CN103528915B - 智能型压感式bod测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能型压感式BOD测定仪，属环境监测领域。仪器采用压感原理，将压感集成模块、DIP恒温反应瓶和微波传输模块结合在一起，利用微机控制和人机沟通系统，智能执行并提示完成工艺控制流程。DIP恒温反应瓶对水样充分搅拌、快速充氧和恒温调节，由压感和温度模块相互修正，使水样的溶解氧和温度达到平衡和动态平衡。压感模块持续、精确的记录下各反应瓶内的压力值，经微波无线传输至测定仪，由测定仪统一换算成各水样的BOD值，并同步显示、图析、打印、存储和传输。同时测定结果被反传至压感集成模块，独立显示出各自反应瓶内被测水样的BOD结果。本发明具有测量范围广、精度高、操作简单安全等优点，适合普遍推广应用。

Description

智能型压感式BOD测定仪

技术领域

本发明涉及一种水质污染监测用压感式BOD测定仪，特别是一种智能型压感式BOD测定仪。属于环境水污染监测领域。

背景技术

随着社会、科技的进步和快速发展，影响人类生存环境的各种环保类问题，已引起了世界各国的重视。化工、印染、制造等工业废水和人们日常的生活污水排放，直接影响到了地表水和地下水资源。这些都关系着人类的健康和动植物的生存。我们知道在工业和生活废水中存在着种类繁多的有机污染物，要单独测定其中某一成分的含量是非常困难的。然而，这些有机污染物对周围环境的危害在于，氧化反应过程中会对水中的氧气进行消耗，引起水体缺氧失去本身的自净能力。故在实际应用中都以消耗氧量来表示水体受有机物污染的程度。

生物化学需氧量(Biochemical Oxygen Demang，BOD)是一种表示有机物污染程度及衡量生化处理过程中净化效率的综合性指标，代表了水体中有机物在微生物氧化作用下所消耗的溶解氧量(通常以mg/L或ppm为单位)。自1913年由英国皇家污水处理委员会正式确定以来，在水质评价过程中得到了广泛的应用，对水体的环境保护具有重要意义。水体中有机物含量多，消耗的溶解氧就多，生化需氧量也就高。通常有机物质的生物化学氧化反应分为两个阶段：第一阶段为碳氢化合物氧化为二氧化碳和水，称为碳化阶段，在20℃条件下需要20天，但在第5天时可达68％左右；第二阶段是氨被氧化为亚硝酸盐及硝酸盐，称为硝化阶段，欲达到完全稳定状态，在20℃时需100天左右。因时间比较长，除长期研究工作外，无实际应用价值。1936年由美国公共卫生组织协会，将20℃五日生化需氧量稀释法作为标准方法沿用至今。

在此期间，国内外同行业中的科研单位和企业技术人员，在不断地研究和探索过程中，对BOD的检测方法进行了改进。迄今为止有：稀释接种法、瓦勃呼吸法、短日时法、电呼吸计法、高温法、活性污泥曝气降解法、空气压差法、相关系数估算法和微生物传感器法等。这些测定方法中大部分因技术、方法、材料等问题的限制，导致测定结果不可靠，最终没能推广普及。通过大量的业内市场调查，目前BOD测定仪最常用到的方法有：稀释接种法、微生物传感器法和压差法。

我国环境保护部在2009年10月20日，颁布了最新的中华人民共和国国家环境保护标准HJ 505-2009《水质五日生化需氧量(BOD5)的测定稀释与接种法》，将稀释接种法作为标准在国内进行普及，但未做强制推广。根据该标准的要求，水样在测定前必须先根据其特点进行相应预处理，环节有：pH调节、去除余氯、水样均质及筛滤、调节含盐量、曝气等，对于一些特殊水样还需要进行稀释和接种处理。最后，要将水样密封在溶解氧瓶中，在(20±1)℃的恒温箱中培养5d+4h，在该过程中，需要测定出水样培养前、后的溶解氧质量浓度，通过培养前后的溶解氧浓度偏差，计算出水样的BOD结果。

依附该方法和原理改进的现有技术中，在中国实用新型专利说明书CN 201757753U中公开了一种反应器式BOD快速测定仪，该测定仪含有控制装置、测量室、采样室、增氧泵、升降机构、微生物网笼等，通过升降及吊杆机构组合，对溶解氧的精度要求低，测量范围大，测定时间短。在中国发明专利申请公开说明书CN 102262123A中也公开了一种反应器式生物传感器BOD快速测定仪，采用集成控制系统与进出液控制系统结合，用计算机集成系统将温度探头、液位探头、电极等进行集成控制，实现自动化管理控制。精确控制反应器中的温度，使微生物的活性保持在同一水平线上进水与出水和曝气。反应阶段所消耗的溶解氧就可以控制在同一数量上，搅拌与曝气使水中的溶解氧达到平衡。颗粒与微生物反应消耗水中的溶解氧，通过测定出溶解氧前后差值进一步测量出对应的BOD值，能自动显示测量的BOD值。

