生化需氧量测定方法的研究进展及现状
摘要：全面评述了生化需氧量测定方法的研究进展及应用现状，重点讨论了BOD的传统测定方法、快速测定方法及在线分析仪的原理、特点、应用范围及局限性，指出稀释接种法仍是目前测定BOD的经典方法，被广泛应用于常规监测、比对实验、考核、仲裁分析等领域，但准确可靠、经济适用的快速测定方法和各种新型在线分析仪的研究与应用却是环保行业未来发展的方向。
关键词：生化需氧量；测定方法；研究现状
中图分类号：X832文献标识码：A文章编号：16749944（2013）02013804
1引言
生化需氧量（BOD）是指在有氧存在的条件下，微生物分解水中的可氧化性物质所进行的生物化学反应中所消耗的溶解氧的量，以氧的mg/L表示，它是衡量水体受有机物污染程度的综合性重要指标之一。整个生化过程包括两个阶段：第一个阶段为碳化阶段，主要是微生物将有机物中的碳和氢氧化生成CO2和H2O，20℃下完成此阶段需要20d左右；第二个阶段为硝化阶段，是硝化细菌将含氮有机物和氨氧化生成亚硝酸盐和硝酸盐，20℃下完成此阶段需要100d左右[1]。水样经过5d的生物氧化，碳化阶段可完成大半，并开始进入硝化阶段。尤其对生活污水来说，5d的耗氧量相当于完全氧化分解耗氧量的70%，因此国内外普遍规定将水样在20±1℃培养5d，分别测定培养前后的溶解氧，二者之差即为BOD5值[2，3]。在水环境监测中，BOD5能相对表示微生物可氧化的有机污染物的含量，比较符合水体自然净化功能和大部分污水处理工艺路线的设计思想，是研究水样的可生化降解性和生化处理工艺动力学的重要参数[4]。因此，BOD的测定对水体污染控制和对水环境功能评价具有非常重要的意义。
2稀释与接种法
生化需氧量的传统测定方法是稀释与接种法，是指水样经含有营养液的接种稀释水适度稀释后在20±1℃培养5d，测定培养前后水样中溶解氧的质量浓度，由二者之差计算每升样品所消耗的溶解氧量，表示为BOD5。该法是1913年由英国皇家污水处理委员会正式提出，美国公共卫生协会1936年将（20℃）5d生化需氧量稀释法定为水和废水的标准检验方法，从而形成了测定BOD5的标准稀释法，并为ISO/TC-147所推荐[5]。我国1987年将此方法颁布为水质分析方法标准GB7488-87，并由环境保护部于2009年修订后颁布为HJ505-2009标准[6]。
自从BOD5在国际上被确定为重要的水质有机污染指标和监测参数之一以来，许多研究人员和分析工作者对其测定方法一直在坚持不懈地研究和改进，截至目前国内外仍以稀释与接种法作为经典方法广泛应用于常规监测、比对实验、标样考核、仲裁分析等领域。然而，在实际工作中，稀释与接种法也有许多不足之处，如操作复杂、耗时耗力、精密度差、干扰性大、适用范围有限、不宜现场监测等[7，8]。
3BOD快速测定方法
3.1微生物传感器法
Verrismmen于1976年首先提出用氧电极接种污泥法测定BOD，为生物传感技术发展及BOD测定传感器的研制奠定了坚实的基础。1977年，Karube[9]等采用固定化技术研制成了第一台测定BOD的微生物传感器，Hikuma[10]等和Strand[11]等又分别用多孔醋酸纤维素膜固定酵母菌和活性污泥富集菌对其进行改进，延长了传感器的使用寿命。1983年日本的大谷芳亨研制出BOD的连续测定装置，用于测定营养型废水中的BOD，日本成为了世界上率先研制出BOD快速测定仪的国家，并在1990年颁布了微生物电极法工业标准（JISK3602—1990）。2000年，Chee[12]等和Koenig[13]等曾用溶解氧光纤维制成了BOD传感器。国内对BOD微生物传感器开展研究的主要有武汉病毒研究所的张先恩[14]、河北轻化工学院的孙裕生[15]、上海华东化工学院的李友荣[16]、上海复旦大学的邓家祺[17]，以及华南理工化学工程所的阮复昌等[7]，他们分别从BOD传感器、菌种筛选、微生物膜及测定电极系统等方法展开研究，为BOD微生物传感器在我国问世做出了突出贡献。我国于2002年颁布了微生物传感器快速测定法（HJ/T86-2002），BOD生物传感器也由此迈开了商业化的步伐[18]。
