水中BOD及DO含量测定与分析
1 前言
随着人口的增长和工农业发展，我国的用水量急剧上升，水质严重恶化，水资源的供需矛盾日益尖锐。为解决人类面临的资源环境问题，越来越多的部门参与到水质监测中，测量次数和频率逐年增加。1936 年美国公共卫生协会将五日生化需氧量稀释法规定为水和废水的检验方法，从而形成了标准稀释法(BOD5 法) ，并为ISOPTC2147 推荐，我国1987 年将此方法颁布为水质分析方法GB7488287[1]。生化需氧量作为水质监测指标被广泛应用，在废水监测中起着不可替代的作用。
与此同时，天然水中溶解氧(DO)的含量是评价水体、水质和水体自净能力的重要指标，也是水产养殖业、自来水厂、污水处理厂和水质监测部门必不可少的测定项目[2] 。建立溶解氧测量体系，使其测量结果在国际国内达到准确一致，至关重要。但由于经典方法中或多或少都有监测耗时长、时效性差和操作烦琐等缺点与不足，限制了指标的应用，这也使生化需氧量与溶解氧的监测技术的研究一直没有中断。BOD5与DO有密切的关系，本文将对有关的测量方法进行综合、比较与分析探讨，以期对进一步的研究有所参考价值。
2 生化需氧量的测定
2.1 标准稀释法
生化需氧量是反映水质污染程度的一个重要指标，其经典测定方法是稀释接种法，又称标准稀释法。标准稀释法是生化需氧量测定的经典方法，是比对考核、仲裁分析等采用的方法[3]。目前标准稀释法BOD5的测定，指经中和及除去毒性物质或经稀释后的水样(必要时加入适量含好氧性微生物的接种液，以使水样中含有一定数量的对有机物有降解能力的微生物)置入密闭容器(培养瓶)中，于20 ℃暗处放置5d，由测定最初的溶解氧量和5d后的溶解氧量，从而计算出在5d期间的消耗氧量，根据稀释倍数求出BOD5值。微生物分解有机物是一个缓慢的过程，大致可分为两个阶段:第一阶段主要是碳水化合物被氧化，称为碳化阶段，在20℃下要7～20d才能完成;第二阶段是含氮化合物在硝化细菌的作用下被氧化为氨，当水中的氧充足时，再被氧化为亚硝酸和硝酸，称为硝化阶段。第二阶段进行缓慢， 20℃下需100多天才能完成。一般来说，经过5d的生化过程，碳化阶段已进行了大半，大量的吸氧过程已经过去，并开始进入硝化阶段。因此，目前国内外均采用20℃培养5d的生化需氧量作为水体质量的重要参数。
生化过程的复杂性导致影响BOD5测定的因素很多，温度、pH、重金属和合成洗涤剂都会通过影响微生物的活性和增长速度影响测定结果。人们开始尝试利用已知的微生物菌液做接种液，Lee 和Oswald[4] 采用混合的已知微生物接种，发现有明显的后置期。Young 用从污水中分离出的六种微生物分别进行BOD5 实验，对照用污水接种的结果表明对照组的BOD5 值偏高。1995 年日本ItsuseiFujita 用制备的标准化菌种测定葡萄糖二谷胺酸标准溶液结果令人满意，稳定性和精密度比用天然河水等做接种液有了明显提高。下面对有关影响因素作具体分析。
2.1.1 稀释水
通常情况下是指在500mL水中，加入lmL磷酸盐缓冲液、1mLMgS04溶液lmLCaCh溶液和lmLFeCl3溶液，再稀释至1000mL后混匀。稀释水中的溶解氧要求在8-9mg/L之间(20℃)，并且稀释水自身的BOD5应小于0.2mg/L。BOD5的测定过程是一个生物氧化过程，微生物的生长繁殖均需要一定的无机营养元素，而N和P是最基本的无机营养素[5]。因此，在标准测定方法中，必须加入各无机营养物质。若想比较准确地了解水体的纳污能力，准确测定水体的BOD5数值，根据纳污种类的不同，纳污水体中的营养物种类不同，一般需要直接使用纳污水体作为稀释水。但是若选直接水体作为稀释水，水体中所含的部分藻类不仅会消耗溶解氧，也会因为无光合作用而死亡，然后作为有机物消耗溶解氧，造成较为严重的正误差。因此，稀释水的选择也甚为重要。
2.1.2 接种
接种稀释水是BOD5进行质量控制的首要问题，要获得理想的接种水，就必须对接种液进行认真科学的选择，接种液的来源之一是生活污水，生活污水不宜用刚排出的生活污水，最好采用污水井盖下靠井壁位置的水，因为此处污水停留时间长，有利于微生物繁殖生长。在北方冬天天气寒冷，菌种生活能力差，可采用室内培养菌种；接种液的另一来源是花园土浸出液，采集花园土时要考虑季节和温度，春秋季阳光充足温和，适合细菌及微生物繁殖，可从浅层2～3cm处采集;夏季则因温度过高，太阳光直射的缘故要在离地表5～6cm处采集，否则细菌及微生物太少;冬季温度又太低，采集的土样要经增菌方能使用，稀释水接种时还应考虑到接种液的浓度、均匀性及加入量。