这两种反应器式BOD测定仪的特点是，都用自控系统代替了繁琐的操作工序，却忽略简化了基础原理中，要求对水样进行预处理的环节。用固定化微生物颗粒及流量控制系统，代替了稀释和接种流程，却忽略了微生物菌种对各类不同废水的分解和适应能力。都设置了反应器(测量室)却因技术局限，改变了恒温培养的条件，提供了一个高于室温的培养环境，无法使水样在要求的(20±1)℃的恒温条件下活性分解，以此来缩短测量时间，导致无法正常完成生物碳化过程。最关键的是完全依赖于溶解氧电极的测定结果，探头校准繁琐、开环流程、可靠性不高，从而不能稳定真实的反应水样的BOD浓度。

随着科技的进步，微电子学、材料科学和生物技术的快速发展，微生物传感器便运用而生了。它是一种由固定微生物细胞的生物膜与电化学装置结合成新型传感器。适用范围广泛，种类已达六七十种，分别应用于食品与发酵工业、生物工程、医学和环境监测领域。自1977年Karube使用活性污泥混合菌制出第一支B0D传感器至今，已报道针对不同水质的BOD传感器已有数十种。其中最有影响的是日本人Shuichi Suzuki发明的生物膜BOD快速测定法，可在30分钟内快速检测BOD浓度，并且操作过程非常简单。

我国环境保护总局于2002年1月29日，颁布了中华人民共和国国家环境保护行业标准HJ/T 86-2002《水质生化需氧量(BOD)的测定微生物传感器快速测定法》，正式推广该方法。这种生物传感器法因其能快速的检测出BOD结果，得到了快速的推广和应用。原理是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，利用相应的电化学装置作为换能器(氧电极)检测溶解氧的变化，这一信号变化的大小与样品中BOD浓度存在一定线性关系，通过对信号进行处理，可以换算出水样的BOD值。

近些年来围绕微生物传感器法，派生出了种类繁多的各类快速测定法，中国实用新型专利说明书CN 201508344U中公开了一种BOD测定仪，依次设置有电极、电极外壳、微生物膜、流通池、初液嘴和进液嘴。采用微生物电极法进行检测，原理基于微生物对有机物的耗氧代谢，测定BOD只涉及到初始氧化速率。可在10-15分钟内完成一个样品的测定。此类方法从其发展和应用效果来看，曝露出相当大的问题，微生物传感器就像一个瓶颈，制约着该方法的普及使用。第一，受生物膜固化技术和生产工艺的约束，生物膜上固化的微生物品种和数量有限，在实际应用中常遇到各种类型的污水样品，很容易会出现超出固化微生物所能分解的有机物成分，从而造成适用范围小，结果不可靠、偏差较大、重现性差等一系列问题。第二，固定与溶氧电极膜上的微生物的活性会随时间而变化，因此经常需要更换、活化和校正。第三，当样品中的有机物浓度超过一定范围时，膜上固定微生物的氧气消耗速率便不再增加，达到饱和，导致测量范围较窄。第四，生物膜本身的性质对于测试结果也有相当大的影响，如膜的厚度，内部孔径等。第五，废水中常见的各种重金属、悬浮物和游离氯对测定均有较大干扰。部分污水甚至可直接杀死生物膜中的微生物，导致无法使用。

测定BOD指标还有一种方法就是压差分析法，指在一定温度环境下，通过测定BOD培养瓶中，微生物氧化分解有机物时消耗的氧气，所形成的负压压降值，根据该压降值换算出水样中的BOD浓度。分析原理是：将水样及接种液按照要求比例混合加入培养瓶中，培养瓶与压力检测仪之间密封连接，用压力仪检测培养瓶中的压力变化。分析开始时，培养瓶内空气中的氧气与培养液中溶解氧处于平衡状态，当微生物氧化分解水样中的有机物时开始消耗水中的溶解氧，瓶中空气的氧与培养液中溶解氧的平衡被打破，空气中氧气向液体中扩散溶解，空气中的氧气分压下降，检测仪的读数越大说明BOD值越高。另外，微生物在氧化分解水体中有机物的过程中，会释放出二氧化碳进入培养瓶上部空气中，通常在培养瓶上部放置一个吸收杯，内置固体氢氧化钾用于吸收二氧化碳，这样检测仪测定的压力变化就是微生物消耗氧气分压的变化。该方法存在以下弊病：测试过程受温度影响较大，整个过程必须在恒温箱内进行，操作复杂。因仪器在恒温箱内放置，在试验准备、观察工作状态和记录数据时很不方便。反应瓶与压力测试仪之间用导管密封连接，存在漏气隐患，压力计中的水银为剧毒，放置和收集过程非常危险，安装和放置时较为繁琐。测量结果必须通过人工计算得到，存在人为误差隐患。

发明内容

本发明针对上述现有BOD测定仪存在的问题作出改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种智能型压感式BOD测定仪，克服溶氧电极法和生物膜测量方法中存在的一系列问题。采用压感式测定原理，将压感集成模块、DIP恒温反应瓶、微波传输模块和电磁搅拌组件结合在一起，利用微机控制和人机沟通系统，智能执行并提示完成工艺控制流程。由DIP恒温反应瓶对水样充分搅拌、快速充氧和恒温调节，在压感和温度模块相互修正状态下，使水样的溶解氧和温度达到平衡和动态平衡。压感模块持续、精确的记录下各反应瓶内的压力值，经微波无线传输至测定仪，由测定仪统一换算成各水样的BOD值。智能完成测定结果的同步显示、图析、打印、存储和传输。同时测定结果被反传至压感集成模块，独立显示出各自反应瓶内被测水样的BOD结果。并且可根据需要设置样品培养时间、自动打印时间、数据自动传输、搅拌模式等功能。该测定仪智能化高，操作简单方便直观，摆脱了对溶解氧探头和微生物探头的依赖，摒除了测定结果的不稳定因素。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：智能型压感式BOD测定仪由测定仪主机、DIP恒温反应瓶和压感集成模块组成。DIP恒温反应瓶分内外两层，内层为反应瓶，外层为隔温瓶，内外层瓶体的中间夹层抽真空，形成保温层，内层反应瓶底部外露，安装有半导体制冷片，瓶壁上安装有两个对称分布的温度探头，整体固定并套接在瓶体底部的瓶托内。DIP恒温反应瓶通过反应瓶限位连接座上的两个信号转接插头及限位栓与测定仪主机连接。在测定仪主机中设置有微波传输模块，独立的数据接收器通过USB端口与PC机连接，可实现数据无线传输及联网。压感集成模块中集成有超稳型压力传感器、微波传输模块、信号处理电路和液晶屏，在外部面板上设置有操作薄膜按键。测定仪主机中设有九组独立控制的电磁搅拌组件，依次位于反应瓶限位连接座下方，与DIP恒温反应瓶垂直对应，电磁搅拌组件由六个对称的电磁线圈组成。

为了提高DIP恒温反应瓶的使用安全性，瓶体采用棕色高硼硅玻璃制成，强度高、透光性能好、化学特性稳定，方便观察仪器工作状态。

压感集成模块和DIP恒温反应瓶，通过药剂吸收套上部的外延伸沿密封，以螺纹旋接方式连接，确保了密封的可靠性。

用于驱动DIP恒温反应瓶中磁力搅拌子的电磁搅拌组件，由六个电磁线圈组成，以60度角均匀对称分布安装，电磁线圈中的铁芯材质选用电工纯铁或坡莫合金。

为了能直观方便的给操作者显示各水样地测定结果，在每个压感集成模块上都设置有液晶屏。独立的显示出各DIP恒温反应瓶内水样的测定状态，有水样编号、反应温度、反应时间，当前BOD浓度和完成时间信息。

