专利名称:快速测定生物需氧量的方法和仪器的制作方法
发明背景虽然已提出了几种快速测定BOD的方法，通用的仍然是利用美国公共卫生组织(American Public Health Association)的No.219标准法或极为相似的日本工业标准(Japanese Industrial Stan-dard)JIS K0102-1974法来测定BOD。但是，这两种方法在获得测试结果前都必须将测试溶液在特定条件下放置5天。具体地说，5天是基于这样一个事实在样品被加入被氧饱和的稀释的水体后，好氧微生物需要一段较长的时间来生长，所以，利用需要5天来进行测试的常规方法测得的BOD以BOD5表示。更糟的是，常规方法的另一个问题是测试结果的值取决于操纵者的技术水平，因为该技术十分复杂。因此，对于工厂等的排放水的快速而准确的控制来说，上述常规方法并不方便。
1982年授权的Shuichi Suzuki等的美国专利No.4,350,763(后文指为“763′专利”)中揭示了一种将测试时间减至例如30分钟的现有工艺提议。该方法建议，令样品溶液与分子氧和固定化的微生物接触，该微生物能在水体中耗氧地代谢有机物并由此消耗氧。在763′专利中，需要固定足够数量的微生物以在与已知BOD的溶液接触时确定固定化细胞的耗氧能力，并将相同微生物与未知测试样品接触时的耗氧速率与由对已知标准样品进行测试而得的标定图进行比较。即，763′专利利用这样一条原理耗氧速率直接与BOD成比例，所以，在一直角坐标系中，BOD比耗氧速率的曲线以一直线表示。例如，令固定在与一电极相连的膜上的微生物与无可氧化有机物并被氧饱和的缓冲液接触以确定一个指示参比溶氧(后文指为“DO”)的常数电流。当该氧敏电极与含有分子氧的废水等接触时，由该电极测得样品中的氧浓度。由于固定化微生物代谢了废水中的有机物，可获得由此引起的电极输出电流的变化。与常规的BOD5相比，763′专利所提出的利用氧敏电极的方法在许多方面具有优越性，例如快速、简便和准确。
但是，763′专利方法具有以下缺点首先，如果固定在膜中的微生物数量不是常数，即使是以相同废水进行的相关测试中的耗氧速率也不相同，由此得到错误的BOD结果；其次，绘制标定图所必需的标准曲线是BOD间接测量的结果，所以须根据微生物活性的变化再绘制一条标准曲线；再次，如果有机物中的某些组份不沿行通常的生物降解途径，其BOD值就不能测得或可能低于其真实值。
发明概述为了解决上述问题，本发明者已认识到需要一种方法，该方法更快、更不易受人为失误的影响，无需标准曲线，并与有机物的生物降解途径无关。
所以，在本发明一个方面的内容中，提供了一种测定含有机物水体的BOD的方法，由此可更快地得到一个BOD结果，通常在少于20分钟内完成。
根据本发明的另一方面内容，提供了一种受操作者技术水平影响较小的测定BOD的方法。
根据本发明的另一方面内容，提供了一种无需任何标准曲线的测定BOD方法。
根据本发明的再一方面内容，提供了一种可用于含沿行非一般生物降解途径的有机物的任何水体的测定BOD的方法。
根据本发明一相关方面的内容，提供了一种施行本方法的仪器。
根据本发明，通过提供一种测定含有机物水体中的BOD的方法可达到上述目的，该方法的步骤包括向微生物培养物中通气以完全耗尽其中的可溶性有机物；向耗尽了有机物的培养物中加入含有机物的样品；测量耗氧量来直接测定样品的BOD。
还可以通过提供一种测定含有机物水体中的BOD的仪器来达到上述目的，该仪器具有一个磁搅拌器，一个快速生物需氧量(后文指为“QBOD”)瓶，该瓶有一个为一与记录仪相连的DO/温度传感器而开的孔和一个突出的加样孔，一个通过一空气石(air stone)向微生物培养容器提供空气的通气装置，一台将微生物培养物由培养罐输送到QBOD瓶的管路泵和另一台将微生物培养物由QBOD瓶排出的管路泵。
