CN101639472A - 一种反应器式bod快速测量方法及测定仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于环境污染监测领域的一种反应器式BOD快速测量方法及测定仪。该测定仪包括混合式生化反应器内放置溶解氧电极和曝气管；和与它们连接的曝气系统，溶解氧转换器、计算机数据处理系统；待测污水和固定化微生物颗粒在测量室中混合、搅拌和曝气，加热控温，使固定化微生物颗粒分解水体中可生物降解的有机污染物，使溶解氧浓度不断降低，然后根据两个稳态之间的溶解氧差值，通过标准曲线即可计算出所测水样的BOD值。本发明解决了传统的生物膜式BOD快速测定仪存在不稳定性、测量结果的重现性差等问题。本发明提出的反应器式BOD快速测定仪具有稳定性好、测量线性范围广、重现性好、对溶解氧仪的精度要求低等优点。
Description
技术领域
本发明属于环境污染监测领域，涉及到水体有机污染的快速监测的一种反应器式BOD快速测量方法及测定仪。具体是在一个由完全混合式反应器构成的测量室中，利用固定化微生物颗粒作为BOD快速测定仪的生物识别元件，以替代目前BOD快速测定仪中使用生物膜，目的在于提高测定结果的稳定性和重现性，并延长生物识别元件的使用寿命。
背景技术
生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand，BOD)表示水体中有机物在微生物氧化作用下所消耗的溶解氧量，单位是mg/L，可代表水体中可生物降解部分有机污染物的污染程度。
目前国外和国内(GB7488-87)主要采用5天20℃培养法测定水样中的BOD值，具体做法是，将水样密封于BOD测量瓶中，在20±1℃于暗处培养5天，然后分别测定样品培养前后的溶解氧浓度，这两者之差即为5d的生化需氧量，计为BOD5。然而，这种方法存在许多不足之处，如测定周期长、操作复杂、重现性差、干扰性大、不宜现场监测等。因此，迫切需要一种操作简单、准确、快速、自动化程度高、适用范围广的新方法来测定BOD。
生物传感器是利用生物(主要是微生物)作为识别材料的传感器，主要由识别材料和换能器两部分组成，识别材料对待测样品中组分产生感应，并产生与待测物质浓度成比例的信号；换能器将这个信号转化成可以读出的数据。
生物传感器BOD快速测定仪是利用生物传感器的原理，以微生物作为识别材料，当样品进入测量室时，水样中的有机物与微生物接触并被微生物分解。微生物在分解有机物的过程中会消耗水中的溶解氧，导致溶解氧浓度降低，利用相应的换能器可以检测到溶解氧浓度的变化，产生相应的信号。这一信号变化的大小与样品中BOD浓度存在一定的线形关系，通过对信号进行处理，可以得到水样的BOD值。由于测定过程在较高温度(一般为20-30℃)下进行，同时对水样进行曝气，因此微生物反应速度加快，大幅度缩短了BOD的测定时间。这就是生物传感器BOD快速测定仪的基本原理。BOD生物传感器的基本组成主要包括生物识别元件、反应器和换能器。
1977年，Karube等首次利用微生物传感器原理成功地研制了BOD测定仪。该仪器由固定化土壤菌群与氧电极构成，可在15min内测得废水的BOD值。但由于微生物酶对固定化微生物膜的破坏，10d后，此传感器便失去活性。
Reiss等(1998)成功地将α淀粉酶等酶与Trichosporon cutaneum菌共同固定化来制备固定化生物识别材料，以提高其BOD传感器在测定高含量淀粉废水时的响应能力及精确度。该传感器的敏感度不仅取决于微生物的代谢活性，也取决于所固定化的酶的量。
Karube和Yokoyama(1993)利用发光细菌Photobacterium phosphoreum构造微生物识别元件，利用微生物和有机物进行生化反应所发出的特殊的荧光的强度来指示废水中有机物的浓度，从而得到水样的BOD值。
Sakaguchi等(2003)利用Escherichia coli作为微生物材料，该微生物能够在降解和代谢水样中的有机物时发出生物荧光。这种荧光的强度与其吸收的有机物量具有直接的线性关系，利用由光电倍增管和光度计或者由无荧光的玻璃或塑料管组成的荧光检测设备，对这种微生物所发出的荧光进行检测，可以很精确地得到水样中的BOD值。
近年来，利用生物传感器快速测定BOD得到了较广泛的研究。
