JPH11174018A - 高感度ｂｏｄセンサー及び該センサーを用いるｂｏｄの高感度測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高感度 BOD センサー及び該センサーを用い
る BOD の高感度測定法を提供する。 【解決手段】 好気性微生物であるシュードモナス・プ
チーダ 10G と酸素電極とを組合わせて BOD センサーを
構成する。試料水中の有機物を資化して微生物の呼吸
活性が増加することにより溶存酸素が減少し、その結果
酸素電極からの電流量が減少するので、その変化量を測
定することにより BOD 値を求める。 【効果】 この測定法は所要時間が 1 - 10 分間であっ
て極めて短く、操作が簡便で熟練を必要とせず、塩化物
イオンや重金属イオンの影響を殆ど受けず、検出限界も
0.25 ppm 程度なので、河川水や湖沼水を対象とする B
OD の測定に極めて適している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高感度 BOD (Bioche
mical Oxygen Demand、即ち「生物化学的酸素消費量」)
センサー、殊に好気性微生物を利用する BOD センサー
及び該センサーを用いる BOD の高感度測定法に係る。

【０００２】

【従来の技術】BOD は古くから水質汚濁の度合いを判断
する有効な指標として汎用されている。この BOD とは
試料水中に存在する有機物が好気性微生物により分解、
安定化されるまでに該微生物の呼吸により消費される、
試料水中の溶存酸素の量に他ならない。

【０００３】BOD の測定には、一般的には希釈法が採用
されており、この方法は充分量の溶存酸素を含有する希
釈水を用いて試料水を希釈した後に密封容器中に保ち、
20℃において 5 日間放置した場合に消費された溶存酸
素の量を ppm 単位で表すものである。尚、溶存酸素の
定量法としてはウインクラー-アジ化ナトリウム変法(JI
S K0102)、ミラー変法及び隔膜電極法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題乃至発明の目的】従来の
BOD 測定法は基本的には希釈法であり、この方法は試
料水に前処理を施さなければならない点及び 5 日間の
長い培養期間を要する点に課題がある。尚、希釈水とし
て 5 日間の培養期間中の酸素消費量が 0.2mg O/l 以下
のものを用い、又植種希釈水を用いる場合には 5 日間
の培養期間中の酸素消費量が 3.5- 6.2 mg O/l の範
囲、(D1 - D2) x 100/D1 = 40 - 70 (%) の範囲の値の
ものを採用し、BOD を算出する。上記の式中において、 D1 : 希釈した植種液の培養前の溶存酸素量、 D2 : 希釈した植種液の培養前の溶存酸素量 従って、この希釈法は複雑である点にも課題がある。

【０００５】ウインクラー-アジ化ナトリウム変法はミ
ラー変法よりも感度は良好であるが、試薬としてのチオ
硫酸ナトリウムの調製に 2 日間を要する点及び滴定等
の工程が存在するために、高度な熟練技術を要する点に
課題がある。

【０００６】一方、隔膜電極法は手技が要求される上記
の諸方法の欠陥を克服するものであり、希釈法と比較す
る場合に極めて簡便であるが、本来、工場排水に関する
BOD測定用に開発されたものであり、従って河川水や湖
沼水におけるような低濃度のBOD (約 5 ppm 以下) は測
定不可能である点に課題がある。これは、河川水や湖沼
水中には難分解性有機物質が存在し、所定の測定時間内
にこれらの物質を分解できず、従ってこれらの物質に対
しては応答できないからである。

【０００７】従って、本発明の目的は BOD 値が低い河
川水や湖沼水等に対しても適用可能であり、前処理等の
煩雑さがなく、熟練が要求されず、更に有機溶媒等を必
要としないので環境化学的にも優れた BOD の測定法を
提供することにあり、又該測定法の実施を可能にする B
OD センサーを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決しようとする手段】河川や湖沼の水質汚濁
を惹起する有機物質は多種多様であるが、BOD 値の低い
河川等の汚濁物質は主として難分解性有機物である。殊
に、家庭排水や都市下水には生物学的に分解速度の遅い
フミン酸、リグニン、タンニン酸、セルロース(アラビ
アゴム)、界面活性剤等の成分の含有比率が高い。この
ような難分解性有機物は下水処理場や浄化処理施設で処
理しきれずに河川等に二次処理水として放出される場合
が多く、これが水質汚染の原因となっていると考えられ
る。

【０００９】従って、下水処理場における活性汚泥等か
ら上記の難分解性有機物に対して優れた分解能を有して
いる好気性微生物を探索して単離し、該微生物と酸素電
極とを組合わせれば、従来不可能であった BOD 値の低
い河川水や湖沼水に関するBOD の測定も可能になる筈で
ある。何故ならば、好気性微生物を固定化した微生物膜
を酸素電極の陰極側に配置し、有機物質を含有していな
い溶存酸素飽和状態の水溶液中に酸素電極を浸漬して通
電すれば、水溶液中の酸素が微生物膜に拡散し、その 1
部が微生物の呼吸により消費され、残りの酸素が微生
物膜を透過して酸素電極の陰極上で還元され、この場合
に微生物の呼吸活性は一定に近いので電流値は定常状態
となる。次いで有機物を含有する試料水を添加すると、
有機物の資化により微生物の呼吸活性が増加し、その結
果電極に達する酸素の量は減少し、従って電流値は急速
に減少する。しかしながら、その後に微生物膜への有機
物の拡散が定常状態になるために微生物の呼吸による酸
素消費量は定常状態になり、従って電流値も定常状態と
なる。この定常電流値と試料水中の有機物の量との間に
は相関関係の存在することが認められており、この原理
を利用することにより、試料水の BOD を測定すること
が可能となるのである。