微生物传感器法测定BOD的原理是待测样品与空气以一定流量进入流通测量池内与微生物传感器接触，样品中溶解态可生化降解的有机物被菌膜中的微生物分解，使扩散到氧电极表面的氧减少，当样品中可生化降解的有机物向菌膜的扩散速度达到恒定时，扩散到氧电极表面上的氧也达到恒定并产生恒定电流，该电流与样品中可生化降解的有机物的差值及氧的减少量存在相关关系，据此计算出样品的BOD，再与BOD5标准样品对比换算得到样品的BOD5值[19]。与标准稀释法相比，微生物传感器法具有测定时间短、精度较高、重现性好等优点，但是当水样中对BOD有贡献的悬浮物含量较高或含有难生化降解的有机物时，测定结果会产生偏差，而且该方法不能用于含有高浓度氰化物、杀菌剂、农药类和游离氯等水样的测定。
3.2测压法
测压法是将水样置于密闭的培养瓶中，并在瓶口处放置一个装有NaOH或KOH的小杯，当培养瓶内的氧被微生物消耗的同时，由微生物呼吸产生的与耗氧量的量相当的CO2气体被碱吸收，密闭系统的压力会降低，通过压力计测出其压降，即可求出水样的BOD5值。该法操作简便、节省人力和试剂、可直读BOD值、便于随时观查，而且仪器构造简单、性能相对稳定、比较适合于批量样品的测定。张爱丽[20，21]等对差压式直读BOD测定仪及其测试方法进行了改进，有效地提高了仪器的灵敏度和精密度，扩大了测定范围，并可连续测量，提高了仪器的使用效率。目前应用测压法测定BOD5的仪器型号较多，国外的主要有德国WTW公司生产的TS606-G/4-i和意大利生产的ET99724A BOD测定仪，国产仪器为江苏电分析仪器厂生产的890型微机BOD5测定仪[4]。
2013年2月绿色科技第2期
陈丽琼，等：生化需氧量测定方法的研究进展及现状环境与安全
3.3检压库仑法
检压库仑法测定BOD是指在特制装置中，微生物分解待测样品中的有机物，消耗其中的氧气而释放出CO2，释放出的CO2被吸收剂吸收，使瓶内的压力降低，消耗掉的氧气又由电解产生的氧气不断补充，使培养瓶内的压力始终保持平衡，根据微生物分解样品时的耗氧量可计算其BOD5值。该方法是将化学分析转化为物理量的测定，其操作过程变得更为简单。检压法是由西德Sierp最先提出[1]，但仪器不够完善，Galdwell、Langelire和Gellman[22]等人又在Sierp装置的基础上进行了改进，采用瓦勃计测定BOD，结果证明该方法的灵敏度更高，测定范围更宽。Dillinghom[23]用纯葡萄糖溶液进行验证，也发现瓦勃式法比稀释法更为准确。
3.4增温法
增温法就是在稀释接种法培养温度的基础上适当提高反应温度，激化微生物的活性，加快其分解作用，缩短水样培养时间，以达到快速测定样品中BOD的目的。张金华[24]根据BOD反映动力学原理，提出了应用增温法快速测定BOD5的培养时间的计算公式，并计算出高温条件下适合绝大多数水样的培养时间。他通过对增温法理论上的准确性和可行性，以及大量应用实例进行分析，证明增温法测定水样的BOD是可行的。Young[25]也认为样品在35℃培养2.5d的BOD值与20℃培养5d没有差别。
3.5活性污泥曝气降解法
在温度为30～35℃，用活性污泥强制曝气降解样品2h，经重铬酸钾消解生物降解前、后的样品，测定生物降解前和生物降解后的化学需氧量，其差值即为BOD，可根据与标准方法的对比实验结果换算出样品的BOD5值。黄平路等[26]采用活性污泥曝气法测定地表水和工业废水中的BOD5，结果证明该方法具有操作简单、分析快捷、准确度和精密度高、测定范围宽、可及时提供监测结果等优点，但不易准确控制培养瓶内的空气流量，给体积定量造成困难，所以该方法在日常监测工作中尚未普及。
3.6紫外曝气法
紫外（UV）曝气法是用紫外光对待测样品进行扫描，样品中的有机物对紫外光会产生吸收，不同种类和结构的有机物的∧max与ε也不同，而且水样中结构越复杂、毒性越大、越难降解的有机物产生的吸收值越大，ε也越大。UV曝气法测定BOD的过程主要包括生化处理池曝气、生物膜处理水样和污水排入河道后的实际模拟几个部分，其真实性比BOD5强，因此该方法测得的BOD值对评价各种水体有机污染的程度和污水处理效果，以及对相关处理设备运行参数的调整等方面都具有实际的指导意义[27]。
3.7分光光度法
