English

• 1.   引 言

  生化需氧量(BOD)表示水中有机物在微生物的生化作用下氧化分解,在其无机化或气体化时所消耗水中溶解氧的总量^[1],是地表水、生活污水及绝大多数工业废水的必测指标之一。BOD值越高,表明水中有机物被自身水环境中微生物降解的风险越高,越容易导致水环境溶解氧急剧降低,造成一系列的生态问题。国内外测定BOD的标准方法大多沿用美国1936年公布的方法,称BOD₅法^[1]。这种方法需在20℃恒温条件下培养5天,以5天前后的水样溶解氧差值计算BOD₅。因其需多梯度稀释、受干扰因素多、耗时长等因素,BOD₅法不能及时反映水质变化,无法及时有效地预警突发水污染事件。

  自1983年日本自新电机推出首台基于微生物膜传感器法的快速BOD测定仪后^[2],一些关于快速BOD仪器的应用及研制报道^[3~7]陆续出现。这些方法多是以微生物膜传感器为主,采用化学或物理方法将实验室内培养的微生物包埋制成微生物膜,主要缺点是微生物菌种数量少、种类单一、对有机物降解效率低、高选择性、以及环境适应力差^[8~10]。陆续发展的媒介体方法、微生物燃料电池等方法^{[11, 12]}虽然在一定程度上解决了上述问题,但媒介体对微生物菌群的毒性、培育时间影响BOD的测试结果^[13],而微生物燃料电池法复杂、测试周期长、使用寿命短^[14]。在本研究组的前期工作中,创新性地利用管路内壁为载体,以待测水样为微生物及有机物源,原位培养了微生物膜构建微生物膜反应器(Biofilm reactor,BFR),发展了多种基于管状微生物膜反应器的快速BOD检测新原理和新方法^[15~19]。

  本研究以微生物膜反应器为生物降解有机物传感器件,设计开发出在线BOD测量仪器,考察了微生物膜原位培养时效性,优化了性能参数。通过测试标准样品稳定性并用于实际水样中BOD的现场连续测定。结果表明,所研制的在线BOD监测仪器准确度高,稳定性好,可以满足实际水样BOD的现场测定。

  2.   实验部分

  2.1.   仪器与试剂

  YSI58溶解氧测定仪(美国YSI公司); SPX-150D型生化培养箱(上海福絮仪器公司); 葡萄糖、谷氨酸(分析纯,北京鼎国试剂公司);BODseed(美国Cole-Parmer公司); 透氧膜(美国Orbisphere公司); 葡萄糖-谷氨酸(GGA)溶液按文献^[1]报道的方法配制,其BOD₅值为198 mg/L。

  2.2.   仪器测量原理

  仪器的测量原理如图 1所示。以待测水样中微生物及有机物为培养源,在优化的条件下,水样连续流过反应器,微生物在反应器内壁上逐步吸附、繁殖并形成微生物膜反应器。以此作为微生物降解有机物反应器,以溶解氧传感器检测微生物膜降解水样前后水中溶解氧含量,并计算微生物膜的耗氧量,以水样耗氧量与标准样品耗氧量比较,计算水样BOD数值。

  图 1

  

  图 1  在线BOD监测仪原理图

  Figure 1.  Schematic diagram of online biochemical oxygen demand (BOD) monitor

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  2.3.   仪器结构

  在线BOD监测仪主要由水路系统、电路系统及工控系统组成,具有微生物膜反应器培养、电极标定、仪器标定、标样检测等主要功能,并可实现水样连续或周期测量。用于水样溶解氧检测的溶解氧传感器是以金电极为工作电极、Ag/AgCl(0.1 mol/L KCl)为参比电极、铂丝为对电极的三电极系统,工作电极表面覆盖一层透氧膜以防止电极受到样品污染。溶解氧传感器倾斜45°固定于恒温水浴侧壁自制薄层流通池内,恒温水浴内含进水口、加热器、曝气孔、液位开关、排废口、温度传感探头等配件,分别用于水样的采集、加热、曝气、限位、排废及控温等。微生物膜反应器固定于恒温水浴内,水样作为待测物,同时也是恒温水浴内被加热媒介,保证溶解氧传感器、微生物膜反应器在恒温条件下工作。溶解氧传感器检测水样得到的电信号经放大处理后,由工控系统采集并计算分析。