【００１０】そこで、本発明者等は難分解性有機物であ
るフミン酸 25.76 重量%、リグニン14.72 重量%、タン
ニン酸 25.33 重量%、アラビアゴム 28.48 重量% 及び
界面活性剤 5.71 重量% を配合した組成物を酸素含有蒸
留水に添加して従来の希釈法による BOD 値が 3.77 ppm
である人工下水 (総有機物含有量が 16.485 mg/l とな
るように上記の組成物を配合) を調製し、下水処理場か
ら供与を受けた各種の活性汚泥から難分解性有機物に対
して高い分解能を有する微生物を探索した結果、雑食性
が極めて高い微生物を見い出し、斯くて本発明を基本的
には完成するに至った。この微生物はシュードモナス・
プチーダ 10G (Pseudomonas putida 10G)と命名され、
工業技術院生命工学工業技術研究所に寄託された (受託
番号 :FERM P-16457)。

【００１１】従って、本発明による高感度 BOD センサ
ーは好気性微生物であるシュードモナス・プチーダ 10G
と酸素電極とが組合わされていることを特徴としてい
る。

【００１２】本発明による高感度 BOD センサーにおい
て、微生物は水透過性担体に固定化されているのが有利
である。

【００１３】一方、本発明による BOD の高感度測定法
は、シュードモナス・プチーダ 10Gを固定化した微生物
膜を酸素電極の陰極側に配置し、該酸素電極からの出力
電流の変化量を測定し、予め作成された検量線と照合す
ることを特徴としている。

【００１４】酸素電極としては市販の任意のものを使用
することができ、微生物固定用担体の素材としてはニト
ロセルロース、ポリアクリロニトリル、光硬化性樹脂
(ポリビニルアルコール等)、ポリウレタン、カラギーナ
ン、アルギン酸カルシウム・ゲルを例示することができ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照しつつ、本発明
による BOD センサーを備えた BOD 測定装置について説
明し、又標準試料水を用いた予備試験例及び河川水の実
測試験例である実施例について説明する。

【００１６】図 1 には BOD 測定装置 10 の概略が示さ
れており、この装置は本発明によるBOD センサー 12
と、試料水 S 及び該試料水に下部が浸漬するように上
記のBOD センサーを収容している容器 14 と、電流電圧
計を含む記録装置 16 とを備えている。上記の BOD セ
ンサー 12 は市販の Clark 型酸素電極と、該酸素電極
の陰極側に配置された固定化微生物膜とを具備してい
る。この微生物膜はニトロセルロース製であって、ポア
サイズ 0.4μm の多孔性膜の片面に微生物懸濁液を注下
して吸引濾過し、次いで微生物層側にも同様の多孔性ニ
トロセルロース膜を貼付し、微生物層をサンドイッチ状
態にすることにより作成されたものである。尚、湿潤重
量で 40 mg の微生物を上記のセルロース膜に固定し、
試料水は 50ml が使用される。

【００１７】この BOD 測定装置 10 の操作について説
明すれば、先ず酸素電極に電解液を導入し、BOD センサ
ー 12 を容器 14 内にセットし、酸素電極を電源に接続
する。次いで、容器 14 内に緩衝液 (0.05M 燐酸緩衝
液、pH 9.0) を導入し、記録装置 16 の電圧電流計をモ
ニターしながら電流値が安定するのを待ち、電流値が安
定したならば、これを記録する。その後に、有機物質含
有する試料水を容器14 内に導入して緩衝液を試料水に
置換する。試料水が固定化微生物膜に接触すると、試料
水中の有機物は微生物により資化され、微生物の呼吸活
性が増加するので、試料水中の溶存酸素量は減少し、こ
れに伴って電流値が減少する。電流の減少変化量は試料
水の BOD 値に依存するので、BOD 値が既知の標準試料
水を使用して検量線を予め作成しておき、測定された電
流変化量を検量線に照合すれば、BOD 値が未知の試料水
の BOD 値を測定することができる。

