稀释法测定生化需氧量的品管基准与最新趋势

汤 瑜，刘 佳，徐 磊

（湖北省生态环境厅十堰生态环境监测中心，湖北 十堰 442000）

随着工业化进程的不断推进，我国水质污染问题越发严重。大量含有机污染物的生活垃圾、工业废油等排入水体中，导致有机污染物成为影响水质的重要因素之一。生化需氧量作为一种反映水体有机污染物含量的检测方法，在水质检测中广泛应用。目前，生化需氧量的检测方法有稀释法、微生物传感器法、无汞压力法三种，其中，稀释法应用最广。本文分析了稀释法检测生化需氧量的基本原理和品管基准，并介绍了微生物传感器法与无汞压力法的最新发展趋势。

1 稀释法检测生化需氧量的基本原理

1936年，标准稀释法检测水质生化需氧量的技术最早被美国公共卫生协会标准委员会采用。它是国际上历史最悠久、目前应用最广泛的检测水质中生化需氧量的方法，适用于地表水、生活污水和工业废水的检测。我国已废止的《水质 五日生化需氧量（BOD5）的测定 稀释与接种法》（GB/T 7488—1987）与现行的《水质 五日生化需氧量（BOD5）的测定 稀释与接种法》（HJ 505—2009）也采用标准稀释法检测水质中的生化需氧量。

1.1 标准稀释法检测生化需氧量的试验方法

标准稀释法检测生化需氧量的具体试验方法为：将水质样品稀释到所需浓度后，在环境温度为20 ℃的恒温环境下培养5 d或10 d。试验技术人员通过检测并对比恒温培养前后的水质样品的溶解氧含量，计算出水质的生化需氧量（BOD）、五日生化需氧量（BOD5）或十日生化需氧量（BOD10）[1]。

1.2 标准稀释法检测生化需氧量的优缺点

对于被检测水质中某些特定可降解有机物的检测，标准稀释法稳定性高，重复性好。但是，对于生活污水与工业废水的检测，标准稀释法存在一些问题。

首先，标准稀释法的内容多为人们日常检测过程中约定俗成的经验。因此，在恒温20 ℃的环境下检测水质的五日或十日生化需氧量，检测结果并无准确的理论依据与实际应用价值，检测结果也不一定代表实际水质样品的生化需氧量。对于需要准确生化需氧量检测结果的生产企业，如污水处理厂，数据指导作用不强。其次，试验条件为20 ℃恒温培养，这种试验环境与实际水质环境明显不符。同时，受检测过程中使用的菌种种类与水质pH等的影响，标准稀释法的生化需氧量检测数据重复性不高。研究表明，标准稀释法的相对偏差为6%～12%[2]。再者，培养温度要求控制在20 ℃上下浮动1 ℃，对于有机成分复杂的生活污水或工业废水，要想选择适宜的稀释比，必须多次尝试并摸索，较为烦琐。最后，标准稀释法的检测结果为以碳为标准的生化需氧量。实际污水中可能广泛存在一些硝化细菌，这将可能导致检测结果严重偏大，从而影响生化需氧量检测数据的准确性。

2 标准稀释法检测生化需氧量的品管基准

湖北省生态环境厅十堰生态环境监测中心（简称十堰生态环境监测中心）对标准稀释法检测水质的生化需氧量进行长达一年半的试验研究，经摸索与修正，得到标准稀释法检测生化需氧量的品管基准，即改进方法。

2.1 严格控制标准稀释法检测生化需氧量的恒温培养温度

根据十堰生态环境监测中心的检测数据与经验积累，恒温培养过程中，温度每偏差20 ℃上下浮动1 ℃的标准范围1 ℃，就会引起约6%的系统误差。因此，在使用标准稀释法检测水质生化需氧量的恒温过程中，建议直接使用空调与生化培养箱。空调可以调节培养箱外界的大环境温度，使得环境温度与培养箱内温度相差小于5 ℃，降低培养箱的控温难度。生化培养箱可以精确调控水质样品的温度，精度可达0.5 ℃，优质的生化培养箱温度控制精度甚至可达0.1 ℃。

2.2 水质样品pH对标准稀释法检测生化需氧量的影响

待检水质样品的pH也是影响标准稀释法检测准确度的重要因素。研究表明，标准稀释法接种菌种需要最适宜的生长环境，常用的水质样品pH为6～8[3]。在这个pH范围内，菌种氧化速度最快，推广至含多种有机物成分的水质样品时，重复性较高。

2.3 接种基质浓度对标准稀释法检测生化需氧量的影响

根据十堰生态环境监测中心的检测数据与经验积累，接种基质的浓度增加时，水质样品中的醋酸盐氧化速度不明显，丙醋盐和丁酸盐的氧化速度增加较为明显。因此，必须选择合适的基质浓度，保证标准稀释法检测结果的准确性。经验显示，选择五日耗氧率在40%～70%的基质浓度，便可保证标准稀释法检测生化需氧量的准确性与重复性。

2.4 确保稀释水溶解氧含量合适对标准稀释法检测生化需氧量的影响

稀释水中的溶解氧含量稍高，可能会致使恒温培养过程中水质样品的氧气过饱和并生成气泡；稀释水中的溶解氧含量略低，可能会导致氧气含量较低，不足以保证菌种完全氧化水质样品中的有机物。根据十堰生态环境监测中心的检测数据与经验积累，在使用标准稀释法检测生活污水或工业废水中生化需氧量的过程中，将稀释水的溶解氧含量控制在0.008 0～0.009 1 mg/mL较为合适。下面分析获得合适溶解氧含量的稀释水的方法。

