水中BOD及DO含量測定與分析
1 前言
隨著人口的增長和工農業發展，我國的用水量急劇上升，水質嚴重惡化，水資源的供需矛盾日益尖銳。為解決人類面臨的資源環境問題，越來越多的部門參與到水質監測中，測量次數和頻率逐年增加。1936 年美國公共衛生協會將五日生化需氧量稀釋法規定為水和廢水的檢驗方法，從而形成了標準稀釋法(BOD5 法) ，并為ISOPTC2147 推薦，我國1987 年將此方法頒布為水質分析方法GB7488287[1]。生化需氧量作為水質監測指標被廣泛應用，在廢水監測中起著不可替代的作用。
與此同時，天然水中溶解氧(DO)的含量是評價水體、水質和水體自凈能力的重要指標，也是水產養殖業、自來水廠、污水處理廠和水質監測部門必不可少的測定項目[2] 。建立溶解氧測量體系，使其測量結果在國際國內達到準確一致，至關重要。但由于經典方法中或多或少都有監測耗時長、時效性差和操作煩瑣等缺點與不足，限制了指標的應用，這也使生化需氧量與溶解氧的監測技術的研究一直沒有中斷。BOD5與DO有密切的關系，本文將對有關的測量方法進行綜合、比較與分析探討，以期對進一步的研究有所參考價值。
2 生化需氧量的測定
2.1 標準稀釋法
生化需氧量是反映水質污染程度的一個重要指標，其經典測定方法是稀釋接種法，又稱標準稀釋法。標準稀釋法是生化需氧量測定的經典方法，是比對考核、仲裁分析等采用的方法[3]。目前標準稀釋法BOD5的測定，指經中和及除去毒性物質或經稀釋后的水樣(必要時加入適量含好氧性微生物的接種液，以使水樣中含有一定數量的對有機物有降解能力的微生物)置入密閉容器(培養瓶)中，于20 ℃暗處放置5d，由測定最初的溶解氧量和5d后的溶解氧量，從而計算出在5d期間的消耗氧量，根據稀釋倍數求出BOD5值。微生物分解有機物是一個緩慢的過程，大致可分為兩個階段:第一階段主要是碳水化合物被氧化，稱為碳化階段，在20℃下要7～20d才能完成;第二階段是含氮化合物在硝化細菌的作用下被氧化為氨，當水中的氧充足時，再被氧化為亞硝酸和硝酸，稱為硝化階段。第二階段進行緩慢， 20℃下需100多天才能完成。一般來說，經過5d的生化過程，碳化階段已進行了大半，大量的吸氧過程已經過去，并開始進入硝化階段。因此，目前國內外均采用20℃培養5d的生化需氧量作為水體質量的重要參數。
生化過程的復雜性導致影響BOD5測定的因素很多，溫度、pH、重金屬和合成洗滌劑都會通過影響微生物的活性和增長速度影響測定結果。人們開始嘗試利用已知的微生物菌液做接種液，Lee 和Oswald[4] 采用混合的已知微生物接種，發現有明顯的后置期。Young 用從污水中分離出的六種微生物分別進行BOD5 實驗，對照用污水接種的結果表明對照組的BOD5 值偏高。1995 年日本ItsuseiFujita 用制備的標準化菌種測定葡萄糖二谷胺酸標準溶液結果令人滿意，穩定性和精密度比用天然河水等做接種液有了明顯提高。下面對有關影響因素作具體分析。
2.1.1 稀釋水
通常情況下是指在500mL水中，加入lmL磷酸鹽緩沖液、1mLMgS04溶液lmLCaCh溶液和lmLFeCl3溶液，再稀釋至1000mL后混勻。稀釋水中的溶解氧要求在8-9mg/L之間(20℃)，并且稀釋水自身的BOD5應小于0.2mg/L。BOD5的測定過程是一個生物氧化過程，微生物的生長繁殖均需要一定的無機營養元素，而N和P是最基本的無機營養素[5]。因此，在標準測定方法中，必須加入各無機營養物質。若想比較準確地了解水體的納污能力，準確測定水體的BOD5數值，根據納污種類的不同，納污水體中的營養物種類不同，一般需要直接使用納污水體作為稀釋水。但是若選直接水體作為稀釋水，水體中所含的部分藻類不僅會消耗溶解氧，也會因為無光合作用而死亡，然后作為有機物消耗溶解氧，造成較為嚴重的正誤差。因此，稀釋水的選擇也甚為重要。
