生物化學(xué)需氧量分析儀的研制及應(yīng)用
摘要從淀粉廠活性污泥中分離篩 選出單菌體，經(jīng)培養(yǎng)、固定化制成膜，安裝于氧電極表面制 成生物化學(xué)需氧量（BOD）傳感器 采用微電流放大器、流動(dòng)注射蔽路系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)綜合控制等技術(shù) 研制了測(cè)定BOD的新儀器，建立r自動(dòng)快速測(cè)定BOD的新方j(luò)擊。儀器具有自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)測(cè)量、 自動(dòng)記錄結(jié)果等功能 儀器測(cè)量范圍為0～ 1 00mg，L，重復(fù)性為3 （F8），基本誤差為士5 （Fs） 儀囂巴長(zhǎng)時(shí)間在生活污承處理廠應(yīng)用·其測(cè)量結(jié)果與BOD~z。標(biāo)準(zhǔn)稀釋哮相關(guān)系數(shù)太于0·98，傳感器儀器研硎制微生物法監(jiān)測(cè)環(huán)境污染因子技術(shù)是環(huán)境科學(xué)的重要測(cè)試技術(shù)之一。對(duì)于衡量承質(zhì)被有機(jī)翱污染程度的指標(biāo)一生物化學(xué)需氧量分析儀的研制及應(yīng)用
生物化學(xué)需氧量（BOD）的測(cè)定，直至今日國(guó)內(nèi)外一直沿用化 學(xué)測(cè)定法（BOD ）_1一 此方法費(fèi)時(shí)（需5天j、 繁瑣、重復(fù)性差、受干擾因素多．且起不到指 導(dǎo)污水處理的工藝流程的作用 近30多年 來(lái)，各國(guó)環(huán)境科學(xué)工作者開(kāi)展了快速測(cè)定 BOD方法的研究，其中微生物傳感器測(cè)試法 顯示出廣闊的應(yīng)用前景，這是一種微生物性 能與電化學(xué)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合而構(gòu)成的傳感器 研究這種測(cè)試方法的首篙論文由日本專家 Karube于j 977年提出l2一。
近L5年來(lái)，目?jī)?nèi) 外發(fā)表關(guān)于采用微生物傳感器央速測(cè)定 BOD的論文已有近百篇口 。其中日本科學(xué) 家zui早于l 985年試制成功了簡(jiǎn)易的快速測(cè) 量BOD的樣機(jī)，申請(qǐng)了口’”一，但沒(méi)有成 為商品銷(xiāo)售。t993年在美國(guó)匹茲堡展覽會(huì)上 展出了日本中央科學(xué)公司研制的微生物 膜傳感器快速BOD 分析lf義。世界上其它國(guó) 家如美國(guó)、前蘇聯(lián)、德國(guó)、丹麥、法國(guó)等倥發(fā)展 到研究固定化微生物膜的技術(shù)，尋找合適的 試驗(yàn)條件以及關(guān)于微生物對(duì)BOD 響應(yīng)的研 究．還未投入商品樣機(jī)的研制。 我國(guó)河北輕化工學(xué)院 ’ 、上海夏旦大 學(xué)、中科院武漢病毒所[] 、華東理工大學(xué)等 單位也在研究固定化BOD微生物膜技術(shù)。 其中，河北輕化工學(xué)院從1985年開(kāi)始立題研 究這種測(cè)試技術(shù)，經(jīng)過(guò)5年的努力，終于獲得 了從廢承或污水中篩選培養(yǎng)性能良好的微生 物及理想的制膜技術(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)研制成壽 命長(zhǎng) 性能好、使用方便的BOD傳感器 我 們將的固定化微生物膜安裝于氧電極表 面，采用流動(dòng)注射分析技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制等綜 合技術(shù)研制成功了快速BOD 商品泌器，并 應(yīng)用于城市污水處理廠的BOD 監(jiān)測(cè)，得到 良好的效果。
