微生物膜電極法生物化學需氧量分析儀校準方法

賈會，許建軍，尚夢帆

（河南省計量科學研究院，鄭州 450008）

生物化學需氧量（生化需氧量，BOD）是指在規(guī)定的條件下，微生物分解水中某些可氧化的物質，特別是分解有機物的生物化學過程消耗的溶解氧［1］。生化需氧量間接反映了水中可被微生物氧化的有機物含量，主要用于水質監(jiān)測、水質評價和水域功能劃分，是水污染控制領域最廣泛采用的檢測參數(shù)之一［2-3］。

目前國內(nèi)測定BOD的標準有HJ 505—2009《水質五日生化需氧量（BOD5）的測定 稀釋與接種法》［1］、HJ／T 86—2002 《水質生化需氧量(BOD)的測定 微生物傳感器快速測定法》［4］。上述兩種方法相比，微生物傳感器快速測定法減少了稀釋與接種、培養(yǎng)5天的環(huán)節(jié)，節(jié)省人力、物力，且測量穩(wěn)定、重現(xiàn)性好、靈敏度高、測量周期短、自動化程度提高、能真實、在線反饋水質信息［5–12］，從而使微生物膜電極法生物化學需氧量分析儀得以迅速發(fā)展［13］，該方法廣泛應用于食品廠、化工廠等工業(yè)企業(yè)，測量工業(yè)廢水中BOD，污水處理廠測量生活污水中的BOD，水環(huán)境監(jiān)測中心、自來水廠等監(jiān)測地下水和地表水中的BOD以及劃分水域功能等，但其測量值是否準確、可靠，需要評判標準。

現(xiàn)行有效的JJG 824–1993 《生物化學需氧量（BOD5）測定儀檢定規(guī)程》［14］僅適用于稀釋與接種法原理的五日生化需氧量測定儀。JJG 824–1993中的檢定項目需要測量壓力（差壓式原理BOD5分析儀）或用覆膜電極溶解氧測定儀測量水中溶解氧（電化學原理BOD5分析儀）。壓力和水中溶解氧無法用微生物膜電極法生物化學需氧量分析儀測量。個別省份編寫了地方校準規(guī)范［15］，這些規(guī)范僅對儀器測量結果的部分指標進行校準，而對測量結果有重要影響的溫度及計時未曾涉及。針對以上問題，參考HJ／T 86–2002 《水質生化需氧量(BOD)的測定微生物傳感器快速測定法》和JJG 975–2002 《化學需氧量測定儀檢定規(guī)程》［16］，筆者探討了微生物膜電極法生物化學需氧量分析儀的校準方法，并提出了主要校準項目及相應的技術指標，并對指標的合理性進行分析。

1 工作原理

微生物膜電極法生物化學需氧量分析儀由氧電極和微生物菌膜構成，含有飽和溶解氧的樣品進入流通池中與微生物傳感器接觸，樣品中可生化降解的有機物受到微生物菌膜中菌種的作用，消耗一定氧，使擴散到氧電極表面上的氧質量減少。當樣品中可生化降解的有機物向菌膜擴散速度（質量）達到恒定時，擴散到氧電極表面上的氧質量也達到恒定，因此產(chǎn)生一個恒定電流［4］。恒定電流的差值與氧的減少量存在定量關系，據(jù)此可計算水樣中生物化學需氧量。微生物膜電極法生物化學需氧量分析儀得主要部件有蠕動泵、電磁閥流通管路、恒溫器、空氣泵及微生物傳感器，其結構示意圖見圖1。

圖1 微生物膜電極法生物化學需氧量分析儀結構示意圖

2 主要儀器與試劑

吸管：1、2、5 mL，A級，北京玻璃儀器集團公司。

容量瓶：100、1 000 mL，A級，北京玻璃儀器集團公司。

溫度計：測量范圍為(0～50)℃，分度值為0.1℃，鄭州二七儀表廠。

BOD溶液標準物質：編號為GBW(E) 080550，1 000 μg／mL，不確定度Urel=5%(k=2)，不確定度可滿足微生物膜電極法生物化學需氧量分析儀，中國計量科學研究院。

3 主要校準項目

BOD示值誤差和BOD重復性是反應儀器整體性重要指標。水樣中可生化降解的有機物向微生物膜擴散，經(jīng)過一定時間后達到動態(tài)平衡，產(chǎn)生一個恒定電流，得到穩(wěn)定的BOD數(shù)值。從采樣開始到電流恒定所需的時間即為采樣時間。不同廠家的儀器，采樣時間有所差異，且對BOD數(shù)值及BOD穩(wěn)定性影響較大，故將實際采樣時間與儀器設定采樣時間的誤差作為計時誤差；測量槽內(nèi)的液體溫度對微生物膜的活性至關重要，常通過設定溫度來加熱或者冷卻槽體內(nèi)液體，以較好的發(fā)揮微生物膜活性，故將實際測量溫度與設定溫度之差作為溫度示值誤差。BOD示值誤差、BOD重復性、計時誤差和溫度示值誤差所獲得的數(shù)據(jù)，能直接反應出儀器性能，因此將上述項目作為主要校準項目。參考JJG 975–2002 《化學需氧量測定儀檢定規(guī)程》制定［16］技術指標及制定。本研究主要校準項目和具體技術指標列于表1。

表1 主要校準項目及技術指標

4 校準方法

4.1 BOD示值誤差和BOD重復性

將1 000 μg／mL的BOD溶液標準物質稀釋，配制成BOD質量濃度分別為5.0、10.0、20.0 mg／L的系列標準工作溶液，按照儀器說明書要求，提前活化微生物膜，儀器開機預熱至少30 min，達到規(guī)定要求后進行標定。分別測定濃度分別為5.0、10.0、20.0 mg／L的BOD系列標準工作溶液各3次，按式（1）計算示值誤差，按式（2）計算測量重復性，均取絕對值最大值作為校準結果。

式中：Δc——BOD示值誤差，%；

cs——標準值，mg／L；

c——3次測量平均值，mg／L。

式中：δ——測量重復性，%；

cmax——3次測量結果絕對值最大值，mg／L；

cmin——3次測量結果絕對值最小值，mg／L。

根據(jù)日常工作情況分析，針對河南省相關企事業(yè)單位使用較多的3個廠家不同型號的微生物膜電極法生物化學需氧量分析儀，隨機抽取取3臺（編號分別為1#、2#、3#）進行BOD示值誤差和BOD重復性測量，測量結果列于表2。

表2 BOD示值誤差和BOD重復性測量結果匯總

由表2可知，BOD示值誤差在±8%以內(nèi)，BOD重復性存在1個值為12%，其余均在10%以內(nèi)。

4.2 計時誤差

待儀器采樣開始啟動儀器測量鍵，同時開始計時，待電流恒定后停止計時，記下采樣時間，重復測定3次，以平均值作為測量值，按式（3）計算儀器的計時誤差。

式中：Δt——計時誤差，s；

ts——儀器設定值，s；

——3次測量平均值，s。

對上述3個編號的設備進行計時誤差測量，測量結果列于表3。

表3 計時誤差校準結果

由表3可知，計時誤差在±3 s以內(nèi)。

4.3 溫度示值誤差

將溫度計插入測量池中，待溫度穩(wěn)定后，記錄初始讀數(shù)，每隔2 min讀取一個數(shù)，觀測10 min，求其算術平均值，按式(4)計算溫度示值誤差。

