水质检测--有机综合指标监测BOD
生化需氧量
生化需氧量(biochemical oxygen demand,BOD)是指在一定条件下,好氧微生物分解水中的可氧化物质,特别是有机物的生物化学过程中所消耗溶解氧的量,结果以O2的mg/L表示。水中存在的硫化物、亚铁等还原性物质也会消耗部分溶解氧,但通常它们的含量都比较低,因此BOD可以间接表示水中有机物质的含量。
通常条件下,要彻底完成水中有机物的生化氧化过程历时需>100d,而要把可降解的有机物全部分解掉则需要>20d的时间。用这么长时间来测定生化需氧量是不现实的。目前,国内外普遍规定在20℃温度条件下培养5d所消耗的溶解氧作为生化需氧量的数值,称为五日生化需氧量,用BOD5表示。
由于硝化菌的世代时间较长,一般要在有机物碳氧化过程发生后5~10d才可能繁殖一定量的硝化菌,开始硝化过程消耗溶解氧。因此,BOD5只是指碳化生化需氧量,即第一阶段生化需氧量,不包括第二阶段硝化过程所消耗的氧量。为了统一起见,在测定五日生化需氧量时,要尽量避免第二阶段硝化作用的发生。对于含硝化细菌较多的水,如废水生物处理后的出水,为了防止硝化阶段提前影响测定结果,可以在测定时投加丙烯基硫脲、亚甲基蓝等化学药剂以抑制硝化作用的发生。
研究表明,第一阶段生化需氧量的变化接近于一级反应,其反应动力学公式可以表示为:
y=L0(1-e-kt)
反应速率常数k值受水质及其实验温度的影响较大,一般变化在0.04~0.30d-1的范围内,表列出了20℃时几种不同水样的k值。
对于生活污水,当温度为20℃时,k值约为0.17d-1,因此,其BOD5约为Lo的86%。BOD5测定方法有非稀释法和非稀释接种法、稀释与接种法(HJ 505—2009)、压力传感器法、减压式库仑法、微生物电极法HJ/T 86—2002)和相关估算法等。
(1)非稀释法和非稀释接种法 较清洁的水样(BOD5不超过6mg/L),其中有足够微生物,用非稀释法测定其BOD5。当水样BOD5不超过6mg/L,但其中没有足够微生物时,如酸性废水、碱性废水、高温废水等则需采用非稀释接种法测定其BOD5。
具体步骤为先调整水温至(20±2)℃内曝气使水中的溶解氧接近饱和(约9mg/L)。将水样装满2个生化需氧量培养瓶(溶解氧瓶),测定其中1个瓶中水样的当日溶解氧,另一个瓶在(20±1)℃的培养箱中培养5天,5天后取出测定瓶中水样剩余的溶解氧。当天溶解氧减去五天后溶解氧所得数值即为水样的BOD5。该方法的检出限为0.5mg/L,方法测定下限为2mg/L,测定上限为6mg/L。为减小误差,可多做几个平行样进行测定。
(2)稀释与稀释接种法 若水样中有机物含量较高(BOD5质量浓度大于6mg/L),且水样中含有足够的微生物,采用稀释法测定;若水样中有机物含量较高(BOD5质量浓度大于6mg/L),但水样中无足够的微生物,采用稀释接种法测定。稀释或稀释接种的目的是降低废水中有机物的浓度,保证在五天培养过程中有充足的溶解氧。根据培养前后溶解氧的变化,并考虑到水样的稀释比或稀释接种量,即可求得水样的五日生化需氧量。该方法的检出限为0.5mg/L,方法测定下限为2mg/L,测定上限为6000mg/L。具体步骤介绍如下。
①稀释水的配制。稀释水一般采用蒸馏水配制,对其溶解氧、温度、pH值、营养物质和有机物含量都有一定的要求。首先,稀释水的溶解氧含量应接近饱和,这样才能为五天内微生物氧化分解有机物提供充足的氧,为此要曝气使水中溶解氧接近饱和,然后于(20±1)℃培养箱中放置一定时间使其达到平衡。其次为了防止影响好氧微生物的活动,稀释水的pH值应保持在6.5~8.5范围内,常用磷酸盐调节pH值,而适合好氧微生物活动的最佳pH值为7.2。此外,微生物还需要各种微量营养元素以维持其正常的生理活动,即要求加入适量的硫酸镁、氯化钙、氯化铁溶液及由磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠和氯化铵所组成的缓冲溶液。另外,稀释水本身不得含有太多的有机物,规定稀释水的BOD5不能超过0.2mg/L。