2.4.1 恒温法

根据十堰生态环境监测中心的检测数据与经验积累，将纯水（电阻率大于0.1×106Ω·cm）配制的稀释水放置在设置为20 ℃的生化培养箱中24～48 h，获得的稀释水的溶解氧含量约为0.009 0 mg/mL。如果使用超纯水（电阻率大于18.4 MΩ·cm）在设置为20 ℃的生化培养箱中培养120～168 h，获得的稀释水的空白溶解氧含量可降低至0.003 0 mg/mL。

2.4.2 抽气法

研究发现，可以使用特定的抽气与充气工具，通过改变操作条件的压力达到调节各种稀释水中溶解氧含量的目的[4]。

2.5 稀释水的接种对标准稀释法检测生化需氧量的影响

生化需氧量的检测原理是利用菌种将有机物氧化并对比氧化前后来计算含氧量，因此菌种的存在与选择便十分重要。为了降低样品中微生物菌落组对检测结果的影响，水质样品在检测生化需氧量前必须经过高温消毒的前处理。此时的水质样品中原有的微生物已被杀灭，为了进行试验，必须接种微生物。现在常用的微生物接种多为纯种微生物接种与混合微生物接种。

根据十堰生态环境监测中心的检测数据与经验积累，如果采用混合微生物接种，建议直接采用成分稳定且已知的新鲜污水接种。为了保证生化需氧量检测数据的重复性与准确性，十堰生态环境监测中心使用厌氧生化处理水培养并驯化特定纯种菌种进行试验分析。结果显示，使用驯化后的菌种检测的水质样品的生化需氧量数据基本稳定且明显大于新鲜污水接种后的生化需氧量检测数据。同时，驯化后的特定纯种菌种接种浓度对生化需氧量检测数据无影响，仅会影响完全氧化的时间。驯化后的菌种对于营养盐中氮的需求约为6%，对于磷的需求约为2%。

2.6 水样的保存对标准稀释法检测生化需氧量的影响

待检测的水质样品保存期间，生化需氧量也会发生明显变化。十堰生态环境监测中心一般要求在收到样品当天进行水质样品的前处理，并要求送样单位送检水质样品为送检当天新取水质样品。根据有关对比试验研究，对于成分较为稳定的生活污水处理厂最终过滤污水，在环境温度为26 ℃的前提下，当保存3 h或更短时间时，样品的生化需氧量与马上检测的样品数据相比降低5%左右；当存放6～7 h时，样品的生化需氧量将降低15%左右；当存放20～24 h时，样品的生化需氧量将降低21%左右。

2.7 稀释比的选择对标准稀释法检测生化需氧量的影响

根据十堰生态环境监测中心的检测数据曲线分析结果，只有耗氧量保持在40%～70%，稀释比与耗氧量的关系才为线性关系。此时的方法误差最小。标准稀释法测定生活污水与工业废水的生化需氧量时，稀释后水样的生化需氧量应控制在0.000 2～0.000 7 mg/L，因而选择适宜的稀释比是生化需氧量检测试验的重要一环。根据十堰生态环境监测中心的检测数据与经验积累，对于本监测中心经常接收的生活污水与工业废水，选取0.45、0.40、0.25、0.20中的一到两个稀释比便可达到95%的数值重复性。

3 生化需氧量的检测方法最新发展趋势

3.1 微生物传感器法

微生物传感器法检测水质中生化需氧量的原理是将含饱和溶解氧的水样导入流通池中与微生物传感器接触，并给予微生物充分分解有机物的时间。该方法采用流通测量的检测方法，根据输出电流变化值与样品中有机物含量成正比的原理，计算出生化需氧量。对于成分复杂性一般的水质样品，该方法的相对偏差在10%左右。20世纪90年代，日本率先将微生物传感器法设置为标准测量方法，经过长达20多年的发展，该方法操作简单与测量时间短的优势逐步被发掘出来。我国现行的《水质 生化需氧量（BOD）的测定 微生物传感器快速测定法》（HJ/T 86—2002）便对使用微生物传感器法检测水质中的生化需氧量进行了规范性说明。目前，学术界对于微生物传感器法的研究主要集中在使用哪几种微生物制作的微生物膜对于何种特定废水检测具有良好的准确性与稳定性。

3.2 无汞压力法

无汞压力法检测水质中生化需氧量的原理是在密封的培养瓶中使用微生物将瓶内的溶解氧消耗。根据呼吸作用中产生的二氧化碳量与耗氧量相同的原理，瓶内的二氧化碳被吸收剂吸收后，使用仪器分析瓶内压力的升降，计算生化需氧量。对于复杂的水质样品，无汞压力法的相对偏差在5%～8%。与其他两种检测方法相比，该方法具有操作方便、误差更小的优势。但目前我国未将无汞压力法检测水质中的生化需氧量进行规范性说明，因此该方法在业内的推广度较低。

4 结语

生化需氧量是水质监测中的一种重要理化指标。生化需氧量的准确检测对企业的正常生产与环境检测均有重要的指导意义。本文首先概述了稀释法检测生化需氧量的基本原理，之后重点分析了稀释法检测生化需氧量的品管基准，最后介绍了微生物传感器法与无汞压力法的最新发展趋势。因篇幅所限且关于微生物传感器法与无汞压力法的研究不多，这里仅介绍了稀释法检测生化需氧量的品管基准与生化需氧量检测技术的最新发展趋势，相关技术分析中仍有大量理论知识有待研究。