2.1.3 水样的稀释倍数
稀释接种法中，稀释比的选择是一个至关重要因素。正确的稀释倍数，应使培养后剩余的溶解氧浓度为原始浓度的1 /3 - 2 /3之间，或消耗的溶解氧在2mg/L以上，而剩余溶解氧在1mg/L以上。为了获得正确的稀释倍数，首先需要仔细分析水样的特点，然后再确定稀释倍数的大小。若水样是溶解氧含量较高，有机物含量较少的清洁地表水，可以不经稀释直接进行生化培养。对于那些已受污染的废水、工业废水等，则必须先稀释再培养。
2.1.4 溶液酸碱度的影响
由于降解有机物的微生物只能在pH = 6.5-8.3的范围内存活，因此在标准监测方法中规定，稀释水的pH值必须用缓冲溶液调至7.2[5]。
2.1.5 测定温度
温度不仅对化学反应有较大的影响，对生化反应也有明显改变。—般说来，温度升高，反应速率加快，有机物的氧化速率随之加快，溶解氧的消耗量也会发生变化。所以，标准监测方法中规定统一的生化培养温度在20℃。
2.1.6 毒害物质的影响
在测定医药、医疗、化工、农药、造纸等废水的BOD5值的时候，尤其要注意的是水样中的各种不同的化学元素(例如: Cd、Cr (V1) 、Cu、Pb、Hg、Ni、Ag、Zn等重金属离子)和化合物(例如:消毒剂、有机农药等)会对微生物产生较大的毒性作用，致使生化培养过程终止，测定结果产生较大误差。
2.1.7 溶解氧
一般稀释水的溶解氧控制在8 ～9mg/L 间较为合适，稀释水中的溶解氧过高或过低都会导致BOD5 试验失败。过高时在培养过程中会因饱和溶解氧自行逸出，
造成BOD5 测定值的正误差;过低则不足以氧化水样中的有机物。另外，冬季采集的地面水，水温通常低于20℃，尤其在北方，水温可达0℃对于较清洁地面水，溶解氧含量通常过饱和，若不将水温提高即直接测定，同样会因过饱和溶氧的自行逸出而造成测定误差。
由于溶解氧与BOD5关系密切（水样经稀释后在约20℃条件下培养5天，求出培养前后水样中的溶解氧的含量，二者的差值即BOD5），下面将着重就溶解氧这一重要影响因素的测定进行分析。
溶解氧(DO) 是评价地面水质的重要指标，它的测定是环境监测中常见的检测项目，在工业、农业、医疗和科研等各个领域也有广泛的应用。目前测定溶解氧的方法主要有:碘量法、电化学探头法和光度法等。
2.1.7.1 碘量法测定水中溶解氧
目前，在环境监测工作中，测定溶解氧较为常用的标准方法为碘量法。对较清洁的无干扰的地表水可直接测定其溶解氧[6]。它的原理是：在水样中加入硫酸锰和碱性钾，水中的溶解氧将二价锰氧化成四价锰，并生成氢氧化物沉淀。加酸后沉淀溶解，四价锰又可氧化碘离子而释放出与溶解氧量相当的游离碘。以淀粉为指示剂，用硫代硫酸钠标准溶液滴定释放出的碘可计算出溶解氧含量[7]。
2.1.7.2 电化学探头法测定水中溶解氧的研究
电化学探头法自动化程度高，使用方便，人为误差小，适于自动连续测量因而也较常用。
2.1.7.2.1 测定原理
氧敏感薄膜电极由两个支持电解质相接触的金属电极及选择性薄膜组成，薄膜只能透过氧和其它气体，而水和水中的溶解性物质则不能透过。透过膜的O2 在电极上还原，产生微弱的扩散电流，在一定温度下电流的大小和水样中溶解氧的含量成正比[9]。
2.1.7.2.2 溶解氧测定仪的使用注意事项
用仪器法测定河水中溶解氧时，有时会出现溶解氧饱和度> 100 %的现象。造成这种现象主要有以下几个原因:
①淌的河水遇到大石块时，可能产生大量的气泡;
②刮大风时，被掀起的河水，含有大量的气泡;
③富营养化的河水;
④仪器自身的误差。
2.1.7.3 水中溶解氧现场快速测定方法
水中溶解氧现场快速测定方法是基于手持式光度计的现场光度法。因其简单、快速、灵敏、可靠而受到普遍欢迎[10]。用光度法测定溶解氧的试剂有亚甲基蓝以及靛蓝试剂等染料。靛蓝试剂因其灵敏度高而受到关注，但是在制备还原态的靛蓝试剂时必须使用剧毒的氰代硼氢化钠，使得其应用受到限制如采用廉价易得的无毒试剂制备还原态的靛蓝试剂，并在此基础上添加辅助试剂，制成了一种测定溶解氧专用的液体试剂。将此试剂封装在特制的玻璃管中，分别采用目视比色和手持式光度计定量测定水中的溶解氧含量，结果令人满意。