【００１８】予備試験例 1 フミン酸 25.76 重量%、リグニン 14.72 重量%、タンニ
ン酸 25.33 重量%、アラビアゴム 28.48 重量% 及び界
面活性剤 5.71 重量% を配合した組成物を酸素含有蒸留
水に添加して希釈法による BOD 値が 10 ppm までの各
種の人工下水を調製した (既述のように、総有機物含有
量が 16.485 mg/l の場合に、従来の希釈法による BOD
値が 3.77 ppm となるので、これに基づいて上記の組成
物の配合量を調整)。これらの人工下水と図 1 に示され
ている通りの装置を使用し且つ該図に関連して説明した
通りの態様で電流の変化量を測定した。結果は図 2 に
示されている通りであり、応答値と BOD 値とは極めて
良好な相関性の存在することが判明した (相関係数 :
0.994)。同一試料水に関して 5 回宛測定が行われた
が、回帰式 y = 4.4939e - 2 + 0.14417x であって、再
現性も極めて良好であった。従って、図 2 に示される
グラフは検量線として使用することができる。尚、検出
限界は BOD が 0.25 ppm であり、この感度は 3 ppm 以
下とされる日本の 1 級河川における河川水の BOD 測定
用に適用可能なことを意味しており、測定所要時間は試
料水の BOD 値に依存するが 1 - 10 分間であった。

【００１９】予備試験例 2 (塩化物イオンが測定に及ぼ
す影響) 本発明による BOD の測定法は主として河川水及び湖沼
水を対象としており、殊に河川水の場合には塩分が遡上
する流域で採取された試料水も測定対象となる。従っ
て、BOD 値が既知の試料水と、この試料水に種々の量の
塩化ナトリウムを添加して塩化物イオン濃度を変化させ
た試料水とを用いて電流の変化量を測定し、両者の差を
比較した結果は図 3 に示されている通りであり、塩化
物イオン濃度が 1000 ppm までは測定に及ぼす影響が殆
どないことが判明した。従って、本発明による BOD 測
定法は塩分含有水を試料水とする場合にも充分に適用可
能である。

【００２０】予備試験例 3 (重金属イオンが測定に及ぼ
す影響) 本発明による BOD の測定法が対象としている河川水や
湖沼水は重金属を含有している可能性があるが、重金属
は通常微生物の呼吸活性を阻害するものと考えられてい
る。従って、予備試験例 1 に記載されている組成物と
酸素含有蒸留水とを使用して BOD が 1 ppm の人工下水
(コントロール) を調製し、この人工下水と図 1 に示
されている装置にて電流の変化量を測定し、一方、上記
のコントロールにクロム、マンガン、鉄、銅又は亜鉛イ
オンを 1 ppm 宛添加して同様に電流の変化量を測定
し、重金属イオン無添加のコントロールの場合の電流の
変化量を 100 とする相対値で重金属イオンが測定に及
ぼす影響を調べた。結果は下記の表 1 に示されている
通りでありマンガン、鉄、銅及び亜鉛イオンは測定に影
響を与えず、クロムイオンが与える影響も極めて僅かで
あった。

【００２１】

【表１】

【００２２】実施例及び相関試験例 (河川水に関する B
OD 値の実測) 実際の河川水を渡良瀬川に関して 1 箇所及び鬼怒川に
関して 2 箇所から採取して被検試料水とし、本発明に
よる測定法と従来の希釈法とを利用して BOD を測定
し、又希釈法による BOD 値を 100% とした場合におけ
る本発明方法による測定値の占める割合を調べた。結果
は下記の表 2 に示されている通りであり、両方法によ
る測定値は極めて近接しており、従って本発明による測
定法は実際の測定に適用可能であることが判明した。

【００２３】

【表２】

【００２４】

【発明の効果】本発明による BOD の測定法は、従来の
測定法と比較した場合に、操作が簡便で熟練を必要とせ
ず、測定所要時間も従来法の 5 日間程度に対して 1 -
10 分間であって極めて短く、然も本発明方法は、これ
を実施するために使用される好気性微生物であるシュー
ドモナス・プチーダ 10G の呼吸活性は塩化物イオンや
重金属イオンの影響を殆ど受けず、検出限界も 0.25 pp
m 程度なので塩分が存在する河川水や重金属が存在する
河川水・湖沼水等を試料水とすることができ、実用性が
極めて高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による BOD 測定装置を示す概略図であ
る。

【図２】BOD 値と電流の変化量との関係を示すグラフで
あり、検量線として使用し得るグラフである。

【図３】試料水中の塩化物イオン濃度と電流の変化量と
の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

10 : BOD 測定装置、 12 : BOD センサー、 14 : 試料水収容用の容器、 16 : 記録装置、 S : 試料水。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｃ１２Ｎ 1/20 Ｇ０１Ｎ 27/46 ３０１Ｎ (Ｃ１２Ｎ 1/20 Ｃ１２Ｒ 1:40）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 好気性微生物であるシュードモナス・プ
   チーダ(Pseudomonas putida) 10G と酸素電極とを組合
   わせたことを特徴とする、高感度 BOD センサー。
2. 【請求項２】 微生物が水透過性担体に固定化されてい
   ることを特徴とする、請求項 1 に記載の高感度 BOD セ
   ンサー。
3. 【請求項３】 シュードモナス・プチーダ 10G を固定
   化した微生物膜を酸素電極の陰極側に配置し、該酸素電
   極からの出力電流の変化量を測定し、予め作成された検
   量線と照合することを特徴とする、BOD の高感度測定
   法。