生物化學(xué)需氧量分析儀的研制及應(yīng)用

生物化學(xué)需氧量分析儀的研制及應(yīng)用

 摘要從淀粉廠活性污泥中分離篩 選出單菌體，經(jīng)培養(yǎng)、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、流動注射蔽路系統(tǒng)、計算機(jī)綜合控制等技術(shù) 研制了測定BOD的新儀器，建立r自動快速測定BOD的新方j(luò)擊。儀器具有自動校準(zhǔn)、自動測量、 自動記錄結(jié)果等功能 儀器測量范圍為0～ 1 00mg，L，重復(fù)性為3 (F8)，基本誤差為士5 (Fs) 儀囂巴長時間在生活污承處理廠應(yīng)用·其測量結(jié)果與BOD~z。標(biāo)準(zhǔn)稀釋哮相關(guān)系數(shù)太于0·98，

傳感器儀器研硎制微生物法監(jiān)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(jī)翱污染程度的指標(biāo)一生物化學(xué)需氧量(BOD)的測定，直至今日國內(nèi)外一直沿用化 學(xué)測定法(BOD )_1一 此方法費(fèi)時(需5天j、 繁瑣、重復(fù)性差、受干擾因素多．且起不到指 導(dǎo)污水處理的工藝流程的作用 近30多年 來，各國環(huán)境科學(xué)工作者開展了快速測定 BOD方法的研究，其中微生物傳感器測試法 顯示出廣闊的應(yīng)用前景，這是一種微生物性 能與電化學(xué)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合而構(gòu)成的傳感器 研究這種測試方法的首篙論文由日本專家 Karube于j 977年提出l2一。
近L5年來，目內(nèi) 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年試制成功了簡易的快速測 量BOD的樣機(jī)，申請了專利口’”一，但沒有成 為商品銷售。t993年在美國匹茲堡展覽會上 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(yīng)的研 究．還未投入商品樣機(jī)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年開始立題研 究這種測試技術(shù)，經(jīng)過5年的努力，終于獲得 了從廢承或污水中篩選培養(yǎng)性能良好的微生 物及理想的制膜技術(shù)，并通過試驗研制成壽 命長 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，采用流動注射分析技術(shù)，計算機(jī)控制等綜 合技術(shù)研制成功了快速BOD 商品泌器，并 應(yīng)用于城市污水處理廠的BOD 監(jiān)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(jié)構(gòu)及測量原理 微生物傳感器的結(jié)構(gòu)見圖l，首先氧電 極由鉑陰極、Ag／AgCl陽極及四氟塑料膜組內(nèi)充0．5mol／L KCI溶液 再將固定化 微生物膜貼于氧電極表面，構(gòu)成BOD傳感 器。 圉l 微生物膜氧傳感器結(jié)構(gòu) 的磷酸鹽緩沖溶液中時，則因微生物對BOD 物質(zhì)的同化作用，使其活性增強(qiáng)而耗氧．導(dǎo)致 傳感器輸出信號降低(見圖2)。在一定的范 圍內(nèi)，傳感器輸出電流的降低值與BOD物 質(zhì)的濃度呈線性關(guān)系 本儀器正是基于這種 原理而設(shè)計的 ／玎1m 圉2 BOD物質(zhì)在微生物膜氧傳感器的響應(yīng) 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(dāng)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(dāng)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(zhuǎn) 化成電壓信號，進(jìn)至A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字 信號，經(jīng)計算機(jī)處理后由顯示器和打印機(jī)記 錄結(jié)果。 檢測單元：由恒溫槽、蠕動泵、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(jù)進(jìn)樣 需要，控制器自動控制蠕動泵及切換閥將被 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| 電磁場測試儀|

 2 儀器的設(shè)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 極流動測量裝置、自行設(shè)計簡易的電流放大 器，在對微生物膜線性范圍、響應(yīng)時間、重復(fù) 性等技術(shù)指標(biāo)綜合研究的基礎(chǔ)卜，對準(zhǔn)備試 制的儀器采用何種流程進(jìn)行了較長時蜘的研 究，最后采用流動注射分析技術(shù)．切換閥選擇 樣品種類，蠕動泵控制進(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)，一個帶 攪拌的恒溫流通測量池(動態(tài))，控制精度為 0．5"C的恒溫槽，整個儀器通過計算機(jī)綜合控 制，實現(xiàn)自動操作
2．2 泵、閥、測量池的設(shè)計 儀器采用蠕動泵輸送流體 國內(nèi)生產(chǎn)的 蠕動泵雖然較多，但是由于蠕動泵長時間的 開啟，泵管均會被壓變形及轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，因此采 用引進(jìn)英國Kent公司的技術(shù)，自行設(shè)計，用 進(jìn)El蠕動泵管，試制成功了帶有彈性滾珠盤 的雙通遭蠕動泵。 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)廠家訂制了切換閥，使 用光控元件控制閥門的定位，經(jīng)過檢驗．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，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(jié)構(gòu)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。通過試 驗，確定了這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能眾多的測量 池，使用效果相當(dāng)好。
2．3 計算機(jī)采樣終點(diǎn)的判斷 本儀器中計算機(jī)的功能較多，本文只介 紹計算機(jī)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(yīng)較 快，但達(dá)到平衡需一定時間(約8～l0 min)。 由于每一批微生物膜的試制過程不一致，存 放時間也不一致，其膜的結(jié)構(gòu)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(nèi)外文獻(xiàn)，確定當(dāng)傳感器 的輸出信號每分鐘變化小于3 mV時，作為 計算機(jī)判斷采樣的終止點(diǎn) 但是，微生物膜雖 然響應(yīng)較慢(約2O min)，但仍可用于測量， 故在操作鍵盤上設(shè)置一修改鍵，可根據(jù)膜的 實際情況修改計算機(jī)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(yīng)信號 較小，要想獲得相應(yīng)的信號送給A／D 轉(zhuǎn)換 器，必須有一個放大倍數(shù)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(dāng)?shù)耐鈬�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 器的試驗過程中得到了良好的結(jié)果。

3 儀器的測試及應(yīng)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(fù)性小于3 Fs，響應(yīng)時間小于10 rain，全部指標(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)稀釋法，且能作自動監(jiān)測用。 應(yīng)用本儀器對上海曹楊污水處理廠、上 海天山污水處理廠城市生活污水樣品進(jìn)行測 試，表1列出5個采樣點(diǎn)，不同日期采樣，兩 種方法的測試結(jié)果。統(tǒng)計本法結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)稀 釋法結(jié)果其相關(guān)系數(shù)大于0．98．可見本方法 具有相當(dāng)?shù)目煽啃裕�能夠推廣應(yīng)用。 表1 城市污水的BOD。與BOD：’ 試方法比較0 ma／L ① Bo 為車方眭．BODl。為標(biāo)準(zhǔn)稀釋法。 4 結(jié)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、流動注射分析 技術(shù)、計算機(jī)綜合控制等技術(shù)，具有操作簡 易、精度高、響應(yīng)時間快、分析速度快(每個樣 品需20 rain)等優(yōu)點(diǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)稀釋法相關(guān)系 數(shù)高，可逐步代替標(biāo)準(zhǔn)稀釋法推廣應(yīng)用