  为保障在线BOD监测的准确度,监测仪在一些细节配置上做了优化设计。水样在进入微生物膜反应器之前经过铜网(300目)过滤,对水样中的颗粒物等杂质进行拦截。检测完毕后,以水汽、脉冲双通道清洗模式反向冲刷铜网,保障微生物膜反应器不受异物堵塞。恒温水浴在连续使用后,内壁会滋生微生物膜,通过定期的自动清洗功能,加入一定浓度的次氯酸溶液浸泡恒温水浴;同时,蠕动泵反转,防止次氯酸溶液进入微生物膜反应器。根据国家地表水环境质量标准等相关规定,仪器还设置了超限报警功能,可更好地应用于水质监测和污染控制。另外,还设置了通讯传输接口,进行近程与远程通讯,实现测量结果的实时查询和显示。

  图 2

  

  图 2  在线BOD监测仪流程图

  Figure 2.  Technological process of online BOD monitor

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  3.   结果与讨论

  3.1.   测试流程以及BOD计算方法

  测量流程如图 2所示。测量启动时,水样被采集到恒温水浴中,持续空气曝气及加热条件下,水样溶解氧含量达到平衡。在蠕动泵作用下,空气饱和的水样在一定流速下流过溶解氧传感器,得到的氧含量记录为[O₂]_Sample;切换水路电磁阀,水样流过微生物膜反应器后到达溶解氧传感器,此时,得到的氧含量为微生物膜反应器对水样中有机物生物降解耗氧后的氧含量,记录为[O₂]_{Sample effluent}。通过两次检测计算得到的微生物膜反应器对水样的耗氧量,即[ΔO₂]_Sample,如表达式(1);为得到水样BOD含量,需明确微生物膜反应器对标准样品的耗氧量。为此,将适量标准样品葡萄糖谷氨酸(GGA)母液加入水样中,比较并计算溶解氧传感器在GGA溶液加入前后的检测的溶解氧含量差值,即[ΔO₂]_GGA,从而获得微生物膜生物降解效率(k),即BOD含量为1 mg/L的GGA标准样品的耗氧量,如表达式(2);以水样的耗氧量[ΔO₂]_Sample及获得的k,即可计算出BFR方法得到的水样BOD含量,即BOD_EFR,如表达式(3)。

  1

  2

  3

  3.2.   微生物膜在线培养

  在线BOD监测仪安装在无锡市梁塘河湿地公园水质自动监测站内,以现场水样中的微生物及有机物为培养源,微生物膜反应器原位培养通过软件界面可一键执行。水样取入恒温水浴内加热同时连续空气饱和,温度达到设定温度后,水样以一定流速连续流过管状反应器。培养初期,溶解氧传感器实时监测的溶解氧浓度变化很小;重复上述取水、加热、培养过程,直至溶解氧传感器监测的溶解氧浓度变化即[ΔO₂]_sample降低明显,并逐步趋于稳定时,表明微生物膜反应器培养完成。实验表明,在设定温度为30℃、流速为1 mL/min条件下,原位培养微生物膜仅需14 h,[ΔO₂]_Sample可达到1.56 mg/L。微生物膜反应器的培养时间取决于水样中微生物及有机物源,微生物种类越丰富,有机物含量越高,微生物膜反应器培养时间越短。

  微生物膜反应器是BOD检测中的核心部件,以往基于微生物膜传感器方法的BOD测定仪器多以实验室培养的微生物为种群,采用高分子类聚合物作为包埋材料制备微生物膜^[7]。这种方法成膜工艺复杂,微生物膜成膜后需要一定时间的活化才可进行BOD检测^[4]。而且,所采用的微生物种类及数量有限,对有机物的生物降解能力具有选择性^[2]。微生物膜在接触水样后,常因与水样中微生物的拮抗作用导致包埋微生物的失活^[8]。另一方面,包埋材料的多孔结构非常易被水样中的颗粒物堵塞,导致传感器失效^[14]。本工作中,微生物膜采用待检测水样中固有微生物培养而来,菌种种类及数量丰富,对水样中可生化降解有机物具有自适应的生物降解能力及良好的环境适应力;同时,BOD检测过程即为微生物膜的自我修复过程,微生物膜的活性得以充分保障^[16],这些优势保证了快速BOD检测的准确度及可靠性。