分光光度法是在传统的五日测定法基础上，采用I3--结晶紫-聚乙烯醇（PVA）体系测定5d前后培养水样中溶解氧的浓度，以碘酸钾为溶解氧标准溶液，与过量碘化钾反应生成单质碘，新生成的I3-与结晶紫在PVA存在下结合成的电中性离子缔合物在550nm处有最大吸收，采用光度法测定5d前后培养水样中的溶解氧，根据其变化量计算出BOD5值。沙鸥等[28，29]采用该方法对BOD5标准样品、葡萄糖-谷氨酸标准溶液和污水厂进出口水样进行测定，所得结果与国家标准方法测定结果一致，同时证明该法试剂用量少，分析误差小、测定灵敏度高，为环境水样中BOD5的测定提供了更为灵敏准确的方法。
3.8近红外光谱法
近红外光谱法是以透射法采集水样的近红外光谱，利用水样中有机污染物在短波近红外区（800～1350nm）的吸收峰，与标准方法测定的BOD值建立相关关系曲线，测得样品的近红外光谱即可通过曲线计算出水样的BOD5值。近红外光谱法作为一种新的水质快速测定方法，不仅操作简便、测定速度快、不产生二次污染、适合现场检测，还具有与光纤技术结合构建大型、远距离、自动化、网络化的在线监测系统的潜力，但水中存在的杀菌剂、游离氯、藻类、硝化微生物等会使得测定结果产生偏差[30，31]。
3.9重铬酸钾紫外光度法
重铬酸钾紫外光度法是指在规定的条件下，先用活性污泥降解待测样品，再经重铬酸钾消解生物降解前和生物降解后的样品，用紫外光扫描反应前后重铬酸钾的变化量，以求得生物降解前和生物降解后的化学需氧量，其差值即为BOD，再换算成BOD5值。谢炜平和刘敬等[32，33]研究证明用重铬酸钾紫外光度法测定水中的BOD5具有操作简单、经济实惠、精密度和准确度高、测定范围宽、适用面广等优点，是测定水体中有机物污染物的较好方法，但也存在一些缺点，如BOD实验的稳定性较差、软件设计不够灵活、打出的数据指示不详等，此法还有待改进。
3.10坪台值法
坪台值法是指在驯化培养微生物的系统中，样品静态曝气一段时间，可生物降解的有机物完全被微生物群代谢吸收，当混合液的COD和滤出液对时间的曲线上出现稳定的坪台值时，二者之差即代表样品的BOD值。BOD坪台值虽有良好的重现性，但它仅适用于水样中有机物强度的测定，而与水样BOD5的测定不存在可比性[1]。
4BOD在线监测仪
随着环保事业的不断发展和污水处理力度的加大，BOD在线监测仪的研发及普及应用已势在必行。目前为止，国内外均未制定BOD在线监测标准方法，市场上应用较多的主要有生物反应器法、微生物电极法和UV法三类[7]。
生物反应器法的测定原理是利用特殊的中空材料吸附大量的微生物，当待测水样进入反应器后，在搅拌条件下微生物迅速降解水样中的有机物，通过测定水样降解前和降解后的溶解氧，并与反应器的内置标准曲线对比计算得BOD值，多个反应器连续工作即可实现水样的在线监测。该种BOD在线监测仪的代表产品为北京北美仪器公司生产的BIOX-1010系列，可用以工业或城市污水BOD的在线连续测定。
微生物电极法与前面介绍的微生物传感器法原理相同，但在线监测仪的结构复杂，需要定期添加标准溶液和更换进液管路及微生物膜。我国生产的该类BOD快速测定仪不仅测量范围较宽，还可以实时在线准确监测，可达国际先进水平。
UV法是指在特定波长条件下，依据样品中有机物的光谱吸收强度与待测溶液浓度的相关关系来测定样品中有机物的含量。但采用该法所测定数据的重现性及其与BOD5的相关性依赖于水样的稳定性，而许多不稳定样品中的有机物在指定波长区间内没有吸收光谱，使得UV法很难精确测定BOD，所得数据只可以对水样进行定性判断。
5结语
生化需氧量作为衡量水中有机物污染程度的一项重要指标，其测定过程受物理、化学和生物等多种因素的影响，所以不论是传统的稀释与接种法还是各种BOD快速测定方法所测定的结果，用以评价其对环境的影响都存在一定缺陷。稀释与接种法虽然测定过程繁琐，但对于测定生活污水和某些可降解的有机物来说，方法较为稳定、准确度较高、重视性较好，因此目前在比对实验、标样考核、仲裁分析等过程中还必须采用此法测定。如果BOD只是作为判定水质污染状况的综合指标，则BOD快速测定对水质的适时监控及污水处理设备参数的调控更具实际意义，而且随着环保事业的发展前进，各种新型的在线分析仪也必将蓬勃发展起来。
参考文献：
＼[1＼]张静，崔建升，刘辉，等. 生化需氧量（BOD5）测定方法进展＼[J＼]. 河北化工， 2006， （1）：12～15，21.