1,儀器的工作原理 I 微生物傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理 微生物傳感器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖l，首先氧電 極由鉑陰極、Ag／AgCl陽(yáng)極及四氟塑料膜組內(nèi)充0．5mol／L KCI溶液 再將固定化 微生物膜貼于氧電極表面，構(gòu)成BOD傳感 器。 圉l 微生物膜氧傳感器結(jié)構(gòu) 的磷酸鹽緩沖溶液中時(shí)，則因微生物對(duì)BOD 物質(zhì)的同化作用，使其活性增強(qiáng)而耗氧．導(dǎo)致 傳感器輸出信號(hào)降低（見(jiàn)圖2）。在一定的范 圍內(nèi)，傳感器輸出電流的降低值與BOD物 質(zhì)的濃度呈線性關(guān)系 本儀器正是基于這種 原理而設(shè)計(jì)的 ／玎1m 圉2 BOD物質(zhì)在微生物膜氧傳感器的響應(yīng) 本底溶液為0 05 mol／L PBs．A—HoD 1 0 mS／L． B- BOD 3O mg／L．c— BoD 0 mg／L。 當(dāng)BOD 傳感器置于恒溫且被氧飽和的 不含BOD物質(zhì)的磷酸鹽緩沖溶液中蒔，由儀器的工作原理框 于微生物呼吸活性恒定，傳感器輸出一十恒 儀器由電子單元及檢測(cè)單元組成，其工 定的電流值；當(dāng)傳感器置于含有BoD物質(zhì) 作原理流程如圖3 o 圈3 電子單元：恒壓極化電源輸出0．7 V 電 壓施加于傳感器的Ag／AgCI電極和鉑電極 之間，產(chǎn)出的信號(hào)由微電流放大器放大后，轉(zhuǎn) 化成電壓信號(hào)，進(jìn)至A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字 信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后由顯示器和打印機(jī)記 錄結(jié)果。 檢測(cè)單元：由恒溫槽、蠕動(dòng)泵、切換閥、測(cè) 量池、BOD傳感器、空氣泵等組成。恒溫槽由 控制器控制溫度為30’C士0 5℃ ，根據(jù)進(jìn)樣 需要，控制器自動(dòng)控制蠕動(dòng)泵及切換閥將被 測(cè)液體進(jìn)至流通測(cè)量池。
2 儀器的設(shè)計(jì)
2．1 儀器管道流程的確定 我們采用微量氧傳感器、Kent公司的電 極流動(dòng)測(cè)量裝置、自行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的電流放大 器，在對(duì)微生物膜線性范圍、響應(yīng)時(shí)間、重復(fù) 性等技術(shù)指標(biāo)綜合研究的基礎(chǔ)卜，對(duì)準(zhǔn)備試 制的儀器采用何種流程進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)蜘的研 究，zui后采用流動(dòng)注射分析技術(shù)．切換閥選擇 樣品種類(lèi)，蠕動(dòng)泵控制進(jìn)樣流速，空氣泵向樣 品中鼓氣，使得樣品保持飽和氧狀態(tài)，一個(gè)帶 攪拌的恒溫流通測(cè)量池（動(dòng)態(tài)），控制精度為 0．5"C的恒溫槽，整個(gè)儀器通過(guò)計(jì)算機(jī)綜合控 制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作
2．2 泵、閥、測(cè)量池的設(shè)計(jì) 儀器采用蠕動(dòng)泵輸送流體 國(guó)內(nèi)的 蠕動(dòng)泵雖然較多，但是由于蠕動(dòng)泵長(zhǎng)時(shí)間的 開(kāi)啟，泵管均會(huì)被壓變形及轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，因此采 用引進(jìn)英國(guó)Kent公司的技術(shù)，自行設(shè)計(jì)，用 進(jìn)El蠕動(dòng)泵管，試制成功了帶有彈性滾珠盤(pán) 的雙通遭蠕動(dòng)泵。 切換閥也是儀器的關(guān)鍵部分，由于電磁 閥控制液體不夠且有死體積，常引起誤 操作。為此我們?cè)谟嘘P(guān)訂制了切換閥，使 用光控元件控制閥門(mén)的定位，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)．效果 較好。 恒溫流通測(cè)量池是儀器的心臟部分，由 于微生物在30～ 40℃ 活性雖大、靈敏度雖 高，而氧傳感器在溫度高于35℃時(shí)，其使用 壽命明顯縮短，故采用了溫度為30℃ 恒溫測(cè) 量池。氧傳感器表面液體的流速對(duì)其輸出信 號(hào)影響較大，因此在這特殊結(jié)構(gòu)的測(cè)量池背 面安裝有電磁攪拌器，使測(cè)量池中溶液充分 地混合且在傳感器表面的流速恒定。通過(guò)試 驗(yàn)，確定了這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能眾多的測(cè)量 池，使用效果相當(dāng)好。
2．3 計(jì)算機(jī)采樣終點(diǎn)的判斷 本儀器中計(jì)算機(jī)的功能較多，本文只介 紹計(jì)算機(jī)如何判斷傳感器輸出信號(hào)的平衡。 微生物傳感器在剛接觸到BOD物質(zhì)響應(yīng)較 快，但達(dá)到平衡需一定時(shí)間（約8～l0 min）。 由于每一批微生物膜的試制過(guò)程不一致，存 放時(shí)間也不一致，其膜的結(jié)構(gòu)不同，故膜建豆 起平衡的速度也不一致 我們作了大量的研 究試驗(yàn)，也查閱了國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，確定當(dāng)傳感器 的輸出信號(hào)每分鐘變化小于3 mV時(shí)，作為 計(jì)算機(jī)判斷采樣的終止點(diǎn) 但是，微生物膜雖 然響應(yīng)較慢（約2O min），但仍可用于測(cè)量， 故在操作鍵盤(pán)上設(shè)置一修改鍵，可根據(jù)膜的 實(shí)際情況修改計(jì)算機(jī)判斷采樣終點(diǎn)的電位變 化值。
2．4 微電流放大器的試制 由于采用了微量氧傳感器，其響應(yīng)信號(hào) 較小，要想獲得相應(yīng)的信號(hào)送給A／D 轉(zhuǎn)換 器，必須有一個(gè)放大倍數(shù)高、精度高、失真極 小的馓電流放大器 查閱了有關(guān)手冊(cè)及元器 件資料，決定采用模塊式的微電流放大 器，再加上適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，試制成功r具有 放大1 0 倍、失真甚微的微電流放大器，在儀 器的試驗(yàn)過(guò)程中得到了良好的結(jié)果。
3 儀器的測(cè)試及應(yīng)用
本儀器于l993年】2月經(jīng)上海市測(cè)試技 術(shù)研究所測(cè)試，其基本誤差小于土5 Fs，重 復(fù)性小于3 Fs，響應(yīng)時(shí)間小于10 rain，全部指標(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)稀釋法，溫度記錄儀| 溫濕度記錄儀且能作自動(dòng)監(jiān)測(cè)用。 應(yīng)用本儀器對(duì)上海曹楊污水處理廠、上 海天山污水處理廠城市生活污水樣品進(jìn)行測(cè) 試，表1列出5個(gè)采樣點(diǎn)，不同日期采樣，兩 種方法的測(cè)試結(jié)果。統(tǒng)計(jì)本法結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)稀 釋法結(jié)果其相關(guān)系數(shù)大于0．98．可見(jiàn)本方法 具有相當(dāng)?shù)目煽啃裕軌蛲茝V應(yīng)用。 表1 城市污水的BOD。與BOD：’ 試方法比較0 ma／L ① Bo 為車(chē)方眭．BODl。為標(biāo)準(zhǔn)稀釋法。 4 結(jié)論 本儀器采用了優(yōu)良微生物、特殊的固定 化制膜技術(shù)及微量氧傳感器、流動(dòng)注射分析 技術(shù)、計(jì)算機(jī)綜合控制等技術(shù)，具有操作簡(jiǎn) 易、精度高、響應(yīng)時(shí)間快、分析速度快（每個(gè)樣 品需20 rain）等優(yōu)點(diǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)稀釋法相關(guān)系 數(shù)高，可逐步代替標(biāo)準(zhǔn)稀釋法推廣應(yīng)用生物化學(xué)需氧量分析儀的研制及應(yīng)用