  3.3.   反应器参数优化

  前期在实验室内测试的实验结果表明,微生物膜反应器在长度采用105 cm,内径2 mm,反应温度30℃,水样流速2 mL/min条件下获得的耗氧量具有最大值,水样与微生物膜接触的99 s时间内生物降解效率可达22.1%^[15]。然而,在实际应用中,多数在线应用现场因不具备自来水,而微生物膜反应器的测试频次又明显偏高,为保证微生物膜反应器不受异物等堵塞,同时,考虑到微生物膜内源呼吸作用、流路系统阻力等现场应用的实际情况,对上述参数进行优化。结果表明,微生物膜反应器在长度55 cm,内径3.5 mm,反应温度30℃,水样流速4 mL/min条件下,仪器的生物降解效率可达18.4%,结果见图 3。虽然生物降解效率相比于实验室内条件下有一定降低,但在连续近一年的应用过程中,并未观察到微生物膜活性降低及堵塞。在此条件下,微生物膜反应器的检测上限可达20 mg/L,对0.5 mg/L GGA标样检测10次,以3倍标准偏差(Standard deviation,SD)计算得检测下限(Minimum detection limit,MDL)为0.5 mg/L,远低于国标BOD₅方法的3 mg/L。地表水环境质量标准^[20]规定:BOD含量低于3 mg/L的水质为一类水,因此本仪器可以满足在线水质监测需求。

  表 1

  

  表 1  在线BOD监测仪检测下限测定

  Table 1.  MDL determiantion of the online BOD monitor

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  序号 No.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	平均值 Mean	标准偏差 SD	检测下限 MDL
  BOD (mg/L)	0.7	0.3	0.5	0.6	0.6	0.7	0.4	0.3	0.7	0.4	0.52	0.16	0.5

  图 3

  

  图 3  在线BOD监测仪的生物降解效率及线性范围。微生物膜反应器长度55 cm,内径3.5 mm,反应温度30℃,水样流速4 mL/min

  Figure 3.  Sensitivity and linear range of online BOD monitor.Biofilm reactor (BFR) length 55 cm,inner diameter 3.5 mm,reaction temperature 30℃,sample flow rate 4 mL/min

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  生物降解效率是评价快速BOD检测准确度的重要指标。国标BOD₅法中,平均的生物降解效率约为60.5%,高效的生物降解保证了其适用于各类水样的测试^[11]。以往的微生物膜传感器快速BOD测定方法的生物降解效率远小于1%,是导致其水样适应性差、测试结果与国标法偏差大的主要原因^[13]。本工作中采用的原位培养微生物膜反应器在最大程度上保持了与水样一致的微生物种群,且微生物直接吸附生长在基底表面成膜,减少了有机物、氧气和微生物膜间的生物代谢阻力,这是其在短时间内可获得高效生物降解效率的重要条件。

  3.4.   仪器稳定性及准确度

  在线监测仪工作周期设定为4 h,单次水样BOD测试时长约50 min,其余时间内仪器为待机状态。以标准样品检测模式,工作日内在仪器待机时对 GGA标准样品进行检测,连续进行一个月的性能测试,结果见图 4。在线监测仪的相对误差为-0.8%,相对标准偏差为±3.2%,这说明仪器具有良好的稳定性及准确度。流动检测的优势在于微生物膜反应器作为流动体系中的一个载流构件,水力剪切力可以有效避免水样中大颗粒物质等在微生物膜表面累积,而缺点在于流路体系温度平衡的维持较难,流路中水样及溶解氧传感器的温度波动均可导致测量稳定性的降低。常见的快速BOD仪器,如日本日新公司的BOD 2200及天津赛普公司的BOD 220仪器等,普遍采用将样品推送至氧检测器的方式;而在本仪器中,蠕动泵在溶解氧薄层检测池出水口端采取抽提方法提供水样流动动力,这样水样、微生物膜反应器、溶解氧传感器及进入溶解氧传感器前的全部流路均置于恒温条件下,最大程度简化流路的同时保证了温度的一致性。