在测定仪主机外壳体上设置有仪器并接的扩展端口，满足用户大批量水样测试的需求，能实现多台仪器间的并接扩展。

在测定仪主机的外控制面板上，设有触摸式液晶显示屏，操作系统的人机沟通界面直观、清楚，操作简单方便。

在测定仪主机的外控制面板上，设有热敏打印机，用于自动打印过程数据及测定结果，方便快捷便于保存。

本发明的有益效果是与现有技术的BOD测定仪相比，本发明提出的智能型压感式BOD测定仪具有以下主要优点：

1)摆脱了测定BOD时对溶解氧探头和微生物传感器的依赖，无需进行频繁校准或更换消耗品(生物膜)，经济实用、方便快捷。

2)无需使用恒温培养箱、恒温装置等辅助培养设备，不受环境限制，在任何环境下均可使用，精巧方便。

3)测试信号源和运算结果等数据信息，在仪器和PC机之间交换，均采用微波无线传输技术，无需导线媒介，准确、透明、快捷。

4)搅拌系统采用电磁方式进行控制，转速调节范围宽，无使用寿命限制、具有多种搅拌选择模式，可实现充分搅拌及快速充氧。

5)可根据需要自动将水样的测定结果、测试中的过程结果和存储的历史数据等打印出来，方便记录、传递和备案保存。

6)仪器能将测试水样的结果统一进行分析，然后绘制出曲线分布图，在液晶屏中显示出来，直观、清晰。

7)压感集成模块及DIP恒温反应瓶集成一体，无需使用水银压力计或其他外设压力计，安全、方便。

8)仪器测定结果可直接上传至PC机或集中监控平台，可在办公室随时查看测试数据及运行情况，无需到现场查看。

9)触摸液晶屏配合直观的人机界面，使任务和操作简单易懂，由仪器自动引导用户进行测试，能时用户快速掌握操作和使用方法。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1是本发明提供的一种智能型压感式BOD测定仪的结构示意图。

图2是本发明图1所示智能型压感式BOD测定仪主机示意图。

图3是本发明DIP恒温反应瓶的结构示意图。

图4是本发明电磁组件结构示意图。

在图中：1.测定仪主机、2.DIP恒温反应瓶、3.压感集成模块、4.反应瓶、5.隔温瓶、6.保温层、7.半导体制冷片、8.温度探头、9.瓶托、10.反应瓶限位连接座、11.微波传输模块、12.数据接收器、13.电磁搅拌组件、14.电磁线圈、15.药剂吸收套、16.药剂吸收套外延伸沿、17.电磁铁芯、18.液晶屏、19.并接扩展端口、20.外控制面板、21.触摸式液晶显示屏、22.热敏打印机、23.信号转接插头、24.限位栓、25.超稳型压力传感器、26.信号处理电路、27.操作薄膜按键、28.磁力搅拌子。

具体实施方式

从图1至图4所示的本发明实施方式可知，本发明提供了一种智能型压感式BOD测定仪，包括测定仪主机1、DIP恒温反应瓶2、压感集成模块3和数据接收器12。所述测定仪主机1的外控制面板20上，安装有触摸式液晶显示屏21和热敏打印机22，在仪器内部安装有九组独立控制的电磁搅拌组件13，依次固定于反应瓶限位连接座10的下方垂直对应。电磁搅拌组件13由六个电磁线圈14组成，以六十度角均匀对称分布集成在一起，电磁线圈14中铁芯17的材质为电工纯铁或坡莫合金。微波传输模块11a和并接扩展端口19安装在测定仪主机1内部，位于机壳的右侧壁上，端口和接头部分通过安装孔延伸至仪器外部。DIP恒温反应瓶2由高硼硅玻璃制成，分内外两层，内层是反应瓶4，外层为隔温瓶5，内外层瓶体的中间夹层抽真空，形成保温层6，反应瓶4底部外露，瓶底安装了半导体制冷片7，瓶壁安装有两个对称分布的温度探头8a和8b，被整体固定并套接在瓶体底部的瓶托9内，DIP恒温反应瓶2通过反应瓶限位连接座10上的两个信号转接插头23a和23b及限位栓24与测定仪主机1连接。压感集成模块3和DIP恒温反应瓶2，通过药剂吸收套15上部的外延伸沿16密封，以螺纹旋接方式密封连接，在压感集成模块3中设置了液晶屏18和微波传输模块11b。独立的数据接收器12通过USB端口与PC机连接，构成了一个完整的智能型压感式BOD测定仪。

仪器开机后，人机界面会自动引导使用者进行相关操作，操作过程将在屏幕上提示出来。仪器的工作过程如下：仪器首先进入条件设置模式，提示操作者进行相关条件设置，如样品测试数量、培养时间、培养温度、自动打印间隔、搅拌模式选择等。然后自动进入到样品采集状态，并提示操作者进行测试样品的量取，先将按要求预处理过的各待测水样、微生物菌种颗粒和硝化抑制剂，成规定比例装入对应编号的DIP恒温反应瓶2中，再放入一个磁力搅拌子28，然后向药剂吸收套15内放入固体氢氧化钾或氢氧化钠颗粒，将药剂吸收套15装入DIP恒温反应瓶2的瓶口内。最后将压感集成模块3旋接到DIP恒温反应瓶2的瓶口。将DIP恒温反应瓶2放置于测定仪主机1的反应瓶限位连接座10上，将两个信号转接插头23a和23b与DIP恒温反应瓶2底部的瓶托9对应插接，至此完成加样操作。

加样操作完成后，仪器自动进入恒温调整模式。首先由主控系统采集反应瓶4底部温度探头8a、8b的信号，测量出DIP恒温反应瓶2内水样的温度，然后根据仪器中设定的培养温度，DIP控制输入给半导体制冷片7的电压极性，当正向供电时半导体制冷片7加热，反向供电时则制冷。即对反应瓶4底部进行加热或制冷，从而实现对水样的恒温控制。半导体制冷片7与反应瓶4底部紧贴固定，中间用导热硅脂填充。

同时主控系统控制电磁搅拌组件13，对各DIP恒温反应瓶2中的水样进行充分搅拌及快速充氧平衡。在该过程中压感集成模块3通过波传输模块11b发送微波信号，将瓶内的压力信号无线传输至主控系统进行分析，通过压感、温度相互修正，使水样的溶解氧和温度达到平衡和动态平衡。

当仪器的恒温调整模式完成后，会自动进入到测量模式。在测量模式中，主控系统将记录下当前各DIP恒温反应瓶2中的平衡压力值，然后开始恒温培养。培养过程中微生物会氧化分解水样中的有机物，同时开始消耗水中的溶解氧，DIP恒温反应瓶2上部空气中的氧与培养液中溶解氧的平衡被打破，空气中氧气向液体中扩散溶解，使空气中的氧气分压下降，另外，微生物在氧化分解水体中有机物的过程中，会释放出二氧化碳进入培养瓶上部空气中影响分析结果，药剂吸收套15中的固体碱用于吸收二氧化碳，这样DIP恒温反应瓶2中的压力变化，就是微生物消耗氧气分压的变化。由压感集成模块3测量出压降值，并发送至主控系统进行分析运算，得到当前水样的BOD浓度值。恒温培养时间可根据用户需要自行设定(1-30)天。在培养期间仪器可定时、自动打印出过程结果，最小为5分钟间隔，最大为12小时间隔。在打印的同时，测定结果将同步显示、图析、存储、通过微波传输模块11无线发送至数据接收器12，实现与PC机的数据传输。

Claims (7)

1.一种智能型压感式BOD测定仪，包括：测定仪主机（1）、DIP恒温反应瓶（2）和压感集成模块（3），其特征在于：所述DIP恒温反应瓶（2）分内外两层，内层为反应瓶（4），外层为隔温瓶（5），内外层瓶体的中间夹层抽真空，形成保温层（6），内层反应瓶（4）底部外露，安装有半导体制冷片（7），瓶壁安装有两个对称分布的温度探头（8a，8b），整体固定并套接在瓶体底部的瓶托（9）内，DIP恒温反应瓶（2）通过反应瓶限位连接座（10）上的两个信号转接插头（23a，23b）及限位栓（24）与测定仪主机（1）连接；所述智能型压感式BOD测定仪，在测定仪主机（1）中设置有微波传输模块（11a），独立的数据接收器（12）通过USB端口与PC机连接；所述压感集成模块（3）中集成有超稳型压力传感器（25）、微波传输模块（11b）、信号处理电路（26）和液晶屏（18），在外部面板上设置有操作薄膜按键（27）；在测定仪主机（1）中设有九组独立控制的电磁搅拌组件（13），依次位于反应瓶限位连接座（10）下方，与DIP恒温反应瓶（2）垂直对应，电磁搅拌组件（13）由六个对称的电磁线圈（14）组成。

2.根据权利要求1所述的智能型压感式BOD测定仪，其特征在于：所述的DIP恒温反应瓶（2）由棕色高硼硅玻璃制成。

3.根据权利要求2所述的智能型压感式BOD测定仪，其特征在于：所述的压感集成模块（3）和DIP恒温反应瓶（2）通过药剂吸收套（15）上部的外延伸沿（16）密封，以螺纹旋接方式连接。

4.根据权利要求3所述的智能型压感式BOD测定仪，其特征在于：所述电磁搅拌组件（13）中的六个电磁线圈（14）以六十度角均匀对称分布，电磁线圈（14）中的铁芯（17）材质为电工纯铁或坡莫合金。

5.根据权利要求4所述的智能型压感式BOD测定仪，其特征在于：所述的测定仪主机（1）外壳体设有仪器并接扩展端口（19）。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的智能型压感式BOD测定仪，其特征在于：所述的测定仪主机（1）的外控制面板（20）上，设有触摸式液晶显示屏（21）。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的智能型压感式BOD测定仪，其特征在于：所述的测定仪主机（1）的外控制面板（20）上，设有热敏打印机（22）。