生物化學(xué)需氧量分析儀的研制及應用

 摘要從淀粉廠(chǎng)活性污泥中分離篩 選出單菌體，經(jīng)培養、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、計算機綜合控制等技術(shù) 研制了測定BOD的新儀器，建立r自動(dòng)快速測定BOD的新方j(luò )擊。儀器具有自動(dòng)校準、自動(dòng)測量、 自動(dòng)記錄結果等功能 儀器測量范圍為0～ 1 00mg，L，重復性為3 (F8)，基本誤差為士5 (Fs) 儀囂巴長(cháng)時(shí)間在生活污承處理廠(chǎng)應用·其測量結果與BOD~z。標準稀釋哮相關(guān)系數太于0·98，

傳感器儀器研硎制微生物法監測環(huán)境污染因子技術(shù)是環(huán)境科學(xué)的重要測試技術(shù)之一。對于衡量承質(zhì)被有機翱污染程度的指標一生物化學(xué)需氧量(BOD)的測定，直至今日國內外一直沿用化 學(xué)測定法(BOD )_1一 此方法費時(shí)(需5天j、 繁瑣、重復性差、受干擾因素多．且起不到指 導污水處理的工藝流程的作用 近30多年 來(lái)，各國環(huán)境科學(xué)工作者開(kāi)展了快速測定 BOD方法的研究，其中微生物傳感器測試法 顯示出廣闊的應用前景，這是一種微生物性 能與電化學(xué)轉換器相結合而構成的傳感器 研究這種測試方法的首篙論文由日本專(zhuān)家 Karube于j 977年提出l2一。
近L5年來(lái)，目?jì)?外發(fā)表關(guān)于采用微生物傳感器央速測定 BOD的論文已有近百篇口 。其中日本科學(xué) 家最早于l 985年試制成功了簡(jiǎn)易的快速測 量BOD的樣機，申請了專(zhuān)利口’”一，但沒(méi)有成 為商品銷(xiāo)售。t993年在美國匹茲堡展覽會(huì )上 展出了日本中央科學(xué)公司最新研制的微生物 膜傳感器快速BOD 分析lf義。世界上其它國 家如美國、前蘇聯(lián)、德國、丹麥、法國等倥發(fā)展 到研究固定化微生物膜的技術(shù)，尋找合適的 試驗條件以及關(guān)于微生物對BOD 響應的研 究．還未投入商品樣機的研制。 我國河北輕化工學(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性能良好的微生 物及理想的制膜技術(shù)，并通過(guò)試驗研制成壽 命長(cháng) 性能好、使用方便的BOD傳感器 我 們將最新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)，計算機控制等綜 合技術(shù)研制成功了快速BOD 商品泌器，并 應用于城市污水處理廠(chǎng)的BOD 監測，得到 良好的效果。

1,儀器的工作原理 I 微生物傳感器的結構及測量原理 微生物傳感器的結構見(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充0．5mol／L KCI溶液 再將固定化 微生物膜貼于氧電極表面，構成BOD傳感 器。 圉l 微生物膜氧傳感器結構 的磷酸鹽緩沖溶液中時(shí)，則因微生物對BOD 物質(zhì)的同化作用，使其活性增強而耗氧．導致 傳感器輸出信號降低(見(jiàn)圖2)。在一定的范 圍內，傳感器輸出電流的降低值與BOD物 質(zhì)的濃度呈線(xiàn)性關(guān)系 本儀器正是基于這種 原理而設計的 ／玎1m 圉2 BOD物質(zhì)在微生物膜氧傳感器的響應 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單元組成，其工 定的電流值；當傳感器置于含有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)出的信號由微電流放大器放大后，轉 化成電壓信號，進(jìn)至A／D轉換器轉化成數字 信號，經(jīng)計算機處理后由顯示器和打印機記 錄結果。 檢測單元：由恒溫槽、蠕動(dòng)泵、切換閥、測 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℃ ，根據進(jìn)樣 需要，控制器自動(dòng)控制蠕動(dòng)泵及切換閥將被 測液體進(jìn)至流通測量池。頻譜分析儀| 電池測試儀| 相序表| 萬(wàn)用表| 功率計| 示波器| 電阻測試儀| 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場(chǎng)測試儀|

