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)被有機翱污染程度的指標(biāo)一生物化學(xué)需氧量分析儀的研制及應(yīng)用
生物化學(xué)需氧量(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zui早于l 985年試制成功了簡易的快速測 量BOD的樣機,申請了口’”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,進至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字 信號,經(jīng)計算機處理后由顯示器和打印機記 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)進樣 需要,控制器自動控制蠕動泵及切換閥將被 測液體進至流通測量池。
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行了較長時蜘的研 究,zui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)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 用引進英國Kent公司的技術(shù),自行設(shè)計,用 進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 閥控制液體不夠且有死體積,常引起誤 操作。為此我們在有關(guān)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 計算機采樣終點的判斷 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(yīng)較 快,但達到平衡需一定時間(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,確定當(dāng)傳感器 的輸出信號每分鐘變化小于3 mV時,作為 計算機判斷采樣的終止點 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判斷采樣終點的電位變 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)耐鈬娐罚囍瞥晒具有 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,溫度記錄儀| 溫濕度記錄儀且能作自動監(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行測 試,表1列出5個采樣點,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)目煽啃裕軌蛲茝V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,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)用生物化學(xué)需氧量分析儀的研制及應(yīng)用