附图简述参照附图，以下具体说明将进一步阐明本发明的上述及其它目的、特征和优点。其中
图1是适于施行本发明方法的仪器的流程图；图2是根据本发明实施例1的DO下降曲线图；图3是根据本发明实施例1的DO减量曲线图；图4是根据实施例1的QBOD和BOD5相关于甲醇浓度的曲线图；图5是根据本发明实施例2，由加入乙酸、乙醇和苯酚体液引起的DO减量图；图6反应根据本发明实施例2的微生物培养物的稳定性。
本发明具体说明将对本发明的优选实施例参照附图予以具体说明。
参见图1，所示的是一台仪器，它具有一个QBOD瓶5，其上有一个斜装有一个与记录仪2相连的DO/温度传感器1的孔，有两台与QBOD瓶相连以在微生物培养罐6和容器7间传送微生物培养物的管路泵3和4，有一台通过空气石9向培养罐6提供空气的供气装置8，还有一个支承QBOD瓶5和操作瓶中的磁棒10的磁力搅拌器11。要操作图1所示的QBOD系统，需在容器6中装入以暴气池溶液、回收污泥和人工培养物为例的某种微生物培养物，然后由供气装置8向其中通气。培养物中可被微生物利用的有机物被彻底耗尽，至DO可保持一较高值。即，空气被提供以耗尽培养物中的可溶性有机物，直至氧的生物吸收率低于20ppm-O2/h。利用管路泵3将由此得到的培养物引入QBOD瓶5，装至刻有刻度的瓶颈处，然后，利用磁力搅拌器11通过磁棒10进行恒速搅拌，于是，DO以很慢的速度被消耗。当预定量的含有有机物的样品溶液通过加样孔12被加入QBOD瓶时，前几分钟的氧的消耗速率与被加入有机物的BOD一样快，然后，消耗速率显示为其固有的慢速率。在上述过程中，总耗氧量是微生物自身消耗量与由于加入有机物而消耗的量之和。所以，总耗氧量减去微生物自身耗氧量就得到有机物的BOD。关于BOD范围，无需稀释样品，可测得10至10,000ppm的BOD。
如上所述，根据本发明方法，通过耗尽微生物培养物中的有机物后再向该耗尽了有机物的培养物中加入有机物并测定其耗氧量可直接测定某样品的BOD。所以，微生物的数量只对测定时间有影响而不影响BOD结果。根据本发明，由于直接测定的是总的BOD，所以不再需要任何标准曲线。另外，该方法还有一个优点，由于BOD的可测范围是10至10,000ppm，未知样品无需稀释。而且，如果根据本发明的方法被用于废水处理车间，由于用于测试的微生物就是由该车间产生的，所以，它们已适应于废水中的组份，任何待处理的流入水、暴气池中的溶液等的BOD可准确地被测得。
与常规的BOD5相比，本发明方法具有以下优点第一，更为迅速(由5天减至20分钟)；第二，重复性更好，受操作者的技术水平影响较小；第三，无须将样品维持于一特定温度，如20℃；第四，对标准溶液的BOD测试尺度来说，更为准确；第五，无须进行微生物接种；第六，不受硝化菌的影响；第七，即使稀的污水被微生物污染，也不会受大的影响；第八，由于具有10至10,000ppm的可测范围，所以无须重复测试或稀释样品。