  图 4

  

  图 4  在线BOD监测仪稳定性及准确度测试。测试样品:7.5 mg/L GGA。测试条件同图 3。

  Figure 4.  Stability and accuracy of online BOD monitor. Sample: 7.5 mg/L gluucosse glutamic acid (GGA). Other conditions as in Fig. 3

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  3.5.   实际水样测试

  水样准确度与国标方法比对是衡量快速BOD仪器性能的重要测试,国内及国际上诸多快速BOD仪器无法得以连续应用,也正是因为水样测量值与国标方法比对出现较大误差,无法给出准确的监测数据导致的。实际水样测试结果不可靠,一方面因为所采用的微生物膜菌群对水样中有机物的生物降解效率不高;另一方面,与水样自身的特性有关,如因工业排污导致水样离子含量急剧升高,酸度波动较大,甚至水样中含有有毒有害物质使微生物膜失活^[10]。在本仪器周期运行中,不定期从仪器进水口人工采集水样,按国标方法进行BOD₅测试,与当组仪器测量值对比分析结果见图 5。在大多数情况下,水样的快速仪器测试结果与BOD₅分析结果具有可比性,在与采用国标法测试的12组比对数据中,仪器测量值与国标法测量值之间的最大的相对误差为+11.7%,平均相对误差为+5.6%,结果较为理想。本工作中,原位培养的微生物膜对水样pH值、离子环境、毒性物质等具有较强的适应能力^[16],且在线BOD检测全过程没有使用化学试剂,BOD测试完毕的直接排废也不会对环境造成二次污染。在连续的水样在线监测中发现,因不定期的生活污水及工业废水排废,导致BOD浓度日内波动幅度较大,快速BOD跟踪更有利于分析污染物排放时间,追查污水源头并打击非法排污。

  图 5

  

  图 5  在线BOD监测仪(■)与国标法BOD₅(□)水样准确度对比。测试条件同图 3。

  Figure 5.  Determination accuracy of online BOD monitor (■) compared to the conventional method BOD₅ (□). Other conditions as in Fig. 3.

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  4.   结 论

  本研究通过采用自行研制的在线BOD监测仪,在对仪器进行参数优化后,对标准样品及实际水样开展了连续、长时间的在线监测。研究结果显示,微生物膜反应器对水样中有机物的综合降解效率相对于BOD₅可以达到18.4%,仪器的检测限可低至0.5 mg/L。 在线监测仪检测标样的准确度与长期稳定性的相对误差与相对标准偏差分别为-0.8%和±3.2%,多组水样测量值与国标法比对的平均相对误差为+5.6%。

  上述结果表明,研制的在线BOD监测仪有望解决水质在线监测系统普遍缺少在线BOD监测项目的弊端,快速的分析结果对于常规水质监测、污水处理工艺中的工艺指导及环境勘察中的污染源追踪都有重要意义。在下阶段工作中,将进一步完善仪器性能,广泛开展多水体水质在线监测工作,发展多功能软件控制平台,推进在线BOD监测仪在相关领域的应用示范作用。

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  Figure 1  Schematic diagram of online biochemical oxygen demand (BOD) monitor

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  Figure 2  Technological process of online BOD monitor

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  Figure 4  Stability and accuracy of online BOD monitor. Sample: 7.5 mg/L gluucosse glutamic acid (GGA). Other conditions as in Fig. 3

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  Figure 5  Determination accuracy of online BOD monitor (■) compared to the conventional method BOD₅ (□). Other conditions as in Fig. 3.

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  Table 1.  MDL determiantion of the online BOD monitor

  序号 No.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	平均值 Mean	标准偏差 SD	检测下限 MDL
  BOD (mg/L)	0.7	0.3	0.5	0.6	0.6	0.7	0.4	0.3	0.7	0.4	0.52	0.16	0.5

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