2.1.2 接種
接種稀釋水是BOD5進行質量控制的首要問題，要獲得理想的接種水，就必須對接種液進行認真科學的選擇，接種液的來源之一是生活污水，生活污水不宜用剛排出的生活污水，最好采用污水井蓋下靠井壁位置的水，因為此處污水停留時間長，有利于微生物繁殖生長。在北方冬天天氣寒冷，菌種生活能力差，可采用室內培養菌種；接種液的另一來源是花園土浸出液，采集花園土時要考慮季節和溫度，春秋季陽光充足溫和，適合細菌及微生物繁殖，可從淺層2～3cm處采集;夏季則因溫度過高，太陽光直射的緣故要在離地表5～6cm處采集，否則細菌及微生物太少;冬季溫度又太低，采集的土樣要經增菌方能使用，稀釋水接種時還應考慮到接種液的濃度、均勻性及加入量。
2.1.3 水樣的稀釋倍數
稀釋接種法中，稀釋比的選擇是一個至關重要因素。正確的稀釋倍數，應使培養后剩余的溶解氧濃度為原始濃度的1 /3 - 2 /3之間，或消耗的溶解氧在2mg/L以上，而剩余溶解氧在1mg/L以上。為了獲得正確的稀釋倍數，首先需要仔細分析水樣的特點，然后再確定稀釋倍數的大小。若水樣是溶解氧含量較高，有機物含量較少的清潔地表水，可以不經稀釋直接進行生化培養。對于那些已受污染的廢水、工業廢水等，則必須先稀釋再培養。
2.1.4 溶液酸堿度的影響
由于降解有機物的微生物只能在pH = 6.5-8.3的范圍內存活，因此在標準監測方法中規定，稀釋水的pH值必須用緩沖溶液調至7.2[5]。
2.1.5 測定溫度
溫度不僅對化學反應有較大的影響，對生化反應也有明顯改變。—般說來，溫度升高，反應速率加快，有機物的氧化速率隨之加快，溶解氧的消耗量也會發生變化。所以，標準監測方法中規定統一的生化培養溫度在20℃。
2.1.6 毒害物質的影響
在測定醫藥、醫療、化工、農藥、造紙等廢水的BOD5值的時候，尤其要注意的是水樣中的各種不同的化學元素(例如: Cd、Cr (V1) 、Cu、Pb、Hg、Ni、Ag、Zn等重金屬離子)和化合物(例如:消毒劑、有機農藥等)會對微生物產生較大的毒性作用，致使生化培養過程終止，測定結果產生較大誤差。
2.1.7 溶解氧
一般稀釋水的溶解氧控制在8 ～9mg/L 間較為合適，稀釋水中的溶解氧過高或過低都會導致BOD5 試驗失敗。過高時在培養過程中會因飽和溶解氧自行逸出，
造成BOD5 測定值的正誤差;過低則不足以氧化水樣中的有機物。另外，冬季采集的地面水，水溫通常低于20℃，尤其在北方，水溫可達0℃對于較清潔地面水，溶解氧含量通常過飽和，若不將水溫提高即直接測定，同樣會因過飽和溶氧的自行逸出而造成測定誤差。
由于溶解氧與BOD5關系密切（水樣經稀釋后在約20℃條件下培養5天，求出培養前后水樣中的溶解氧的含量，二者的差值即BOD5），下面將著重就溶解氧這一重要影響因素的測定進行分析。
溶解氧(DO) 是評價地面水質的重要指標，它的測定是環境監測中常見的檢測項目，在工業、農業、醫療和科研等各個領域也有廣泛的應用。目前測定溶解氧的方法主要有:碘量法、電化學探頭法和光度法等。
2.1.7.1 碘量法測定水中溶解氧
目前，在環境監測工作中，測定溶解氧較為常用的標準方法為碘量法。對較清潔的無干擾的地表水可直接測定其溶解氧[6]。它的原理是：在水樣中加入硫酸錳和堿性鉀，水中的溶解氧將二價錳氧化成四價錳，并生成氫氧化物沉淀。加酸后沉淀溶解，四價錳又可氧化碘離子而釋放出與溶解氧量相當的游離碘。以淀粉為指示劑，用硫代硫酸鈉標準溶液滴定釋放出的碘可計算出溶解氧含量[7]。