②稀释倍数的确定。水样用稀释水稀释,确定合适的倍数非常重要。稀释倍数太大或太小,则五天后培养液中剩余的溶解氧太多或太少甚至为零,都不能得到可靠的结果。稀释的程度应使五天培养中所消耗的溶解氧质量浓度不小于2mg/L,而剩余溶解氧的质量浓度在2mg/L以上,且试液中剩余的溶解氧质量浓度为开始浓度的1/3~2/3为最佳。在此前提条件下,稀释倍数可根据水样的总有机碳(TOC)、高锰酸盐指数(IMn)或化学需氧量(CODCr)的测定值,按照表列出的BOD5与TOC、IMn或CODCr的比值R估算BOD5的期望值,再根据表2-27确定稀释因子。当不能准确地选择稀释倍数时,个水样样品需要选择2~3个不同的稀释倍数。
稀释接种水(或稀释水)质量的检查可通过BOD5标准样品来进行。该标准溶液配制方法如下:①将葡萄糖(C6H12O6,优级纯)和谷氨酸(HOOC—CH2—CH2—CHNH2—COOH,优级纯)在130℃干燥1h,各称取150mg溶于1L水中,即得到BOD5为(210±20)mg/L的标准溶液;②取该标准溶液20mL用接种稀释水稀释至1000mL,测定其BOD5,结果应在180~230mg/L范围内,否则应检查接种液(稀释水)的质量。
(3)BOD5结果计算
①非稀释法。非稀释法按下式计算BOD5的测定结果:
ρ=ρ1-ρ2
②非稀释接种法。非稀释接种法按下式计算BOD5的测定结果:
ρ=(ρ1-ρ2)-(ρ3-ρ4)
③稀释与接种法。BOD5测定结果可按下式计算:
BOD是一个能反映废水中可生物氧化的有机物数量的指标。根据发水的BOD5/ODCr(或根据BOD5/TOC或BOD5/IMn比值),可以评价废水的可生化性以及是否可以采用生化法处理等。一般,若该比值大于0.3,认为此种废水适宜采用生化处理方法;若该比值小于0.3,说明废水中不可生物降解的有机物较多,需寻求其他处理途径。
(4)压差法 利用压差法进行BOD连续自动测定的典型装置。这类仪器代表性的有Hach公司的 BODTrak 测定仪,WTW公司的OxiTop型BOD测定仪,哈纳公司的HI99728型BOD测定仪,以及罗维邦公司的ET99724型BOD快速测定仪。
压差法BOD测试的原理:将水样置于特制的玻璃培养瓶中,瓶中加入营养盐、菌液,拧紧瓶盖。瓶盖连接可以感测压力的压电传感器和数显存储记录装置,瓶上空装有二氧化碳吸收剂(氢氧化钠等碱性试剂)。瓶内放入搅拌子,将瓶子放在磁力搅拌器上,整个培养期间连续搅拌。在密闭的培养瓶中,水样中微生物分解有机物消耗水中溶解氧,测试瓶上方空气中的氧气不断补充水中消耗的溶解氧,有机物降解过程中产生的CO2被密封盖中的碱性试剂吸收,瓶内的氧分压和总气压下降,下降的量由压力计记录转换成电信号,并自动换算为BOD的值,每天可由数显记录装置读取测试数据。五天后的读数即为培养瓶内水样的BOD5值。用压差法测定BOD5,一般的地表水和生活污水不需稀释可直接取一定体积水样测定;工业废水一般需稀释后取一定体积测定,仪器所显示的BOD5值要乘上稀释倍数方为原水样的BOD5值。HACH公司的 BODTrak测定仪还可以用图形显示测量结果。
压差法与稀释接种法相比有多方面的优越性,详细见表。
研究表明,压力计测得的BOD5值通常要比标准稀释法的测定值高。这是因为压力计测定过程中,液面上的氧会不断溶解到水中补充水中的溶解氧,使得两种过程的耗氧速率不一样。另外,压力法中水样处于连续搅拌状态,与静止的稀释法在动力学特性上有一定差别,这也导致压力法所测得的结果偏高。