 2 儀器的設計
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)測量裝置、自行設計簡(jiǎn)易的電流放大 器，在對微生物膜線(xiàn)性范圍、響應時(shí)間、重復 性等技術(shù)指標綜合研究的基礎卜，對準備試 制的儀器采用何種流程進(jìn)行了較長(cháng)時(shí)蜘的研 究，最后采用流動(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)計算機綜合控 制，實(shí)現自動(dòng)操作
2．2 泵、閥、測量池的設計 儀器采用蠕動(dòng)泵輸送流體 國內生產(chǎn)的 蠕動(dòng)泵雖然較多，但是由于蠕動(dòng)泵長(cháng)時(shí)間的 開(kāi)啟，泵管均會(huì )被壓變形及轉速不穩，因此采 用引進(jìn)英國Kent公司的技術(shù)，自行設計，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 閥控制液體不夠精確且有死體積，常引起誤 操作。為此我們在有關(guān)廠(chǎng)家訂制了切換閥，使 用光控元件控制閥門(mén)的定位，經(jīng)過(guò)檢驗．效果 較好。 恒溫流通測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 量池。氧傳感器表面液體的流速對其輸出信 號影響較大，因此在這特殊結構的測量池背 面安裝有電磁攪拌器，使測量池中溶液充分 地混合且在傳感器表面的流速恒定。通過(guò)試 驗，確定了這種結構復雜、功能眾多的測量 池，使用效果相當好。
2．3 計算機采樣終點(diǎn)的判斷 本儀器中計算機的功能較多，本文只介 紹計算機如何判斷傳感器輸出信號的平衡。 微生物傳感器在剛接觸到BOD物質(zhì)響應較 快，但達到平衡需一定時(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，其膜的結構不同，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，也查閱了國內外文獻，確定當傳感器 的輸出信號每分鐘變化小于3 mV時(shí)，作為 計算機判斷采樣的終止點(diǎn) 但是，微生物膜雖 然響應較慢(約2O min)，但仍可用于測量， 故在操作鍵盤(pán)上設置一修改鍵，可根據膜的 實(shí)際情況修改計算機判斷采樣終點(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，其響應信號 較小，要想獲得相應的信號送給A／D 轉換 器，必須有一個(gè)放大倍數高、精度高、失真極 小的馓電流放大器 查閱了有關(guān)手冊及元器 件最新資料，決定采用模塊式的微電流放大 器，再加上適當的外圍電路，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 器的試驗過(guò)程中得到了良好的結果。

3 儀器的測試及應用
本儀器于l993年】2月經(jīng)上海市測試技 術(shù)研究所測試，其基本誤差小于土5 Fs，重 復性小于3 Fs，響應時(shí)間小于10 rain，全部指標均優(yōu)于標準稀釋法，且能作自動(dòng)監測用。 應用本儀器對上海曹楊污水處理廠(chǎng)、上 海天山污水處理廠(chǎng)城市生活污水樣品進(jìn)行測 試，表1列出5個(gè)采樣點(diǎn)，不同日期采樣，兩 種方法的測試結果。統計本法結果與標準稀 釋法結果其相關(guān)系數大于0．98．可見(jiàn)本方法 具有相當的可靠性，能夠推廣應用。 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。為標準稀釋法。 4 結論 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)、計算機綜合控制等技術(shù)，具有操作簡(jiǎn) 易、精度高、響應時(shí)間快、分析速度快(每個(gè)樣 品需20 rain)等優(yōu)點(diǎn)，與標準稀釋法相關(guān)系 數高，可逐步代替標準稀釋法推廣應用