2.1.7.2 電化學探頭法測定水中溶解氧的研究
電化學探頭法自動化程度高，使用方便，人為誤差小，適于自動連續測量因而也較常用。
2.1.7.2.1 測定原理
氧敏感薄膜電極由兩個支持電解質相接觸的金屬電極及選擇性薄膜組成，薄膜只能透過氧和其它氣體，而水和水中的溶解性物質則不能透過。透過膜的O2 在電極上還原，產生微弱的擴散電流，在一定溫度下電流的大小和水樣中溶解氧的含量成正比[9]。
2.1.7.2.2 溶解氧測定儀的使用注意事項
用儀器法測定河水中溶解氧時，有時會出現溶解氧飽和度> 100 %的現象。造成這種現象主要有以下幾個原因:
①淌的河水遇到大石塊時，可能產生大量的氣泡;
②刮大風時，被掀起的河水，含有大量的氣泡;
③富營養化的河水;
④儀器自身的誤差。
2.1.7.3 水中溶解氧現場快速測定方法
水中溶解氧現場快速測定方法是基于手持式光度計的現場光度法。因其簡單、快速、靈敏、可靠而受到普遍歡迎[10]。用光度法測定溶解氧的試劑有亞甲基藍以及靛藍試劑等染料。靛藍試劑因其靈敏度高而受到關注，但是在制備還原態的靛藍試劑時必須使用劇毒的氰代硼氫化鈉，使得其應用受到限制如采用廉價易得的無毒試劑制備還原態的靛藍試劑，并在此基礎上添加輔助試劑，制成了一種測定溶解氧專用的液體試劑。將此試劑封裝在特制的玻璃管中，分別采用目視比色和手持式光度計定量測定水中的溶解氧含量，結果令人滿意。
2.1.7.3.1 測定原理
測試管中的測試液能與水樣中的溶解氧快速定量地反應形成有色化合物，有色化合物顏色的深淺與水樣中的溶解氧含量成正比。通過與標準色階對照，
得到水樣中溶解氧的含量。反應式:
O2 +Ln + Qm →[O2Ln ] m - [ (Q+ ) m ]
式中左邊Ln 、Qm 代表顯色劑的還原形式，為無色，經離子締合反應生成氧化形式的有色絡合，。該反應是比色法測定溶解氧含量的一個特征反應。
2.1.7.3.2 影響因素
（1）零值偏移
由于電解液雜質化學活性的影響，電極各部件絕緣不良的漏電，電極材料的不純，制造工藝的控制不嚴等，都造成電極具有殘余電流。
（2）示值誤差
溶解氧校準溶液的制備方法有從過飽和狀態制備和從不飽和狀態制備兩種方法，兩種方法都可用鼓泡和非鼓泡來實現。用不飽和的鼓泡法，其優點是操作簡單、平衡時間短(1小時) ，該方法不僅對儀器示值誤差進行了檢定，而且通過設定恒溫槽的溫度對儀器的線性也進行了檢定。
在各種測量溶解氧的方法中碘量法是溶解氧仲裁測量法，準確度高，但分析過程復雜繁瑣、速度慢，不利于現場或野外作業，費時費力，誤差控制比較困難，實驗中間過程多；電化學探頭法可在現場進行測定，人為誤差較小，不受水樣色度、濁度及化學滴定法中干擾物質的影響，溶解氧測定儀不但可直接測定水溫、氣壓、溶解氧的濃度，還可直接換算成飽和度后顯示于屏幕上，適于自動連續測量，但水樣中含硫化物藻類碳酸鹽油等物質，會使薄膜堵塞或損壞，這時應及時更換薄膜。采用儀器法和化學法測定溶解氧，結果存在規律性的差異，在清潔的水域(湖庫為主) ，溶解氧含量很高，接近飽和或過飽和，此情況下儀器值略低于化學值，原因是儀器探頭表面水的流速(或探頭移動)不夠快，使大量的氧分子無法同時透過膜，導致結果偏低一點;在有污染的水域，溶解氧含量較低，且隨污染的增加而下降，同時水中還有其它污染物如亞硝酸鹽等還原性成分，此情況下儀器值略高于化學值，原因是儀器法不受還原性物質的干擾或干擾小于化學法。光度計法提供了一種快速、簡便、抗干擾能力強的水中溶解氧的測定方法，解決了溶解氧的現場測量問題；光度法與化學法相比具有快速、簡便、成本低、抗干擾能力強等特點。在環境監測、石油、開采、水產養殖等領域應用前景廣闊。
2.2 基于BOD5測定的改進方法
稀釋接種法的改進測定方法主要有測壓法、增溫法、微生物傳感器法等。
2.2.1 測壓法
微生物呼吸作用而產生的與耗氧量的量相當的CO2 氣體被吸收劑吸收，使密閉系統的壓力降低，可由壓降求出水樣的BOD5 值[11]。通過改造差壓式直讀BOD5測定儀的測量系統和水樣培養系統，有效地提高了該儀器的靈敏度和精密度，實現了BOD5 值小于3mgPL 樣品的測量，并可連續測量和直讀觀測。
2.2.2 增溫法
增溫法就是適當提高反應溫度，激化微生物的活性，加速微生物的分解作用，縮短培養周期，達到快速測定。Karube I [12] 根據BOD 反映動力學原理，提出了增溫法快速測定BOD5 培養時間計算公式，并計算出了適用絕大多數水樣的通用增溫培養時間，他通過對增溫法理論上的準確性和可行性的分析，證明增溫法是可行的。張金華[13]也認為可在35 ℃培養215 天，即可用BOD352.5 來代替BOD205。
微生物傳感器法
在報道的眾多BOD 傳感器當中，采用的單一菌種有枯草芽孢桿菌、皮狀絲孢酵母、假單胞菌、異常漢遜氏酵母等;混合菌種有枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌的混合菌種、皮狀絲孢酵母和地衣芽孢桿菌的混合菌種和活性污泥等。單一菌種的BOD 傳感器往往穩定性和重現性好，傳感器響應線性范圍寬，但所能檢測的有機物的種類和適用的廢水類型有限。使用混合菌種可使BOD 傳感器廣普性高適用范圍廣，但傳感器響應線性范圍窄、穩定性較差。吳雷等[14]曾使用天津賽普環保科技發展有限公司研制出220A 型流通式BOD 快速測定儀測定水中生化需氧量。220A 型流通式BOD 快速測定儀操作簡便，自動化程度高，響應時間短，對標準樣品、地表水、生活污水、工業廢水進行了精密度、準確度的實驗，與標準BOD 5 天法實驗進行了對照分析，得到了準確可靠的結果，也是對微生物傳感器法很好的說明，下面是對其測定結果的分析。
2.2.3.1 底液的選擇
底液選擇的目的其一是為了保證測試液的pH值能維持在7.12 左右，其二是磷酸根能與一些干擾的重金屬離子形成難溶物，從而降低干擾[14]。
2.2.3.2 測試溫度和pH 值的調整
220A 型流通式BOD 快速測定儀，提供了精密恒溫控制器，通常選擇控制在31 ℃，開機后預熱1 小時左右使恒溫控制罐內的溫場穩定后方可進行測量，否則溫度的差異會帶來較大的測量誤差。通常的標準樣品與水樣無須對水質的pH 值進
行調整，但對特殊的水樣(過于偏酸性或偏堿性的水樣) 應在操作前進行pH 值調整，使其pH 值達到7.0左右。
2.2.3.3 工作線性范圍和響應時間
工作線性范圍: 在測定方法確定條件下的BOD工作曲線，其上限可為60mg/ L ，下限為2mg/ L 。為了縮短分析時間，通常上限控制在BOD35mg/ L以下為好。值得指出的是每次微生物膜更換時，應對工作曲線重新進行校正。響應時間(從樣品進入蠕動泵管口到儀器輸出電位下降至穩定所需時間):分別對BOD3～60mg/ L 的水樣進行測定，最大為8 分鐘。
2.2.3.4 有害金屬離子的影響
通過實驗得到: Co2 + 在50mg/ L 以下;Mn2 + 50mg/L 以下; Zn2 + 10mg/ L 以下; Fe2 +50mg/ L以下;Cu2 + 25mg/ L 以下;Hg2 + 5mg/ L 以下對測定結果不會產生明顯的干擾[14]。
3 生化需氧量各種測定方法的比較
營養鹽濃度、光照及硝化作用等因素對BOD5 的測定有一定的影響，在測試過程中應注意對這些因素的控制，使其符合規定的條件。簡化操作、實現快速測定和提高測定的穩定性、可靠性是BOD5測定的主要問題。接種是標準稀釋法要解決的技術關鍵，而DO過高或過低關系到BOD5試驗的成敗，所以也要選擇合適的方法進行DO的測定，以保證測BOD5時水樣有一個合適的溶解氧值;微生物膜傳感器法能快速反映各種水體的BOD5，是本領域發展的方向，但普適性不高，響應菌株和配套微生物固定化技術是傳感器方法的技術關鍵，決定著方法的適用性和穩定性，如何適應強酸堿、毒害、高鹽度等的特殊水質環境是傳感器法要解決的主要問題。通過篩選、馴化獲得廣普、高效、對特殊測定環境適應強的菌株;多種菌種協同作用機制的研究;開發新的固定化材料和固定化技術，提高固定化膜的響應穩定性和使用壽命，使固定化微生物膜標準化，是傳感器研究的主要工作內容。測壓法操作簡便，測定值可直讀、便于隨時觀測，測定成本低。下面將測定BOD5與DO的各種方法進行列表小結：
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4．結語：
水是人類社會的寶貴資源，是人類賴以生存的主要物質之一，由于人類的生活、生產活動，將大量未經處理的工業廢水、生活污水及其他廢棄物，往往直接排入環境水體，造成水資源的污染，水質惡化，使淡水資源更加短缺。隨著社會對水資源、水環境的不斷重視，建立我國生化需氧量及溶解氧測量體系，提高測量結果的準確性和可比性，已刻不容緩。BOD是河系水質監測中較為重要的指標，由于樣品可保存時間較短，測定周期較長，試驗一旦失敗將無法補償，所以合適的測量方法很重要。DO的含量與大氣壓、水溫、含鹽量等因素有關，大氣壓降低、水溫升高、含鹽量升高都會導致DO下降。在廢水生化處理過程中，DO是一項重要的控制指標。眾所周知，BOD與DO結合其他指標可以很好的反映出水質的好壞，結合實際工作條件，選擇合適的測定方法，實現經濟效益、社會效益、環境效益的統一，是環境工作者要達到的目的[15]。
參考文獻:
[1] 水和廢水分析方法(第四版)[M].北京:中國環境科學出版社
[2] 陳浩等.水中溶解氧的測定,分析科學學報2005,21（2）
[3] 崔建升等.生化需氧量(BOD) 測定技術進展,中國環境監測2006,22（3）
[4] Lee E W,Oswald WJ . Sew. Ind. Wastes ,1954 ,26 :1097- 1108.
[5] 韓冬青.BOD5 測定的影響因素分析,內蒙古環境保護,2006,18（2）
[6] 王琪等.碘量法測定水中溶解氧有關問題的探討及改進,干旱環境監測,2006,20（3）
[7]環境監測（第三版）.高等教育出版社.
[8]景立新等.膜電極法測定水質中溶解氧,中國衛生檢驗雜志2002,12（6）
[9]張哲. 電化學探頭法測定水中溶解氧分析方法的介紹,新疆環境保護2001 ,23(2)
[10] 楊蕊等. 溶解氧的快速現場測定,高等學校化學學報,2002(8)
[11] 張愛麗等. 差壓式直讀BOD5測定儀的改造[J ] . 分析儀器,1998 ,3(6)
[12] Karube I , Matsuda S , Matsunaga T, Mitsuda S , SuzukisJ . Ferment. Technol. , 1977 , 55
[13]張金華.增溫快速法測定BOD及其準確性的評價[J].環境保護,1995(11)
[14] 吳雷,張玉惠,220A 型流通式BOD 快速測定儀實驗研究,現代科學儀器,2001（5）
[15] 蒲瑞豐等.溶解氧測量探討,測量與設備,2003（7）
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