＼[2＼]陶淑芸. 生化需氧量（BOD）测定方法浅析＼[J＼]. 人民长江，2012，43（12）：81～85.
＼[3＼]倪红梅，慕春梅，郭玉华. BOD5测定的简捷方法研究＼[J＼].内蒙古环境保护， 2006， 18（1）： 39～40.
＼[4＼]黄伟，徐鑫，刘万超. BOD5测定方法的研究＼[J＼]. 实验室研究与探索， 2006， 25（9）： 1061～1064
＼[5＼]李国刚，王德龙.生化需氧量（BOD）测定方法综述＼[J＼]. 中国环境监测，2004，20（2）：54～57.
＼[6＼]环境保护部.HJ/T505-2009 水质五日生化需氧量（ BOD5）的测定-稀释与接种法＼[S＼].北京：中国环境科学出版社，2009.
＼[7＼]李华玲，杜秀月，冉敬文，等. 生化需氧量（BOD）测定方法进展＼[J＼]. 盐湖研究，2005，13（3）：62～66.
＼[8＼]阮复昌，李向明，莫炳禄，等. 一种新的五日生物需氧量分析方法＼[J＼]. 分析测试学报. 1997， 16（5）： 14～17.
＼[9＼]Karube. I，Matsunaga T，Mitsuda S ， and Suzuki S. Microbial electrode BOD sensors＼[J＼]. Biotechnol. Bioeng， 1977，19：1535～1547.
＼[10＼]Hikuma M，Suzuki H，Yasuda T，Karube I. Amperometric esti-mation of BOD by using living immobilized yeasts＼[J＼]. Microbiol Biotechnol，1979，8：189.
＼[11＼]Strand S E. Rapid BOD measurement for municipal wastewater samples using a biofilm electrode＼[J＼]. JWPCF，1984， 56 （5） ：464.
＼[12＼]Chee G. J ，Nomura Y，Ikebukuro K，et al . Optical biosensor for the determination of low biochemical oxygen demand＼[J＼]. Biosens Bioelectron，2000，15：371～376.
＼[13＼]Koenig A，Bachmann T，Metzger， et al . Disposable sensor for measuring the biochemical oxygen demand for nitrification and inhibition of nitrification in wastewater＼[J＼]. Appl Microbiol Biotechnol，1999，51：112～117.
＼[14＼]张先恩，王志通，简浩然. BOD生物传感器的研究＼[J＼].环境科学学报，1986，6（2）：184～192.
＼[15＼]孙裕生，刘宪梅. 微生物膜BOD电极的研究＼[J＼]. 环境科学，1989，10（6）：53～56.
＼[16＼]李友荣，储炬. 流通式BOD电极系统的研究＼[J＼]. 生物工程学报，1989 ，5（3）：235～240.
＼[17＼]邓家祺，蔡武城. 伏安式快速测定BOD的微生物传感器研制＼[J＼]. 上海环境科学，1991，10（3）：25～27.
＼[18＼]田秀英，马清润，王娜，等. 水体中有机污染综合指标的快速监测方法进展＼[J＼]. 河北工业科技， 2009， 26（4）： 283～286.
＼[19＼]张梅. 对生化需氧量测试方法的探讨＼[J＼]. 环保前线，2007，（6）：9～11.
＼[20＼]张爱丽，项学敏，周集体，等. 差压式直读BOD5测定仪的改造＼[J＼]. 分析仪器， 1998， 3（6）：680～685.
＼[21＼]张爱丽，项学敏，周集体，等. 差压式直读BOD测定仪的改造及性能研究＼[J＼].大连铁道学院学报，1998，19（2）：64～67.
＼[22＼]Galdawell D H， Lange W F. Sewagewks＼[J＼].刊名，1948，（20）：202～218.