CN113075280A - 一种生化需氧量bod与毒性一体化的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法，首先通过配置模拟废水，采用闷曝排泥24h、连续进水培养的方式对陶粒生物膜进行培养；利用培养成熟的陶粒生物膜分别对无毒条件下的有机物溶液与含有重金属离子条件下的有机物溶液进行降解反应；然后制备Ti/α/β‑PbO2电极，将Ti/α/β‑PbO2电极作为电化学检测COD系统的工作电极；利用电化学检测COD系统对降解反应前后水样的COD值进行测定，并计算得到生化需氧量BOD的半数抑制浓度EC50，以此来表征重金属溶液的生物毒性强度。上述方法不仅可以缩短BOD的检测用时，丰富毒性检测方法，而且为BOD与毒性一体化检测提供理论与实践基础。

Description

一种生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法
技术领域
本发明涉及环境检测技术领域，尤其涉及一种生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法。
背景技术
在不同工况条件下的废水中污染物质的种类与含量各不相同，常以联合形式向水生态环境释放毒性，水生态环境中的微生物作为分解者最先受到毒性胁迫，因此对废水水体的冲击具有较大灵敏度。目前以微生物呼吸代谢活动为主要检测对象的水质指标有生化需氧量(Biochemical oxygen demand，BOD)以及生物毒性，其中BOD5的检测技术主要包括稀释接种法、压差法、呼吸法等，以上方法具有检测精度高的特点，多家国内外公司根据该技术已研发出了成型的检测设备并被学者们广泛应用，但该技术的检测用时为5d时间较长，致使传统的BOD5测定技术不能满足有着快速、便携要求的实际工况。为了满足此要求BOD生物传感技术被探究，该技术将生物传感技术与光电化学技术相结合，通过对耗氧量、氧荧光猝灭率、电流/电量变化量等指标的测定间接表征BOD，从而满足BOD的实时监测，但该技术在正式运行前需探究微生物种类、传感电极的制备方法、生物固定方法、介质种类等条件，具有一定的操作难度。
对于毒性检测来说主要分为理化法与生物法，其中生物法凭借其灵敏度高、操作难度低等优点被普遍应用，该方法常以发光细菌(海洋菌、淡水菌)、藻类(单细胞藻、多细胞藻)、鱼类(斑马鱼、清鳉鱼)、蚤类、植物(洋葱、蚕豆、白菜)等为受试生物，以半数致死浓度、游动行为强度、发光度、微核率、胚胎发育程度以及血液含量等作为检测指标。在检测指标中游动行为强度、微核率、胚胎发育程度以及血液含量不能实现对有毒物质的定量分析；半数致死浓度、发光度虽然可实现待测物质毒性的定量分析，但急性毒性检测用时多为24h～96h，时间较长。
而对于BOD与毒性一体化检测技术来说，微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是仅有的可以实现BOD与毒性一体化检测的技术，但由于MFC为BOD传感器技术的分支，因此具有一定的构建与检测难度，不能满足操作简便的实际要求。
综上所述，现有的检测技术均存在缺陷，因此有必要开发一种可以缩短检测用时、操作简便、适用于实际工况的BOD与毒性一体化检测新手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法，该方法不仅可以缩短BOD的检测用时，丰富毒性检测方法，而且为BOD与毒性一体化检测提供理论与实践基础。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法，所述方法包括：
步骤1、通过配置模拟废水，采用闷曝排泥24h、连续进水培养的方式对陶粒生物膜进行培养；
步骤2、利用培养成熟并具有大量菌胶团、丝状菌以及原生动物的陶粒生物膜分别对无毒条件下的有机物溶液与含有重金属离子条件下的有机物溶液进行降解反应；
步骤3、然后制备经α-PbO2改性的钛基二氧化铅电极，将制备完成并具有优异电性能的钛基二氧化铅电极作为电化学检测COD系统的工作电极；
步骤4、利用所述电化学检测COD系统对步骤2降解反应前后水样的COD值进行测定，并计算得到生化需氧量BOD的半数抑制浓度EC50，以此来表征重金属溶液的生物毒性强度。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法不仅可以缩短BOD的检测用时，丰富毒性检测方法，而且为BOD与毒性一体化检测提供理论与实践基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法流程示意图；
