生物化学需氧量分析仪的研制及应用

 摘要从淀粉厂活性污泥中分离筛 选出单菌体，经培养、固定化制成膜，安装于氧电极表面制 成生物化学需氧量（BOD）传感器 采用微电流放大器、流动注射蔽路系统、计算机综合控制等技术 研制了测定BOD的新仪器，建立r自动快速测定BOD的新方j击。仪器具有自动校准、自动测量、 自动记录结果等功能 仪器测量范围为0～ 1 00mg，L，重复性为3 （F8），基本误差为士5 （Fs） 仪嚣巴长时间在生活污承处理厂应用·其测量结果与BOD~z。标准稀释哮相关系数太于0·98，

传感器仪器研硎制微生物法监测环境污染因子技术是环境科学的重要测试技术之一。对于衡量承质被有机翱污染程度的指标一生物化学需氧量（BOD）的测定，直至今日国内外一直沿用化 学测定法（BOD ）_1一 此方法费时（需5天j、 繁琐、重复性差、受干扰因素多．且起不到指 导污水处理的工艺流程的作用 近30多年 来，各国环境科学工作者开展了快速测定 BOD方法的研究，其中微生物传感器测试法 显示出广阔的应用前景，这是一种微生物性 能与电化学转换器相结合而构成的传感器 研究这种测试方法的首篙论文由日本专家 Karube于j 977年提出l2一。
近L5年来，目内 外发表关于采用微生物传感器央速测定 BOD的论文已有近百篇口 。其中日本科学 家zui早于l 985年试制成功了简易的快速测 量BOD的样机，申请了口’”一，但没有成 为商品销售。t993年在美国匹兹堡展览会上 展出了日本*科学公司研制的微生物 膜传感器快速BOD 分析lf义。世界上其它国 家如美国、前苏联、德国、丹麦、法国等倥发展 到研究固定化微生物膜的技术，寻找合适的 试验条件以及关于微生物对BOD 响应的研 究．还未投入商品样机的研制。 我国河北轻化工学院 ’ 、上海夏旦大 学、中科院武汉病毒所[] 、华东理工大学等 单位也在研究固定化BOD微生物膜技术。 其中，河北轻化工学院从1985年开始立题研 究这种测试技术，经过5年的努力，终于获得 了从废承或污水中筛选培养性能良好的微生 物及理想的制膜技术，并通过试验研制成寿 命长 性能好、使用方便的BOD传感器 我 们将的固定化微生物膜安装于氧电极表 面，采用流动注射分析技术，计算机控制等综 合技术研制成功了快速BOD 商品泌器，并 应用于城市污水处理厂的BOD 监测，得到 良好的效果。

1,仪器的工作原理 I 微生物传感器的结构及测量原理 微生物传感器的结构见图l，首先氧电 极由铂阴极、Ag／AgCl阳极及四氟塑料膜组内充0．5mol／L KCI溶液 再将固定化 微生物膜贴于氧电极表面，构成BOD传感 器。 圉l 微生物膜氧传感器结构 的磷酸盐缓冲溶液中时，则因微生物对BOD 物质的同化作用，使其活性增强而耗氧．导致 传感器输出信号降低（见图2）。在一定的范 围内，传感器输出电流的降低值与BOD物 质的浓度呈线性关系 本仪器正是基于这种 原理而设计的 ／玎1m 圉2 BOD物质在微生物膜氧传感器的响应 本底溶液为0 05 mol／L PBs．A—HoD 1 0 mS／L． B- BOD 3O mg／L．c— BoD 0 mg／L。 当BOD 传感器置于恒温且被氧饱和的 不含BOD物质的磷酸盐缓冲溶液中莳，由仪器的工作原理框 于微生物呼吸活性恒定，传感器输出一十恒 仪器由电子单元及检测单元组成，其工 定的电流值；当传感器置于含有BoD物质 作原理流程如图3 o 圈3 电子单元：恒压极化电源输出0．7 V 电 压施加于传感器的Ag／AgCI电极和铂电极 之间，产出的信号由微电流放大器放大后，转 化成电压信号，进至A／D转换器转化成数字 信号，经计算机处理后由显示器和打印机记 录结果。 检测单元：由恒温槽、蠕动泵、切换阀、测 量池、BOD传感器、空气泵等组成。恒温槽由 控制器控制温度为30’C士0 5℃ ，根据进样 需要，控制器自动控制蠕动泵及切换阀将被 测液体进至流通测量池。频谱分析仪| 电池测试仪| 相序表| 万用表| 功率计| 示波器| 电阻测试仪| 电阻计| 电表| 钳表| 高斯计| 电磁场测试仪|