式中：ΔT——溫度示值誤差，℃；

Ts——儀器設定值，℃；

——6次測量平均值，℃。

對上述3個編號的設備進行溫度示值誤差測量，測量結果列于表4。

表4 溫度示值誤校準結果

由表3可知，溫度示值誤差在±2 ℃以內(nèi)。

5 校準結果

對上述不同生產(chǎn)廠家、不同型號的儀器進行了校準，將校準結果歸納于表5。

表5 校準結果

由表5及上述分析可知，示值誤差均在±8%以內(nèi)；存在1個BOD重復性值為12%，其余均在10%以內(nèi)；計時誤差和溫度示值誤差實驗結果均在要求之內(nèi)。該校準方法可行，儀器的測量結果滿足其技術指標，能夠較全面反映儀器的計量性能。

6 校準結果的不確定度評定

6.1 數(shù)學模型

式中：ΔCr——儀器示值誤差；

——3次測量平均值，mg／L；

Cs——溶液標準值，mg／L。

6.2 校準用溶液定值引入的不確定度u1

校準用溶液定值引入的不確定度由以下兩部分組成：（1）標準物質定值引入的不確定度；（2）標準物質稀釋、定容所引入的不確定度［17］。

6.2.1 標準物質引入的不確定度u11

由證書知1 000 μg／mL BOD5溶液標準物質的不確定度Urel=5%（k=2），則u11=2.5%。

6.2.2 標準物質稀釋、定容引入的不確定度u12

分別配制5.0、10.0、20.0 mg／L的系列標準工作溶液，以5.0 mg／L的溶液濃度為例，配制時用5 mL的單標線吸管移取5.0 mL 1 000 μg／mL的BOD5標準溶液至1 000 mL容量瓶中，用純水定容。

標準物質稀釋、定容過程中的不確定度來源為容量器具的引入不確定度ua、移取及定容時引入不確定度ub、溫度效應引入的不確定度uc。

（1）容量器具引入的不確定度ua

所用的5 mL單標線吸管和1 000 mL容量瓶均為A級，最大允許誤差分別為(±0.015) mL和(±0.40) mL［18］。按三角分布，則5 mL單標線吸管和1 000 mL容量瓶引入的不確定度：

（2）移取及定容時引入的不確定度ub

（3）溫度效應引入的不確定度uc

6.3 校準用溶液測量重復性引入的不確定度u2

分別測定5.0、10.0、20.0 mg／L的BOD校準溶液各3次，測量結果及引入的不確定度見表2。

表2 測量結果及引入的不確定度

6.4 分辨率引入的不確定度u3

儀器的分辨率為0.1 mg／L，則測量5.0、10.0、20.0 mg／L由分辨率引入的不確定度分別為：

6.5 合成標準不確定度u

表3 合成標準不確定度

6.6 擴展不確定度Urel

取包含因子k=2，Urel=k·u，相對擴展不確定度列于表4。

表4 擴展不確定度

7 注意事項

（1）生物膜的安裝及活化必須要按照要求進行處理，并且每次開機前應在洗脫狀態(tài)下加入低濃度的標準溶液，如5 mg／L，使菌膜適應工作環(huán)境；（2）每次開機后必須觀察電極的初始電流穩(wěn)定后方可進行實驗，并且每次開機實驗前須重新標定標準；（3）檢查溫度是否穩(wěn)定，溫度設定是否正確；（4）當測量一些有毒、有害的有機物樣品時，會對微生物產(chǎn)生一定傷害，影響微生物活性，使測量結果不準確［19］。如果誤用了此類水樣，應立即更換生物膜；（5）儀器使用時間較長后，流通管路中的微生物會大量繁殖，嚴重時導致液體流量下降，影響測量結果，使儀器的精密度變差，此時應使用0.1%的次氯酸鈉進行管路清洗，若清洗后仍未達到效果，應更換管路。

8 結語

探討微生物膜電極法生物化學需氧量分析儀校準方法，并提出了校準項目和技術指標，該方法可行有效，可操作性強，技術指標合理，校準項目能夠較全面反映儀器的計量性能，為微生物膜電極法生物化學需氧分析儀的校準提供了依據(jù)和參考。給出了具體的不確定評定實例，為不確定評定提供參考。