图2为本发明所举实例Cu2+浓度-BOD抑制率曲线示意图；
图3为本发明所举实例Cd2+浓度-BOD抑制率曲线示意图；
图4为本发明所举实例Cu2+与Cd2+1:1联合浓度-BOD抑制率曲线示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、通过配置模拟废水，采用闷曝排泥24h、连续进水培养的方式对陶粒生物膜进行培养；
在该步骤中，所配置的模拟废水包括葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾混合液，微量元素溶液与磷酸盐缓冲液；
其中，所述微量元素溶液中包含铁、铜、锌、钾、钙、锰等物质。
具体实现中，所述闷曝排泥所使用的污泥取自经培养驯化后的污水处理厂的回流污泥；
所述连续进水培养的条件具体为：
陶粒填充率设为40％；室温下进水pH值保持在7.0±0.5；曝气量为3.0mg/L～5.0mg/L；进水速率为2.0mL/min～2.5mL/min；
其中，曝气量与进水速率随着培养时间的增加而增加。
步骤2、利用培养成熟并具有大量菌胶团、丝状菌以及原生动物的陶粒生物膜分别对无毒条件下的有机物溶液与含有重金属离子条件下的有机物溶液进行降解反应；
在该步骤中，所述陶粒生物膜培养成熟的条件具体为：
通过连续进水培养6天～8天生物膜通过显微镜镜检能观察到大量的菌胶团、丝状菌以及原生动物；且陶粒触感光滑有胶膜感即为培养成熟。
具体实现中，上述进行降解反应的生物反应系统可以由50mL量筒、恒温水浴锅、曝气泵、转子流量计以及陶粒生物膜组成。
所述降解反应的条件具体包括：
待测有机物溶液的量为25mL，陶粒生物膜的生物量为18.59g/L，降解时间为120min，进水pH＝7.0±0.3，反应温度保持在30℃；
其中，所述有机物溶液采用葡萄糖-谷氨酸标准溶液；重金属离子选用铜离子或镉离子。
步骤3、然后制备经α-PbO2改性的钛基二氧化铅(Ti/α/β-PbO2)电极，将制备完成并具有优异电性能的钛基二氧化铅电极作为电化学检测COD系统的工作电极；
在该步骤中，进一步对所制备的钛基二氧化铅电极进行电化学性能测试，具体包括线性伏安曲线(LSV)、循环伏安曲线(CV)以及交流阻抗测试，所述线性伏安曲线、循环伏安曲线以及交流阻抗测试均在辰华Chi660e电化学工作站中完成，其中：
所述循环伏安曲线(CV)的测试参数：电位范围-0.2V～1.8V，扫描速率100mV/s～10mV/s，单次扫描圈数2圈(4段)；
所述线性伏安曲线(LSV)的测试参数：电位范围为开路电位，扫描速率50mV/s；
所述交流阻抗测试的测试参数：初始电位为开路电位，频率范围0.01Hz～100kHz，交流振幅10mV。
具体实现中，所述优异电性能的钛基二氧化铅电极判断条件为：当析氧电位超过1.6V时，则判断钛基二氧化铅电极的电性能优异；
进一步对所述钛基二氧化铅电极进行COD检测条件的优化，优化后的检测条件包括：
氧化电位为1.3V、氧化时间150s、电解质溶液为0.03mol/L的NaNO3溶液。
步骤4、利用所述电化学检测COD系统对步骤2降解反应前后水样的COD值进行测定，并计算得到生化需氧量BOD的半数抑制浓度EC50，以此来表征重金属溶液的生物毒性强度。
在该步骤中，水样COD值的测定过程具体为：
首先在恒定电位下测量电解质溶液的背景电流值Ibackground，然后向电解质溶液中加入待测溶液，在相同条件下测定响应电流值Irespond；
通过计算得到净响应电流ΔI＝Irespond-Ibackground；
然后根据ΔI与COD标准溶液浓度值之间的线性关系，求出待测溶液的COD值。
在检测结束时，为防止电极表面吸附有机物对后续测量产生影响，可以将电极置入0.1mol/L NaNO3电解质溶液中，2.0V电压下稳态极化180s，实现电极的清洁。
通过上述测定方法就可以对步骤2降解反应前后水样的COD值进行测定，进一步的，计算得到生化需氧量BOD的半数抑制浓度EC50的过程具体为：
将降解前原水COD原水值视为总有机物含量，降解后废水的COD0值视为难降解有机物量，则COD原水与COD0之间的差值在理论上能表征可生化降解有机物BOD的值；分别测量降解反应前原水COD原水值、降解后废水的COD0值以及降解后含有重金属离子的标准废水的COD值，则BOD抑制率的计算公式如下：
BOD抑制率＝(COD-COD0)/(COD原水-COD0)×100％；
计算不同浓度的重金属离子的BOD抑制率，得到重金属离子浓度-BOD抑制率标准曲线，根据所得曲线的线性方程，计算得到所述重金属离子的半数抑制浓度EC50，以此来表征重金属溶液的生物毒性强度。
下面以具体的实例对上述方法的过程进行说明，具体包括：
1、溶液配制：
标准溶液使用的是葡萄糖-谷氨酸标准(GGA)溶液，将一定量的葡萄糖与谷氨酸在120℃下烘干2h，待冷却后重量不再变化时分别称取0.15g溶于1L去离子水中并加入6mL的磷酸盐缓冲液用于平衡酸碱度。
磷酸盐标准溶液的配制比例为：8.5g/L磷酸二氢钾、21.75g/L磷酸氢二钾、1.7g/L氯化铵、33.4g/L磷酸氢二钠。
重金属离子溶液的配制：按测量需求计算并称取相应的药剂(五水硫酸铜与碘化镉)溶于标准溶液中。
2、进行降解反应的生物反应系统的组成以及反应条件：
本检测以50mL量筒为反应器，待测溶液加入量为25mL。为了使陶粒生物膜在最佳条件下进行降解反应，将反应器置于在水浴锅中保持溶液温度在30℃，同时使用直径1.9cm、高2.8cm的圆柱型气泡石进行曝气，气体总流量约为0.08m3/h～0.09m3/h。降解反应完成后使用中速滤纸进行过滤，过滤后的溶液依靠电化学系统进行COD快速测定。
3、电化学法快速测定COD的流程：
①打磨工作电极，连接三电极系统；②取35mL浓度为0.03mol/L的硝酸钠溶液为电解质溶液；③选择i-t曲线方法，设定氧化电压为1.3V，氧化时间150s，测量三次得到背景电流Ibackground；④定量吸取2mL待测水样加入反应器中，待溶液混合均匀后，在相同条件下进行检测，测量三次得到响应电流Irespond；⑤计算净响应电流ΔI＝Irespond-Ibackground，得到的ΔI通过标准方程的转换最终得到相应的COD数值。
4、重金属毒性的检测方法：
将降解前原水COD原水值视为总有机物含量，降解后废水的COD0值视为难降解有机物量，因此COD原水与COD0之间的差值在理论上可以表征为可生化降解有机物BOD的值。生物系统反应结束后分别测量降解前原水COD原水、降解后标准废水COD0以及降解后含有重金属离子的标准废水COD，则BOD抑制率的计算公式如下：
BOD抑制率＝(COD-COD0)/(COD原水-COD0)×100％
当毒性物质存在时，微生物降解有机物的过程受到抑制，凭借BOD抑制率间接表征毒性强度。
实例1、检测重金属离子Cu2+的生物毒性
分别制备0mg/L、5.0mg/L、7.5mg/L、10.0mg/L、12.5mg/L、15.0mg/L的Cu2+溶液，检测不同浓度的Cu2+的生物毒性并根据公式计算其BOD抑制率，得到Cu2+浓度-BOD抑制率曲线。
如图2所示为本发明所举实例Cu2+浓度-BOD抑制率曲线示意图，根据所得曲线的线性关系，计算得到重金属离子Cu2+的EC50，以此来表征重金属离子Cu2+溶液的生物毒性强度。
实例2、检测重金属离子Cd2+的生物毒性
分别制备0mg/L、3.07mg/L、6.14mg/L、9.21mg/L、12.28mg/L、15.35mg/L的Cd2+溶液，检测不同浓度的Cd2+的生物毒性并根据公式计算其BOD抑制率，得到Cd2+浓度-BOD抑制率曲线。
如图3所示为本发明所举实例Cd2+浓度-BOD抑制率曲线示意图，根据标准曲线的线性关系，计算得到Cd2+的EC50。
实例3、检测重金属离子Cu2+与Cd2+1:1的联合毒性
分别制备0mg/L、3mg/L、6mg/L、9mg/L、12mg/L、15mg/L的Cu2+与Cd2+1:1联合溶液，检测不同浓度的Cu2+与Cd2+联合生物毒性并根据公式计算其BOD抑制率，得到Cu2+与Cd2+1:1联合浓度-BOD抑制率曲线。
如图4所示为本发明所举实例Cu2+与Cd2+1:1联合浓度-BOD抑制率曲线示意图，根据标准曲线的线性关系，计算得到Cu2+与Cd2+的EC50。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本发明实施例所述方法具有如下优点：
(1)本发明利用电化学法替代了重铬酸钾法进行COD的测量，不仅有效地缩短了检测用时，简化操作难度，更能避免溶液中浓硫酸的二次污染问题；
(2)本发明在利用活性污泥曝气降解法测定BOD的基础上将活性污泥替换为陶粒生物膜，不仅避免了活性污泥培养时间长、培养难度大的问题，而且具有便携灵敏度高的优点；
(3)为BOD与毒性一体化检测提供了理论基础。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、通过配置模拟废水，采用闷曝排泥24h、连续进水培养的方式对陶粒生物膜进行培养；
步骤2、利用培养成熟并具有大量菌胶团、丝状菌以及原生动物的陶粒生物膜分别对无毒条件下的有机物溶液与含有重金属离子条件下的有机物溶液进行降解反应；
步骤3、然后制备经α-PbO2改性的钛基二氧化铅电极，将制备完成并具有优异电性能的钛基二氧化铅电极作为电化学检测COD系统的工作电极；