 2 仪器的设计
2．1 仪器管道流程的确定 我们采用微量氧传感器、Kent公司的电 极流动测量装置、自行设计简易的电流放大 器，在对微生物膜线性范围、响应时间、重复 性等技术指标综合研究的基础卜，对准备试 制的仪器采用何种流程进行了较长时蜘的研 究，zui后采用流动注射分析技术．切换阀选择 样品种类，蠕动泵控制进样流速，空气泵向样 品中鼓气，使得样品保持饱和氧状态，一个带 搅拌的恒温流通测量池（动态），控制精度为 0．5"C的恒温槽，整个仪器通过计算机综合控 制，实现自动操作
2．2 泵、阀、测量池的设计 仪器采用蠕动泵输送流体 国内生产的 蠕动泵虽然较多，但是由于蠕动泵长时间的 开启，泵管均会被压变形及转速不稳，因此采 用引进英国Kent公司的技术，自行设计，用 进El蠕动泵管，试制成功了带有弹性滚珠盘 的双通遭蠕动泵。 切换阀也是仪器的关键部分，由于电磁 阀控制液体不够且有死体积，常引起误 操作。为此我们在有关厂家订制了切换阀，使 用光控元件控制阀门的定位，经过检验．效果 较好。 恒温流通测量池是仪器的心脏部分，由 于微生物在30～ 40℃ 活性虽大、灵敏度虽 高，而氧传感器在温度高于35℃时，其使用 寿命明显缩短，故采用了温度为30℃ 恒温测 量池。氧传感器表面液体的流速对其输出信 号影响较大，因此在这特殊结构的测量池背 面安装有电磁搅拌器，使测量池中溶液充分 地混合且在传感器表面的流速恒定。通过试 验，确定了这种结构复杂、功能众多的测量 池，使用效果相当好。
2．3 计算机采样终点的判断 本仪器中计算机的功能较多，本文只介 绍计算机如何判断传感器输出信号的平衡。 微生物传感器在刚接触到BOD物质响应较 快，但达到平衡需一定时间（约8～l0 min）。 由于每一批微生物膜的试制过程不一致，存 放时间也不一致，其膜的结构不同，故膜建豆 起平衡的速度也不一致 我们作了大量的研 究试验，也查阅了国内外文献，确定当传感器 的输出信号每分钟变化小于3 mV时，作为 计算机判断采样的终止点 但是，微生物膜虽 然响应较慢（约2O min），但仍可用于测量， 故在操作键盘上设置一修改键，可根据膜的 实际情况修改计算机判断采样终点的电位变 化值。
2．4 微电流放大器的试制 由于采用了微量氧传感器，其响应信号 较小，要想获得相应的信号送给A／D 转换 器，必须有一个放大倍数高、精度高、失真极 小的馓电流放大器 查阅了有关手册及元器 件资料，决定采用模块式的微电流放大 器，再加上适当的外围电路，试制成功r具有 放大1 0 倍、失真甚微的微电流放大器，在仪 器的试验过程中得到了良好的结果。

3 仪器的测试及应用
本仪器于l993年】2月经上海市测试技 术研究所测试，其基本误差小于土5 Fs，重 复性小于3 Fs，温度记录仪| 温湿度记录仪响应时间小于10 rain，全部指标均优于标准稀释法，且能作自动监测用。 应用本仪器对上海曹杨污水处理厂、上 海天山污水处理厂城市生活污水样品进行测 试，表1列出5个采样点，不同日期采样，两 种方法的测试结果。统计本法结果与标准稀 释法结果其相关系数大于0．98．可见本方法 具有相当的可靠性，能够推广应用。 表1 城市污水的BOD。与BOD：’ 试方法比较0 ma／L ① Bo 为车方眭．BODl。为标准稀释法。 4 结论 本仪器采用了优良微生物、特殊的固定 化制膜技术及微量氧传感器、流动注射分析 技术、计算机综合控制等技术，具有操作简 易、精度高、响应时间快、分析速度快（每个样 品需20 rain）等优点，与标准稀释法相关系 数高，可逐步代替标准稀释法推广应用