利用生物传感器进行BOD快速测定，国外典型产品有日本的Nisshin BOD-300和德国的Biomonitor；国内有中国科学院武汉病毒研究所研制的MS-1BOD测定仪。因为MS-1与BOD-300在原理和测量方法上基本相同，仅测量室中流态稍有不同，所以不再单独介绍。
BOD-300和Biomonitor仪器在功能上都分为四部分：采样单元，水样转换单元，测量单元，控制、数据记录和处理单元，其中测量单元是传感器的核心构造。这两种仪器显著不同的地方就在于测量单元中微生物的状态：BOD-300仪器中微生物采用生物膜固定方式，这种结构也是目前BOD传感器研究和商品化的典型结构。Biomonitor中微生物处于分散悬浮状态，从而微生物可以和测试水样直接接触。
生物膜式BOD快速测定仪中，虽然生物膜是由生产仪器的厂家提供，可使测量所需微生物得到保证，但这种仪器存在着如下主要问题：
(1)对溶解氧测定仪的精度要求高：该方法中溶解氧探头测量的不是测试水样中真实的溶解氧浓度，而是扩散通过生物膜后的溶解氧浓度，使得电信号减弱了2-3个数量级。所以这种测定方式不仅需要良好的测量环境，而且需要极高精确的溶解氧仪的支持，这就使得整体快速测定仪的价格较高，并且仪器性能稳定性较差。
(2)传质阻力较大：生物膜式的BOD测定方式，其测量范围不仅受微生物自身代谢的制约，而且在很大程度上受固定化微生物的多孔膜的传质控制，导致测量线形范围窄，一般仅能到几十mg/L，大多数样品需要稀释后再进行测量。
(3)生物膜本身存在一些缺陷：生物膜的机械强度较差、易破碎、生物量不易控制，且生物膜的更换比较困难。
(4)存在微生物量与生物膜厚度之间不可调和地矛盾：总的来说，生物膜式BOD快速测定方式采用的敏感材料固定在薄膜中，从传质角度考虑，希望生物膜越薄越好；但从测定的稳定性方面考虑，希望生物量多，但这样会导致生物膜较厚，引起传质阻力增大，溶解氧信号衰减严重。
因此，传统的生物膜式BOD快速测定方式至今没有得到广泛使用。
Biomonitor快速测定仪中，微生物处于分散悬浮状态，虽然很大程度上解决了生物膜方式中存在的问题，但这种测量方法也有其自身的弊端，例如：
(1)它所使用的微生物需测量现场提供：因此它一般仅用于污水处理厂BOD浓度的测定，无法满足远离污水处理厂的天然水体监测。
(2)频繁地更换生物识别材料，会因为微生物活性状态不一致而导致测量缺乏统一基准的问题。
纵观BOD传感器的研究历史、发展现状和实际使用的需要，目前对BOD快速测定仪的研究主要集中在以下几个方面：
1.研究新型的BOD快速测量方式，克服生物膜式测量方法中存在的问题。
2.制作活性高、广谱性的生物敏感元件，提高生物响应的稳定性。
3.在不影响水样BOD水平的条件下对水样进行预处理，如稀释、沉淀重金属等，以提高传感器的响应能力，更真实准确地反映水样的BOD水平。
4.开发更合理、更先进的换能器和信号处理设备，如半导体技术、压电晶体技术等新的传导技术的应用，以及传感器同计算机的结合，将有助于BOD传感器的微型化、便携化和实用化。
发明的内容
本发明的目的是提供一种反应器式BOD快速测量方法及测定仪，其特征在于，反应器式BOD快速测定仪的混合式生化反应器内放置溶解氧电极和曝气管；曝气管连接曝气系统，溶解氧电极连接溶解氧转换器，溶解氧转换器的输出再连接计算机数据处理系统的输入接口；待测污水和固定化微生物颗粒混合液加入混合式生化反应器内。
所述固定化微生物颗粒由高分子凝胶或惰性吸附载体包埋或吸附微生物制备成固定化微生物颗粒，作为生物识别元件，包括固定化酿酒酵母颗粒、固定化活性污泥颗粒。
所述混合式生化反应器作为BOD测量室，由玻璃、有机玻璃、陶瓷或不锈钢等有机和无机材料制成。
所述制备固定化微生物的惰性吸附载体包括活性炭、陶粒或塑料等有机和无机材料。
所述制备固定化微生物颗粒的高分子凝胶包括天然高分子多糖类的海藻酸钠、卡拉胶或琼脂，和合成高分子化合物的聚丙稀酰胺、聚乙烯醇或光交联树脂。
一种反应器式BOD快速测量方法，其特征在于，测量时，固定化微生物颗粒与待测样品在测量室中混合、搅拌和曝气，使其中溶解氧饱和，加热控制温度条件至水样达到预定的测量温度，此时设定为第一稳定状态，使固定化微生物颗粒分解水体中可生物降解的有机污染物，并且消耗水体中的溶解氧，使溶解氧浓度不断降低，导致溶解氧逐级降低至一个新的稳定状态(第二稳定状态)；根据两个稳态之间的溶解氧差值，通过标准曲线，根据线性回归方程即可计算出所测水样的BOD值。
所述加热控制温度条件是采用水浴加热、油浴加热或空气浴加热，利用不同的微生物作为生物识别材料时所控制的温度不同.
所述微生物为细菌包括Escherichia coli，Pseudomonas putida，Bacillussubtillis；真菌包括Saccharomyces cerevisiae，Trichosporon cutaneum，Hansenula anomala；以及废水处理厂中各种工业废水和生活污水产生的活性污泥。
本发明的有益效果是与传统的BOD快速测定方法相比，本发明提出的反应器式BOD快速测定方法具有以下主要优点：
(1)固定化微生物颗粒制备容易、可长期保存，且微生物的种类和生物量可根据检测对象的不同而方便地调节；
(2)避免了传统的膜式测定方法中溶解氧检测信号的大幅度衰减，降低了对溶氧仪精度的要求；
(3)测量过程中，微生物颗粒与水样中的有机物可充分接触，加快了反应速度，缩短了测定时间；
(4)通过调节微生物颗粒的量，可以扩大BOD快速测定的测量范围；
(5)与微生物膜相比，固定化微生物颗粒的使用寿命更长，微生物的活化和保存方式也更简单、方便；
(6)提高了仪器的稳定性和测量结果的重现性。
附图说明
图1BOD浓度范围为5-200mg/l时的测量结果。
图2反应器式BOD快速测定仪的结构原理示意图。
具体实施方式
本发明提供一种反应器式BOD快速测量方法及测定仪。下面结合附图予以说明。
图2所示为反应器式BOD快速测定仪的的结构示意图。图中，混合式生化反应器2内放置溶解氧电极4和曝气管5；曝气管5连接曝气系统6，溶解氧电极4连接溶解氧转换器3，溶解氧转换器3的输出再连接计算机数据处理系统7的输入接口；待测污水8和固定化微生物颗粒1的混合液加入混合式生化反应器2内，该完全混合式生化反应器作为BOD测量室，由玻璃、有机玻璃、陶瓷或不锈钢等材料制成，在这个呈完全混合状态的测量室中，利用固定化微生物颗粒作为生物识别元件，替代目前使用的生物膜或分散悬浮的微生物，提高测定仪的稳定性及测定结果的重现性。
所述固定化微生物颗粒包括细菌(如Escherichia coli，Pseudomonas putida，Bacillus subtillis等)、真菌(如Saccharomyces cerevisiae，Trichosporoncutaneum，Hansenula anomala等)、以及废水处理厂中各种工业废水和生活污水产生的活性污泥，由惰性吸附载体(如活性炭、陶粒或塑料)吸附；和如天然高分子多糖类的海藻酸钠、卡拉胶或琼脂，和合成高分子化合物的聚丙稀酰胺、聚乙烯醇或光交联树脂等包埋制备固定化微生物颗粒，以这些固定化微生物颗粒中的一种作为生物识别元件，提高生物识别元件的机械强度，更方便地调节生物量，延长生物识别元件的使用寿命，且更容易更换生物识别元件。从而可以提高BOD快速测定仪的稳定性和重现性。
利用反应器式的BOD快速测量方法是，在测量时，固定化微生物颗粒与待测样品在测量室中混合、搅拌和曝气，使其中溶解氧饱和，采用水浴加热、油浴加热或空气浴加热，控制测量室温度为30±1℃。使固定化微生物颗粒分解水体中可生物降解的有机污染物，并且消耗水体中的溶解氧，使溶解氧浓度不断降低，导致溶解氧逐级降低至一个新的稳定状态；根据两个稳态之间的溶解氧差值，通过标准曲线，根据线性回归方程即可计算出所测水样的BOD值；其中两个稳态是指第一个稳定状态设定为水样达到预定的测量温度时，第二个稳定状态设定为连续3次电流值读数的变化范围小于0.001μA。
在测定过程中，固定化微生物颗粒处于分散悬浮状态，增加了与有机物的接触，改善了降解有机物的反应环境，提高了检测速度、检测结果的重现性和仪器的稳定性。在测定过程中，固定化微生物颗粒置于一专门设计的网笼中，由一升降机构带动。微生物颗粒与水样接触时即为测量的起点；测量结束后，微生物颗粒由升降机构带动离开溶液。
经过一个样品的测试后，固定化微生物颗粒需要恢复其活性，在曝气条件下用去离子水进行清洗，继续分解微生物颗粒表面及其内部残留的有机物，使微生物处于内源呼吸，以恢复微生物的代谢活力。
固定化微生物颗粒的保藏可采用低温保藏、常温干燥保藏和真空干燥保藏等方式。经过长期保藏的固定化微生物颗粒在使用前需要用营养液进行活化。
下面列举实施例对本发明的测量方法予以说明。
实施例1
用本实验装置进行标准BOD样品的测定。
分别配置BOD浓度为5mg/l，20mg/l，50mg/l，100mg/l，200mg/l的标准GGA溶液，进行测定。试验条件为：水浴30±1℃，曝气量为500ml/min。BOD值为5mg/l的GGA标准液检测达到平衡时间最短，耗时5min，BOD值为200mg/l的GGA标准液检测达到平衡所需时间最长，为13min。
检测结果表明，该仪器的检测范围为5-200mg/l，测量所达到的线形相关系数为0.996，满足BOD快速测量的要求(如图1所示)。
实施例2
利用卡拉胶固定化活性污泥颗粒快速测定BOD
(1)称取2.0g卡拉胶，与100mL去离子水混合，水浴加热至溶化，然后冷却至常温，得卡拉胶溶液；
(2)将取自高碑店污水处理厂的活性污泥进行离心分离，弃去上清液，污泥用生理盐水(0.9％的NaCl溶液)清洗3遍，与100mL按步骤(1)制备的卡拉胶溶液混合，得混合溶液；
(3)在100mL 2％KCl溶液加入1g壳聚糖，得到交联剂溶液；
(4)用0.40mm ID的注射器将(2)中的混合溶液滴加到冷却至35℃的交联剂溶液中，形成直径约为3mm的微生物颗粒，并在其中浸泡5h，然后用生理盐水洗涤固定化微生物颗粒；
(5)利用步骤(4)制备的固定化微生物颗粒作为BOD快速测定仪的生物识别元件，进行标准样品的BOD快速检测。试验条件为：水浴30±1℃，去离子水稀释，曝气量为500mL/min。检测结果表明，固定化活性污泥颗粒的生物活性良好，可以连续使用3个月，其活性基本保持不变，满足测定要求。
实施例3
利用固定化微生物颗粒检测生活污水的BOD值
(1)将取自高碑店污水处理厂的活性污泥进行离心分离，弃去上清液，污泥用生理盐水(0.9％的NaCl溶液)清洗3遍，置于冰箱中冷藏备用；
(2)将15％(w/v)的PVA与1％(w/v)的海藻酸钠加热融解，作为包埋固定化微生物的材料；
(3)将上述的浓缩污泥与按步骤(2)制备的冷却后的包埋材料按照1∶2(v/v)的比例均匀混合；
(4)制备50％的NaNO3和1％的CaCl2混合溶液作为交联液；
(5)用注射器将步骤(3)得到的混合液滴加到步骤(4)制备的交联液中，静置3h，可得直径为3~5mm的微生物颗粒，用生理盐水(0.9％的NaCl溶液)冲洗干净后放入塑料水样瓶、保存在冰箱中。
(6)利用步骤(5)制备的固定化微生物颗粒作为BOD快速测定仪的生物识别元件，检测生活污水的BOD值。试验条件为：水浴30±1℃，曝气量为500mL/min。
实验所用生活污水取自清华大学学生食堂的生活污水，结果如表1所示。
表1生活污水BOD测定结果
结果表明，BOD快速测定值与五日BOD标准稀释测定值在生活污水的测定中结果具有一致性。
实施例4
利用PVA包埋固定化酿酒酵母作为生物识别元件检测BOD
(1)自行培养酿酒酵母，5天后进行离心分离，弃去上清液，菌体用生理盐水(0.9％的NaCl溶液)清洗3遍，置于冰箱中冷藏备用；
(2)将15％(w/v)的PVA与1％(w/v)的海藻酸钠加热融解，作为包埋固定化微生物的材料；
(3)将步骤(1)得到的菌体与步骤(2)制备的冷却后的包埋材料按照1∶2(v/v)的比例均匀混合；
(4)制备饱和硼酸和1％(w/v)的CaCl2混合溶液作为交联液；
(5)用注射器将步骤(3)得到的混合液滴加到步骤(4)制备的交联液中，静置3h，可得直径为3~5mm的微生物颗粒；
(6)将步骤(5)得到的微生物颗粒转置到1M的NaH2PO4溶液中，浸泡约2h，得到直径为3~5mm的微生物颗粒，用生理盐水(0.9％的NaCl溶液)冲洗干净后放入塑料水样瓶、保存在冰箱中；
(7)BOD标准液的配制：利用葡萄糖和谷氨酸配制BOD浓度分别为50mg/L的标准GGA溶液。
(8)利用步骤(6)制备的固定化微生物颗粒作为BOD快速测定仪的生物识别元件，检测BOD浓度为50mg/L的标准GGA溶液，测定条件为：温度控制在30±1℃，曝气量为200mL/min。测定结果的重现性如表2所示。
表2固定化酿酒酵母对BOD5为50mg/L的GGA溶液响应的重现性
对表中的数据进行分析可以看出，重现性试验的测量次数为8次，溶解氧浓度降低值的平均值为0.34mg/L，最大相对偏差为10.7％，满足BOD快速测量要求。
Claims (11)
1.一种反应器式BOD快速测定仪，其特征在于，在反应器式BOD快速测定仪的混合式生化反应器内放置溶解氧电极和曝气管；曝气管连接曝气系统，溶解氧电极连接溶解氧转换器，溶解氧转换器的输出再连接计算机数据处理系统的输入接口；待测污水和固定化微生物颗粒混合液加入混合式生化反应器内。
2.根据权利要求1所述的一种反应器式BOD快速测定仪，其特征在于：所述固定化微生物颗粒为由高分子凝胶或惰性吸附载体包埋或吸附微生物制备成固定化微生物颗粒，作为生物识别元件，包括固定化酿酒酵母颗粒、固定化活性污泥颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种反应器式BOD快速测定仪，其特征在于：所述完全混合式生化反应器作为BOD测量室，由玻璃、有机玻璃、陶瓷或不锈钢等材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种反应器式BOD快速测定仪，其特征在于：所述制备固定化微生物颗粒的惰性吸附载体包括活性炭、陶粒或塑料。
5.根据权利要求1所述的一种反应器式BOD快速测定仪，其特征在于：所述制备固定化微生物颗粒的高分子凝胶包括天然高分子多糖类的海藻酸钠、卡拉胶或琼脂，和合成高分子化合物的聚丙稀酰胺、聚乙烯醇或光交联树脂。
6.利用权利要求1所述反应器式BOD快速测定仪的快速测量方法，其特征在于，测量时，固定化微生物颗粒与待测样品在测量室中混合、搅拌和曝气，使其中溶解氧饱和，加热控制温度条件，使固定化微生物颗粒分解水体中可生物降解的有机污染物，并且消耗水体中的溶解氧，使溶解氧浓度不断降低，导致溶解氧逐级降低至一个新的稳定状态；根据两个稳态之间的溶解氧差值，通过标准曲线-线性回归方程即可计算出所测水样的BOD值。
7.根据权利要求6所述反应器式BOD快速测定仪的快速测量方法，其特征在于，所述加热控制温度条件是采用水浴加热、油浴加热或空气浴加热，控制温度为30±1℃。
8.根据权利要求6所述反应器式BOD快速测定仪的快速测量方法，其特征在于，所述微生物为细菌包括Escherichia coli，Pseudomonas putida，Bacillussubtillis；真菌包括Saccharomyces cerevisiae，Trichosporon cutaneum，Hansenula anomala；以及废水处理厂中各种工业废水和生活污水产生的活性污泥。
9.根据权利要求6所述反应器式BOD快速测定仪的快速测量方法，其特征在于，在测定过程中，所述固定化微生物颗粒置于一专门设计的网笼中，由一升降机构带动；微生物颗粒与水样接触时即为测量的起点；测量结束后，微生物颗粒由升降机构带动离开溶液。
10.根据权利要求6所述反应器式BOD快速测定仪的快速测量方法，其特征在于，所述固定化微生物颗粒经过一个样品的测试后需要恢复其活性，即在曝气条件下用去离子水进行清洗，继续分解微生物颗粒表面及其内部残留的有机物，使微生物处于内源呼吸，以恢复微生物的代谢活力。
11.根据权利要求6所述反应器式BOD快速测定仪的快速测量方法，其特征在于，所述固定化微生物颗粒采用低温保藏、常温干燥保藏和真空干燥保藏方式保藏，经过长期保藏的固定化微生物颗粒在使用前需要用营养液进行活化；其活化微生物颗粒的营养液组成为：500mg/l由葡萄糖和谷氨酸按质量比1∶1组成的BOD营养液，将固定化微生物颗粒置于活化液中，并且曝气，活化时间为4h。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100203 |