及建议

BOD检测标准体系的建立和健全可以指导科技的进步和产业的发展，与中国水环境保护、污染源控制有着紧密联系，对水环境规划和污水处理工艺提供重要反馈。本文总结国内外BOD相关标准的发展和迭代，以及中国现有BOD排放标准制定状况，目前中国现有的BOD检测标准体系对于检测方法的推动不足且缺少通用标准的力度支撑，目前较难依靠BOD检测标准提升BOD检测的效率和智能集成化发展。因此，提出以下几点建议：

3.1 加强地方BOD标准体系建设，提升水质检测力度

目前，中国关于BOD排放问题的地方标准制定发展非常不平衡，仅山东、河南等少数省（直辖市）制定较为系统、完备的地方标准，重视BOD排放限值标准的建立。随着生态环境保护战略地位愈加凸显，近五年中国陆续出台《水污染防治行动计划》《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》《重点流域水污染防治规划（2016—2020年）》《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021年）》和2020年12月发布的《中华人民共和国长江保护法》。BOD作为环境监测的重要指标，可以实际反映水体污染情况，虽然全国各地在自然状况、经济条件和环境容量上各不相同，各省对BOD排放的规定有松有紧，但长期来看，为了防止出现“先污染，后治理”的局面，各省环境保护厅应重视各项污水检测指标，积极编制地方标准。污水排放不达标、水环境问题突出和具有BOD排放问题地区严格制定法规标准和加大监管力度，水质优良地区综合考虑各种污染物指标，重视BOD对水质的影响。

3.2 提高国内BOD排放重视程度，重视准确、精确检测

在国际上，BOD重要性高于COD，中国对这两项指标重视程度与此相反。2017年5月起，中国将COD在内七项水质指标测定作为强制性国家标准推行，未包括BOD，并且大部分水污染排放标准也更加重视COD的检测。为应接国际标准，也为响应国家对防污治污的重视，中国正在修订的一些标准应重视BOD检测。中国加强对BOD排放的重视，建立更有力度的BOD标准，将会加强企业对污水排放的管理，有利于企业改进新工艺，研制新设备，促进BOD检测行业的发展。另外，国内污水采样的日均值是指“取样频率为至少每2 h一次，取24 h混合样，以日均值计”，存在一定的弊端[49]。一方面污水排放指标易受自然条件影响，无法做到合理反映水质情况；另一方面企业如果在采样的间歇进行多次瞬时排放，无法准确反映是否超标。针对取样方式存在的一些不合理问题，除了加大监管力度，若能做到在线自动监测，既能做到科学合理监测BOD排放浓度，而且将减少“偷排”等违规现象。

3.3 及时更新修订标准技术内容，科研推进检测站位

实现可持续在线BOD监测功能的系统对污水处理厂的运行起着重要作用，并且可以保护人类健康和生态系统免受有害水污染物的影响。但目前中国现行的BOD检测标准，不能充分、及时反映环保检测行业的技术发展，甚至对检测数据的真实性造成影响，需要及时制定或修订相关标准。关于BOD检测方法，近几年大量文献报道了各种新的检测方法，可以克服传统BOD检测中存在的检测困难、检测不稳定等问题。其中微生物燃料电池法在原理上可实现在线检测，无需额外传感器和电源[50]，并且国内外相关研究也积累很多，很有可能进一步标准化。但国内外在标准建立上，并未将其他检测方法考虑在内，因此，很多排污单位为了符合规定依旧采用传统检测方法，很大程度影响对BOD检测方法的创新推进。随着污水监测技术“实时监测”“自动化”“智能化”的发展，实现BOD在线自动监测具有重要意义。在标准制定时，可以考虑将实验室研究推进到具体排污单位的污染物指标检测，如起草“BOD的测定-微生物燃料电池快速检测法”的行业标准，通过标准的建立提高科研和企业等机构关注度，扩大该检测方法研究范围，推动成型产品跟进，建立不同地域、水体的应用示范，通过提高环境执法部门和排污单位的认可度，推进“新”的BOD检测方法的应用。

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Current situation and development of Biochemical Oxygen Demand (BOD) detection standard

Sun Xiaowen, Huang Sijie, Liu Zhidan※

(,,,,100083,)

Water quality monitoring is an essential step in the management of freshwater resources for better ecological civilization. Biochemical oxygen demand (BOD) refers to the consumed amount of dissolved oxygen during the biochemical reaction when the microorganisms decompose into the biodegradable organic matters in water. The higher BOD indicated that the more dissolved oxygen is consumed in water, leading to the accelerated reproduction of anaerobic bacteria, the corruption of organic substances, and the deterioration of water quality. The BOD can also be an important index to reflect the content of organic pollutants in water for the monitoring work of cities, towns, industries, agriculture, and rural areas. However, the actual detection of BOD is still lacking in generality and accuracy. The current standard system of BOD detection cannot fully meet the high efficiency of water environmental protection and intelligent integrated system at present. In this study, a systematic analysis was made on the standards and technologies of BOD detection in the world, including the “first-generation” dilution and seeding, the “second-generation” microbial electrode, and the “third generation” so far. Specifically, fluorescence labeling is the process of binding fluorescent dyes (tryptophan) to functional groups contained in biomolecules. The fluorescence intensity closely related to microbial activities can be converted into the corresponding BOD value. The near-infrared spectroscopy can be used to determine the BOD value, particularly depending on the absorption intensity of substances. A microbial fuel cell depends on the current intensity generated by the cell and transferred the coulomb charge directly related to the anode organic matter concentration. Furthermore, a comparison was made on the formulation of emission limits. The structure and framework of the current BOD standard system were summarized from three aspects, including the national, local, and industry standards. It is highly urgent to define the types of water pollutant discharge standards in the local community. Therefore, it is of great significance for accurate, scientific, and legal pollution control. Moreover, the influencing factors were determined for the establishment of local mandatory standards under the guidance of national regulations and local policies, as well as the promotion relationship between the supervision of law enforcement departments and the supervision of the community. As such, a mandatory standard system can also be established to support suitable management. Three aspects were evaluated, including the standard distribution, strength of formulation, and iteration of testing. Some recommendations were made on the key development direction and revision suggestions of the standard system, including the construction of local BOD standard system, the water quality testing, the domestic BOD emission, the accurate and precise testing, updating and revising the technical content of the standard in time, as well as the testing station under scientific surveys. The finding can provide strong support to promote environment protection and resources utilization for better ecological protection and high-quality development of water systems.

biochemical oxygen demand (BOD); microbial fuel cell; standards; water environment; detection method

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.035

X832

A

1002-6819(2021)-22-0302-07

孙孝雯，黄思捷，刘志丹. 生化需氧量检测标准现状与发展[J]. 农业工程学报，2021，37(22)：302-308.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.035 http://www.tcsae.org

Sun Xiaowen, Huang Sijie, Liu Zhidan. Current situation and development of Biochemical Oxygen Demand (BOD) detection standard[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 302-308. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.035 http://www.tcsae.org

2021-08-20

2021-10-16

国家自然科学基金（51861125103）和中国农业大学2115人才培育发展计划联合资助

孙孝雯，研究方向为农业生物质与能源工程。Email：7cherry@cau.edu.cn

刘志丹，教授，博士生导师，研究方向为环境增值能源、生物质能源技术。Email：zdliu@cau.edu.cn

中国农业工程学会高级会员：刘志丹（E041200655S）