步骤4、利用所述电化学检测COD系统对步骤2降解反应前后水样的COD值进行测定，并计算得到生化需氧量BOD的半数抑制浓度EC50，以此来表征重金属溶液的生物毒性强度。
2.根据权利要求1所述生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法，其特征在于，在步骤1中，所配置的模拟废水包括葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾混合液、微量元素溶液与磷酸盐缓冲液；
其中，所述微量元素溶液中包含铁、铜、锌、钾、钙、锰。
3.根据权利要求1所述生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法，其特征在于，在步骤1中，所述闷曝排泥所使用的污泥取自经培养驯化后的污水处理厂的回流污泥；
所述连续进水培养的条件具体为：
陶粒填充率设为40％；室温下进水pH值保持在7.0±0.5；曝气量为3.0mg/L～5.0mg/L；进水速率为2.0mL/min～2.5mL/min；
其中，曝气量与进水速率随着培养时间的增加而增加。
4.根据权利要求1所述生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法，其特征在于，在步骤2中，所述陶粒生物膜培养成熟的条件具体为：
通过连续进水培养6天～8天；生物膜通过显微镜镜检能观察到大量的菌胶团、丝状菌以及原生动物；且陶粒触感光滑有胶膜感即为培养成熟。
5.根据权利要求1所述生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法，其特征在于，在步骤2中，所述降解反应的条件具体包括：
待测有机物溶液的量为25mL，陶粒生物膜的生物量为18.59g/L，降解时间为120min，进水pH＝7.0±0.3，反应温度保持在30℃；
其中，所述有机物溶液采用葡萄糖-谷氨酸标准溶液；重金属离子选用铜离子或镉离子。
6.根据权利要求1所述生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法，其特征在于，在步骤3中，对所制备的钛基二氧化铅电极进行电化学性能测试，具体包括线性伏安曲线LSV、循环伏安曲线CV以及交流阻抗测试，其中：
所述循环伏安曲线CV的测试参数包括：电位范围-0.2V～1.8V，扫描速率100mV/s～10mV/s，单次扫描圈数2圈；
所述线性伏安曲线LSV的测试参数包括：电位范围为开路电位，扫描速率50mV/s；
所述交流阻抗测试的测试参数包括：初始电位为开路电位，频率范围0.01Hz～100kHz，交流振幅10mV。
7.根据权利要求1所述生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法，其特征在于，在步骤3中，所述优异电性能的钛基二氧化铅电极判断条件为：当析氧电位超过1.6V时，则判断钛基二氧化铅电极的电性能优异；
进一步对所述钛基二氧化铅电极进行COD检测条件的优化，优化后的检测条件包括：
氧化电位为1.3V、氧化时间150s、电解质溶液为0.03mol/L的NaNO3溶液。
8.根据权利要求1所述生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法，其特征在于，在步骤4中，水样COD值的测定过程具体为：
首先在恒定电位下测量电解质溶液的背景电流值Ibackground，然后向电解质溶液中加入待测溶液，在相同条件下测定响应电流值Irespond；
通过计算得到净响应电流ΔI＝Irespond-Ibackground；
然后根据ΔI与COD标准溶液浓度值之间的线性关系，求出待测溶液的COD值。
9.根据权利要求1所述生化需氧量BOD与毒性一体化的检测方法，其特征在于，在步骤4中，计算得到生化需氧量BOD的半数抑制浓度EC50的过程具体为：
将降解前原水COD原水值视为总有机物含量，降解后废水的COD0值视为难降解有机物量，则COD原水与COD0之间的差值在理论上能表征可生化降解有机物BOD的值；
分别测量降解反应前原水COD原水值、降解后废水的COD0值以及降解后含有重金属离子的标准废水的COD值，则BOD抑制率的计算公式如下：
BOD抑制率＝(COD-COD0)/(COD原水-COD0)×100％；
计算不同浓度的重金属离子的BOD抑制率，得到重金属离子浓度-BOD抑制率标准曲线，根据所得曲线的线性方程，计算得到所述重金属离子的半数抑制浓度EC50，以此来表征重金属溶液的生物毒性强度。
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