在一用于施行根据本发明的QBOD测试的仪器中，如图1所示，有一个300mL的透明QBOD瓶5，它有一个为DO/温度传感器1开的传感器孔和一个在其上部有刻度的突出的加样口，并在其底部相对的两侧有两个可分别通过管路泵3和4与微生物培养罐6和容器7相连的突出部分。任意一种可购得的DO/温度传感器均可用于本发明。例如，可使用由美国YSI公司或日本Horiba公司制造并销售的DO/温度传感器。由DO/温度传感器来感测待测样品中的DO值。如图1所示倾斜安装传感器以消除由气泡引起的误差。DO/温度传感器与记录仪2相连，记录仪记录下传感器响应于DO值的信号并利用一个计算方法程序和一个计时器(未示出)计算出耗氧量，由此自行测得BOD。QBOD瓶5被安装在一个磁力搅拌器11上并在其中有一个均匀搅拌待测样品的磁棒10。接收DO值信号的记录仪2可打印出相对于时间的衰减量或绘制一张这方面的图。罐6中微生物培养物被饱和以通过空气石由空气泵8传送的空气。通过与QBOD瓶5相连的管路泵3和4，可将被饱和的培养物引入瓶5并将用后培养物排出瓶5。除了操纵磁棒10，磁力搅拌器11还可记录样品量以计算出稀释比用于其后BOD的计算。例如，如果输入给磁力搅拌器11的样品量为0.5mL，稀释比被计为算600(300/0.5)，利用配备的一块操作块，该值被自动用于BOD的计算。
实施例1将约1L集自某石油化工厂废水处理点暴气池中的废水在25℃倒入罐6，然后用来自空气石的空气饱和该罐直至废水中的DO值为一常数。当DO值恒定大于80％时，将通过气的废水引入QBOD瓶5直装至其颈部，并用一1英寸的棒进行600至700rpm的中速搅拌。从DO值因为悬于废水中的微生物而下降的时刻起，每30分钟记录一次DO值。使用试剂级的甲醇制备10，25，50，75，100，250，750和1,000ppm的甲醇溶液。
当微生物的氧吸收率(OUR)为常数时，将0.5mL1,000ppm的甲醇溶液通过加样孔加入QBOD瓶，然后测定DO值和DO减量。结果如表1，图2和图3所示。
加入样品后，OUR下降了8分钟后回到其固有值。此时，DO值为43％。在此期间，总的DO值变化量为45.7％，其中包括了24％(3.0％×8min)由微生物消耗的固有量。结果，由于加入样品引起的净耗氧量变为21.7％。所以，样品的BOD被计算如下样品BOD＝21.7％×(8.3ppm/100％)×(300mL/0.5mL)＝1,081ppm其中，8.3ppm是25℃水中的饱和氧浓度。
DO值和DO减量在本发明的仪器内被打印，DO减量与时间的关系示于图3。图3中，钟形曲线的两端表明微生物的固有OUR为1.5％/30秒，钟形曲线表示OUR随有机物的浓度而变化。
QBOD瓶5中的用后培养物被排入容器7，并引入罐6中的新鲜培养物，因为需要一个高DO值以测定下一个样品的BOD。BOD测定过程中，容器7中微生物被倒入罐6，然后通气。相同于前述方式测试100，250，500和1,000ppm的溶液，结果分别为112，280，525和803ppm。5mL10，25，50，75和100ppm的甲醇溶液也以与前文相同的方式进行了测试，结果分别为11，27，59和104ppm。
使用美国HACH公司的Model 2173B，一种压力计型BOD测试仪，测定25，100，250和500ppm甲醇溶液的BOD5。结果分别为20，115，290和450ppm。QBOD和BOD5描绘于图4。
实施例2将约1L集自某石油化工厂废水处理点暴气池中的废水在25℃倒入罐6，然后用来自空气石的空气饱和该罐直至废水中的DO值为一常数。当DO值恒定大于80％时，将通过气的废水引入QBOD瓶5直装至其颈部，并用一1英寸的棒进行600至700rpm的中速搅拌。从DO值因为悬于废水中的微生物而下降的时刻起，每30分钟记录一次DO值。使用试剂级的乙酸、乙醇和苯酚分别制备其500ppm的溶液。
当微生物的OUR为常数时，将0.5mL乙酸溶液通过加样孔加入QBOD瓶，然后将0.5mL输入磁力搅拌器。加样后10分钟内，BOD值被显示于记录仪的显示窗口。对乙醇和苯酚溶液的测试结果分别为438和478ppm。在本发明QBOD仪中，每30秒打印一次DO减量，并示于图5。