2.1.7.3.1 测定原理
测试管中的测试液能与水样中的溶解氧快速定量地反应形成有色化合物，有色化合物颜色的深浅与水样中的溶解氧含量成正比。通过与标准色阶对照，
得到水样中溶解氧的含量。反应式:
O2 +Ln + Qm →[O2Ln ] m - [ (Q+ ) m ]
式中左边Ln 、Qm 代表显色剂的还原形式，为无色，经离子缔合反应生成氧化形式的有色络合，。该反应是比色法测定溶解氧含量的一个特征反应。
2.1.7.3.2 影响因素
（1）零值偏移
由于电解液杂质化学活性的影响，电极各部件绝缘不良的漏电，电极材料的不纯，制造工艺的控制不严等，都造成电极具有残余电流。
（2）示值误差
溶解氧校准溶液的制备方法有从过饱和状态制备和从不饱和状态制备两种方法，两种方法都可用鼓泡和非鼓泡来实现。用不饱和的鼓泡法，其优点是操作简单、平衡时间短(1小时) ，该方法不仅对仪器示值误差进行了检定，而且通过设定恒温槽的温度对仪器的线性也进行了检定。
在各种测量溶解氧的方法中碘量法是溶解氧仲裁测量法，准确度高，但分析过程复杂繁琐、速度慢，不利于现场或野外作业，费时费力，误差控制比较困难，实验中间过程多；电化学探头法可在现场进行测定，人为误差较小，不受水样色度、浊度及化学滴定法中干扰物质的影响，溶解氧测定仪不但可直接测定水温、气压、溶解氧的浓度，还可直接换算成饱和度后显示于屏幕上，适于自动连续测量，但水样中含硫化物藻类碳酸盐油等物质，会使薄膜堵塞或损坏，这时应及时更换薄膜。采用仪器法和化学法测定溶解氧，结果存在规律性的差异，在清洁的水域(湖库为主) ，溶解氧含量很高，接近饱和或过饱和，此情况下仪器值略低于化学值，原因是仪器探头表面水的流速(或探头移动)不够快，使大量的氧分子无法同时透过膜，导致结果偏低一点;在有污染的水域，溶解氧含量较低，且随污染的增加而下降，同时水中还有其它污染物如亚硝酸盐等还原性成分，此情况下仪器值略高于化学值，原因是仪器法不受还原性物质的干扰或干扰小于化学法。光度计法提供了一种快速、简便、抗干扰能力强的水中溶解氧的测定方法，解决了溶解氧的现场测量问题；光度法与化学法相比具有快速、简便、成本低、抗干扰能力强等特点。在环境监测、石油、开采、水产养殖等领域应用前景广阔。
2.2 基于BOD5测定的改进方法
稀释接种法的改进测定方法主要有测压法、增温法、微生物传感器法等。
2.2.1 测压法
微生物呼吸作用而产生的与耗氧量的量相当的CO2 气体被吸收剂吸收，使密闭系统的压力降低，可由压降求出水样的BOD5 值[11]。通过改造差压式直读BOD5测定仪的测量系统和水样培养系统，有效地提高了该仪器的灵敏度和精密度，实现了BOD5 值小于3mgPL 样品的测量，并可连续测量和直读观测。
2.2.2 增温法
增温法就是适当提高反应温度，激化微生物的活性，加速微生物的分解作用，缩短培养周期，达到快速测定。Karube I [12] 根据BOD 反映动力学原理，提出了增温法快速测定BOD5 培养时间计算公式，并计算出了适用绝大多数水样的通用增温培养时间，他通过对增温法理论上的准确性和可行性的分析，证明增温法是可行的。张金华[13]也认为可在35 ℃培养215 天，即可用BOD352.5 来代替BOD205。
微生物传感器法
在报道的众多BOD 传感器当中，采用的单一菌种有枯草芽孢杆菌、皮状丝孢酵母、假单胞菌、异常汉逊氏酵母等;混合菌种有枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的混合菌种、皮状丝孢酵母和地衣芽孢杆菌的混合菌种和活性污泥等。单一菌种的BOD 传感器往往稳定性和重现性好，传感器响应线性范围宽，但所能检测的有机物的种类和适用的废水类型有限。使用混合菌种可使BOD 传感器广普性高适用范围广，但传感器响应线性范围窄、稳定性较差。吴雷等[14]曾使用天津赛普环保科技发展有限公司研制出220A 型流通式BOD 快速测定仪测定水中生化需氧量。220A 型流通式BOD 快速测定仪操作简便，自动化程度高，响应时间短，对标准样品、地表水、生活污水、工业废水进行了精密度、准确度的实验，与标准BOD 5 天法实验进行了对照分析，得到了准确可靠的结果，也是对微生物传感器法很好的说明，下面是对其测定结果的分析。
2.2.3.1 底液的选择
底液选择的目的其一是为了保证测试液的pH值能维持在7.12 左右，其二是磷酸根能与一些干扰的重金属离子形成难溶物，从而降低干扰[14]。
2.2.3.2 测试温度和pH 值的调整
220A 型流通式BOD 快速测定仪，提供了精密恒温控制器，通常选择控制在31 ℃，开机后预热1 小时左右使恒温控制罐内的温场稳定后方可进行测量，否则温度的差异会带来较大的测量误差。通常的标准样品与水样无须对水质的pH 值进
行调整，但对特殊的水样(过于偏酸性或偏碱性的水样) 应在操作前进行pH 值调整，使其pH 值达到7.0左右。
2.2.3.3 工作线性范围和响应时间
工作线性范围: 在测定方法确定条件下的BOD工作曲线，其上限可为60mg/ L ，下限为2mg/ L 。为了缩短分析时间，通常上限控制在BOD35mg/ L以下为好。值得指出的是每次微生物膜更换时，应对工作曲线重新进行校正。响应时间(从样品进入蠕动泵管口到仪器输出电位下降至稳定所需时间):分别对BOD3～60mg/ L 的水样进行测定，最大为8 分钟。
2.2.3.4 有害金属离子的影响
通过实验得到: Co2 + 在50mg/ L 以下;Mn2 + 50mg/L 以下; Zn2 + 10mg/ L 以下; Fe2 +50mg/ L以下;Cu2 + 25mg/ L 以下;Hg2 + 5mg/ L 以下对测定结果不会产生明显的干扰[14]。
3 生化需氧量各种测定方法的比较
营养盐浓度、光照及硝化作用等因素对BOD5 的测定有一定的影响，在测试过程中应注意对这些因素的控制，使其符合规定的条件。简化操作、实现快速测定和提高测定的稳定性、可靠性是BOD5测定的主要问题。接种是标准稀释法要解决的技术关键，而DO过高或过低关系到BOD5试验的成败，所以也要选择合适的方法进行DO的测定，以保证测BOD5时水样有一个合适的溶解氧值;微生物膜传感器法能快速反映各种水体的BOD5，是本领域发展的方向，但普适性不高，响应菌株和配套微生物固定化技术是传感器方法的技术关键，决定着方法的适用性和稳定性，如何适应强酸碱、毒害、高盐度等的特殊水质环境是传感器法要解决的主要问题。通过筛选、驯化获得广普、高效、对特殊测定环境适应强的菌株;多种菌种协同作用机制的研究;开发新的固定化材料和固定化技术，提高固定化膜的响应稳定性和使用寿命，使固定化微生物膜标准化，是传感器研究的主要工作内容。测压法操作简便，测定值可直读、便于随时观测，测定成本低。下面将测定BOD5与DO的各种方法进行列表小结：
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4．结语：
水是人类社会的宝贵资源，是人类赖以生存的主要物质之一，由于人类的生活、生产活动，将大量未经处理的工业废水、生活污水及其他废弃物，往往直接排入环境水体，造成水资源的污染，水质恶化，使淡水资源更加短缺。随着社会对水资源、水环境的不断重视，建立我国生化需氧量及溶解氧测量体系，提高测量结果的准确性和可比性，已刻不容缓。BOD是河系水质监测中较为重要的指标，由于样品可保存时间较短，测定周期较长，试验一旦失败将无法补偿，所以合适的测量方法很重要。DO的含量与大气压、水温、含盐量等因素有关，大气压降低、水温升高、含盐量升高都会导致DO下降。在废水生化处理过程中，DO是一项重要的控制指标。众所周知，BOD与DO结合其他指标可以很好的反映出水质的好坏，结合实际工作条件，选择合适的测定方法，实现经济效益、社会效益、环境效益的统一，是环境工作者要达到的目的[15]。
参考文献:
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[14] 吴雷,张玉惠,220A 型流通式BOD 快速测定仪实验研究,现代科学仪器,2001（5）
[15] 蒲瑞丰等.溶解氧测量探讨,测量与设备,2003（7）
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