测定了上述三种溶液的BOD5，结果分别为220，445和505ppm。
为了测试微生物培养物对时间的稳定性，测定了500ppm甲醇溶液的固有OUR和QBOD。在25℃放置一段时间后，微生物培养物的固有OUR有随时间下降的趋势，如图6所示。但是，QBOD值在15天中保持恒定，与固有OUR无关。15天中，QBOD平均值为514ppm，标准偏差为16.4。当用放置过的微生物培养物测定样品的BOD时，罐6中的通气不少于1小时以保持DO值恒高于80％。
表1由于加入MeOH溶液的DO变化量
权利要求
1.一种用微生物培养物测定含有机物水体生物需氧量BOD的方法，所述的水体含有溶解氧DO和能够耗氧代谢有机物从而可消耗样品中氧的微生物，该方法还包括(i)向收集自废水处理地暴气池的微生物培养物中通入空气直至耗竭状态，所述耗竭状态指其中的溶解氧值OD维持在80％以上；(ii)将以上通气后的培养物引入体积恒定、磁力搅拌的快速生物需氧量QBOD瓶；(iii)测定氧吸收率OUR为常数时耗竭状态的OUR，并测定此时的OD；(iv)将含有可被所述微生物降解的有机物的样品加入所述QBOD瓶，引起OUR上升；(v)当OUR值降至步骤(iii)的耗竭状态OUR值时测定加入有机物后培养物的OUR，并测定此时的OD，并测定OUR恢复到所述耗竭状态值所经历的时间T；和(vi)用以下公式计算样品的BOD A＝(DO步骤(iii)-DO步骤(iv))-(OUR步骤(iii)×T)。
2.根据权利要求
1所述的方法，其中向培养物中通气的步骤一直持续，直至微生物的氧吸收率不高于20ppm-O2/h。
3.根据权利要求
1所述的方法，其中的微生物培养物选自暴气池溶液、回收污泥和人工微生物培养物。
4.根据权利要求
1所述的方法，其中未稀释样品BOD的范围为10至10,000ppm。
5.权利要求
1所述方法使用的仪器，其特征在于，它具有一台磁力搅拌器，一个具有一为与记录仪相连的DO/温度传感器而开的孔和一突出的加样孔的快速生化需氧瓶和通过空气石向微生物培养容器提供空气的通气装置。
6.根据权利要求
9所述的仪器，其特征还在于，其中为DO/温度传感器而开的孔是倾斜的并位于QBOD瓶的上部，突出的加样孔是有刻度的。
7.根据权利要求
9所述的仪器，其特征还在于，它还具有一台将微生物培养物由罐通过位于QBOD瓶底部的一个入口输送至QBOD瓶的管路泵和另一台将微生物培养物由位于QBOD瓶底部的一个出口排出QBOD瓶的管路泵。
8.根据权利要求
9所述的仪器，其特征还在于，其中的磁力搅拌器由样品体积输入设备和记录仪构成，记录仪由一计算稀释比和耗氧量的设备和以ppm为单位显示BOD的设备构成。
专利摘要
本发明公开了一种在20分钟内测定含有机物水体的生化需氧量的新方法和一种用于此目的的仪器。该事实上使用微生物培养物的方法包括向微生物培养物中通气以耗尽其中可被微生物利用的有机物，在上述耗尽有机物的培养物中加入含有机物的样品以测定微生物的耗氧量，和直接计算样品的BOD。本发明的仪器包括一磁力搅拌器，一通气装置，一溶氧/温度传感器，管路泵和一QBOD瓶。在仪器中配备有一计时器，并有一计算方法程序，所以可使用稀释比和OUR自动计算BOD。所以，该仪器在生产环境中使用方便。
文档编号C12Q1/02GKCN1130464SQ94193623
公开日2003年12月10日 申请日期1994年8月1日
发明者朴龙锡, 金亨灿, 金成洪, 李镕泽 申请人:Sk株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan