快速測定生物需氧量的方法和儀器的製作方法
2023-09-17 08:09:55
專利名稱:快速測定生物需氧量的方法和儀器的製作方法
發明背景雖然已提出了幾種快速測定BOD的方法，通用的仍然是利用美國公共衛生組織(American Public Health Association)的No.219標準法或極為相似的日本工業標準(Japanese Industrial Stan-dard)JIS K0102-1974法來測定BOD。但是，這兩種方法在獲得測試結果前都必須將測試溶液在特定條件下放置5天。具體地說，5天是基於這樣一個事實在樣品被加入被氧飽和的稀釋的水體後，好氧微生物需要一段較長的時間來生長，所以，利用需要5天來進行測試的常規方法測得的BOD以BOD5表示。更糟的是，常規方法的另一個問題是測試結果的值取決於操縱者的技術水平，因為該技術十分複雜。因此，對於工廠等的排放水的快速而準確的控制來說，上述常規方法並不方便。
1982年授權的Shuichi Suzuki等的美國專利No.4,350,763(後文指為「763′專利」)中揭示了一種將測試時間減至例如30分鐘的現有工藝提議。該方法建議，令樣品溶液與分子氧和固定化的微生物接觸，該微生物能在水體中耗氧地代謝有機物並由此消耗氧。在763′專利中，需要固定足夠數量的微生物以在與已知BOD的溶液接觸時確定固定化細胞的耗氧能力，並將相同微生物與未知測試樣品接觸時的耗氧速率與由對已知標準樣品進行測試而得的標定圖進行比較。即，763′專利利用這樣一條原理耗氧速率直接與BOD成比例，所以，在一直角坐標系中，BOD比耗氧速率的曲線以一直線表示。例如，令固定在與一電極相連的膜上的微生物與無可氧化有機物並被氧飽和的緩衝液接觸以確定一個指示參比溶氧(後文指為「DO」)的常數電流。當該氧敏電極與含有分子氧的廢水等接觸時，由該電極測得樣品中的氧濃度。由於固定化微生物代謝了廢水中的有機物，可獲得由此引起的電極輸出電流的變化。與常規的BOD5相比，763′專利所提出的利用氧敏電極的方法在許多方面具有優越性，例如快速、簡便和準確。
但是，763′專利方法具有以下缺點首先，如果固定在膜中的微生物數量不是常數，即使是以相同廢水進行的相關測試中的耗氧速率也不相同，由此得到錯誤的BOD結果；其次，繪製標定圖所必需的標準曲線是BOD間接測量的結果，所以須根據微生物活性的變化再繪製一條標準曲線；再次，如果有機物中的某些組份不沿行通常的生物降解途徑，其BOD值就不能測得或可能低於其真實值。
發明概述為了解決上述問題，本發明者已認識到需要一種方法，該方法更快、更不易受人為失誤的影響，無需標準曲線，並與有機物的生物降解途徑無關。
所以，在本發明一個方面的內容中，提供了一種測定含有機物水體的BOD的方法，由此可更快地得到一個BOD結果，通常在少於20分鐘內完成。
根據本發明的另一方面內容，提供了一種受操作者技術水平影響較小的測定BOD的方法。
根據本發明的另一方面內容，提供了一種無需任何標準曲線的測定BOD方法。
根據本發明的再一方面內容，提供了一種可用於含沿行非一般生物降解途徑的有機物的任何水體的測定BOD的方法。
根據本發明一相關方面的內容，提供了一種施行本方法的儀器。
根據本發明，通過提供一種測定含有機物水體中的BOD的方法可達到上述目的，該方法的步驟包括向微生物培養物中通氣以完全耗盡其中的可溶性有機物；向耗盡了有機物的培養物中加入含有機物的樣品；測量耗氧量來直接測定樣品的BOD。
還可以通過提供一種測定含有機物水體中的BOD的儀器來達到上述目的，該儀器具有一個磁攪拌器，一個快速生物需氧量(後文指為「QBOD」)瓶，該瓶有一個為一與記錄儀相連的DO/溫度傳感器而開的孔和一個突出的加樣孔，一個通過一空氣石(air stone)向微生物培養容器提供空氣的通氣裝置，一臺將微生物培養物由培養罐輸送到QBOD瓶的管路泵和另一臺將微生物培養物由QBOD瓶排出的管路泵。
附圖簡述參照附圖，以下具體說明將進一步闡明本發明的上述及其它目的、特徵和優點。其中
圖1是適於施行本發明方法的儀器的流程圖；圖2是根據本發明實施例1的DO下降曲線圖；圖3是根據本發明實施例1的DO減量曲線圖；圖4是根據實施例1的QBOD和BOD5相關於甲醇濃度的曲線圖；圖5是根據本發明實施例2，由加入乙酸、乙醇和苯酚體液引起的DO減量圖；圖6反應根據本發明實施例2的微生物培養物的穩定性。
本發明具體說明將對本發明的優選實施例參照附圖予以具體說明。
參見圖1，所示的是一臺儀器，它具有一個QBOD瓶5，其上有一個斜裝有一個與記錄儀2相連的DO/溫度傳感器1的孔，有兩臺與QBOD瓶相連以在微生物培養罐6和容器7間傳送微生物培養物的管路泵3和4，有一臺通過空氣石9向培養罐6提供空氣的供氣裝置8，還有一個支承QBOD瓶5和操作瓶中的磁棒10的磁力攪拌器11。要操作圖1所示的QBOD系統，需在容器6中裝入以暴氣池溶液、回收汙泥和人工培養物為例的某種微生物培養物，然後由供氣裝置8向其中通氣。培養物中可被微生物利用的有機物被徹底耗盡，至DO可保持一較高值。即，空氣被提供以耗盡培養物中的可溶性有機物，直至氧的生物吸收率低於20ppm-O2/h。利用管路泵3將由此得到的培養物引入QBOD瓶5，裝至刻有刻度的瓶頸處，然後，利用磁力攪拌器11通過磁棒10進行恆速攪拌，於是，DO以很慢的速度被消耗。當預定量的含有有機物的樣品溶液通過加樣孔12被加入QBOD瓶時，前幾分鐘的氧的消耗速率與被加入有機物的BOD一樣快，然後，消耗速率顯示為其固有的慢速率。在上述過程中，總耗氧量是微生物自身消耗量與由於加入有機物而消耗的量之和。所以，總耗氧量減去微生物自身耗氧量就得到有機物的BOD。關於BOD範圍，無需稀釋樣品，可測得10至10,000ppm的BOD。
如上所述，根據本發明方法，通過耗盡微生物培養物中的有機物後再向該耗盡了有機物的培養物中加入有機物並測定其耗氧量可直接測定某樣品的BOD。所以，微生物的數量只對測定時間有影響而不影響BOD結果。根據本發明，由於直接測定的是總的BOD，所以不再需要任何標準曲線。另外，該方法還有一個優點，由於BOD的可測範圍是10至10,000ppm，未知樣品無需稀釋。而且，如果根據本發明的方法被用於廢水處理車間，由於用於測試的微生物就是由該車間產生的，所以，它們已適應於廢水中的組份，任何待處理的流入水、暴氣池中的溶液等的BOD可準確地被測得。
與常規的BOD5相比，本發明方法具有以下優點第一，更為迅速(由5天減至20分鐘)；第二，重複性更好，受操作者的技術水平影響較小；第三，無須將樣品維持於一特定溫度，如20℃；第四，對標準溶液的BOD測試尺度來說，更為準確；第五，無須進行微生物接種；第六，不受硝化菌的影響；第七，即使稀的汙水被微生物汙染，也不會受大的影響；第八，由於具有10至10,000ppm的可測範圍，所以無須重複測試或稀釋樣品。
在一用於施行根據本發明的QBOD測試的儀器中，如圖1所示，有一個300mL的透明QBOD瓶5，它有一個為DO/溫度傳感器1開的傳感器孔和一個在其上部有刻度的突出的加樣口，並在其底部相對的兩側有兩個可分別通過管路泵3和4與微生物培養罐6和容器7相連的突出部分。任意一種可購得的DO/溫度傳感器均可用於本發明。例如，可使用由美國YSI公司或日本Horiba公司製造並銷售的DO/溫度傳感器。由DO/溫度傳感器來感測待測樣品中的DO值。如圖1所示傾斜安裝傳感器以消除由氣泡引起的誤差。DO/溫度傳感器與記錄儀2相連，記錄儀記錄下傳感器響應於DO值的信號並利用一個計算方法程序和一個計時器(未示出)計算出耗氧量，由此自行測得BOD。QBOD瓶5被安裝在一個磁力攪拌器11上並在其中有一個均勻攪拌待測樣品的磁棒10。接收DO值信號的記錄儀2可列印出相對於時間的衰減量或繪製一張這方面的圖。罐6中微生物培養物被飽和以通過空氣石由空氣泵8傳送的空氣。通過與QBOD瓶5相連的管路泵3和4，可將被飽和的培養物引入瓶5並將用後培養物排出瓶5。除了操縱磁棒10，磁力攪拌器11還可記錄樣品量以計算出稀釋比用於其後BOD的計算。例如，如果輸入給磁力攪拌器11的樣品量為0.5mL，稀釋比被計為算600(300/0.5)，利用配備的一塊操作塊，該值被自動用於BOD的計算。
實施例1將約1L集自某石油化工廠廢水處理點暴氣池中的廢水在25℃倒入罐6，然後用來自空氣石的空氣飽和該罐直至廢水中的DO值為一常數。當DO值恆定大於80％時，將通過氣的廢水引入QBOD瓶5直裝至其頸部，並用一1英寸的棒進行600至700rpm的中速攪拌。從DO值因為懸於廢水中的微生物而下降的時刻起，每30分鐘記錄一次DO值。使用試劑級的甲醇製備10，25，50，75，100，250，750和1,000ppm的甲醇溶液。
當微生物的氧吸收率(OUR)為常數時，將0.5mL1,000ppm的甲醇溶液通過加樣孔加入QBOD瓶，然後測定DO值和DO減量。結果如表1，圖2和圖3所示。
加入樣品後，OUR下降了8分鐘後回到其固有值。此時，DO值為43％。在此期間，總的DO值變化量為45.7％，其中包括了24％(3.0％×8min)由微生物消耗的固有量。結果，由於加入樣品引起的淨耗氧量變為21.7％。所以，樣品的BOD被計算如下樣品BOD＝21.7％×(8.3ppm/100％)×(300mL/0.5mL)＝1,081ppm其中，8.3ppm是25℃水中的飽和氧濃度。
DO值和DO減量在本發明的儀器內被列印，DO減量與時間的關係示於圖3。圖3中，鐘形曲線的兩端表明微生物的固有OUR為1.5％/30秒，鐘形曲線表示OUR隨有機物的濃度而變化。
QBOD瓶5中的用後培養物被排入容器7，並引入罐6中的新鮮培養物，因為需要一個高DO值以測定下一個樣品的BOD。BOD測定過程中，容器7中微生物被倒入罐6，然後通氣。相同於前述方式測試100，250，500和1,000ppm的溶液，結果分別為112，280，525和803ppm。5mL10，25，50，75和100ppm的甲醇溶液也以與前文相同的方式進行了測試，結果分別為11，27，59和104ppm。
使用美國HACH公司的Model 2173B，一種壓力計型BOD測試儀，測定25，100，250和500ppm甲醇溶液的BOD5。結果分別為20，115，290和450ppm。QBOD和BOD5描繪於圖4。
實施例2將約1L集自某石油化工廠廢水處理點暴氣池中的廢水在25℃倒入罐6，然後用來自空氣石的空氣飽和該罐直至廢水中的DO值為一常數。當DO值恆定大於80％時，將通過氣的廢水引入QBOD瓶5直裝至其頸部，並用一1英寸的棒進行600至700rpm的中速攪拌。從DO值因為懸於廢水中的微生物而下降的時刻起，每30分鐘記錄一次DO值。使用試劑級的乙酸、乙醇和苯酚分別製備其500ppm的溶液。
當微生物的OUR為常數時，將0.5mL乙酸溶液通過加樣孔加入QBOD瓶，然後將0.5mL輸入磁力攪拌器。加樣後10分鐘內，BOD值被顯示於記錄儀的顯示窗口。對乙醇和苯酚溶液的測試結果分別為438和478ppm。在本發明QBOD儀中，每30秒列印一次DO減量，並示於圖5。
測定了上述三種溶液的BOD5，結果分別為220，445和505ppm。
為了測試微生物培養物對時間的穩定性，測定了500ppm甲醇溶液的固有OUR和QBOD。在25℃放置一段時間後，微生物培養物的固有OUR有隨時間下降的趨勢，如圖6所示。但是，QBOD值在15天中保持恆定，與固有OUR無關。15天中，QBOD平均值為514ppm，標準偏差為16.4。當用放置過的微生物培養物測定樣品的BOD時，罐6中的通氣不少於1小時以保持DO值恆高於80％。
表1由於加入MeOH溶液的DO變化量
權利要求
1.一種用微生物培養物測定含有機物水體生物需氧量BOD的方法，所述的水體含有溶解氧DO和能夠耗氧代謝有機物從而可消耗樣品中氧的微生物，該方法還包括(i)向收集自廢水處理地暴氣池的微生物培養物中通入空氣直至耗竭狀態，所述耗竭狀態指其中的溶解氧值OD維持在80％以上；(ii)將以上通氣後的培養物引入體積恆定、磁力攪拌的快速生物需氧量QBOD瓶；(iii)測定氧吸收率OUR為常數時耗竭狀態的OUR，並測定此時的OD；(iv)將含有可被所述微生物降解的有機物的樣品加入所述QBOD瓶，引起OUR上升；(v)當OUR值降至步驟(iii)的耗竭狀態OUR值時測定加入有機物後培養物的OUR，並測定此時的OD，並測定OUR恢復到所述耗竭狀態值所經歷的時間T；和(vi)用以下公式計算樣品的BOD A＝(DO步驟(iii)-DO步驟(iv))-(OUR步驟(iii)×T)。
2.根據權利要求
1所述的方法，其中向培養物中通氣的步驟一直持續，直至微生物的氧吸收率不高於20ppm-O2/h。
3.根據權利要求
1所述的方法，其中的微生物培養物選自暴氣池溶液、回收汙泥和人工微生物培養物。
4.根據權利要求
1所述的方法，其中未稀釋樣品BOD的範圍為10至10,000ppm。
5.權利要求
1所述方法使用的儀器，其特徵在於，它具有一臺磁力攪拌器，一個具有一為與記錄儀相連的DO/溫度傳感器而開的孔和一突出的加樣孔的快速生化需氧瓶和通過空氣石向微生物培養容器提供空氣的通氣裝置。
6.根據權利要求
9所述的儀器，其特徵還在於，其中為DO/溫度傳感器而開的孔是傾斜的並位於QBOD瓶的上部，突出的加樣孔是有刻度的。
7.根據權利要求
9所述的儀器，其特徵還在於，它還具有一臺將微生物培養物由罐通過位於QBOD瓶底部的一個入口輸送至QBOD瓶的管路泵和另一臺將微生物培養物由位於QBOD瓶底部的一個出口排出QBOD瓶的管路泵。
8.根據權利要求
9所述的儀器，其特徵還在於，其中的磁力攪拌器由樣品體積輸入設備和記錄儀構成，記錄儀由一計算稀釋比和耗氧量的設備和以ppm為單位顯示BOD的設備構成。
專利摘要
本發明公開了一種在20分鐘內測定含有機物水體的生化需氧量的新方法和一種用於此目的的儀器。該事實上使用微生物培養物的方法包括向微生物培養物中通氣以耗盡其中可被微生物利用的有機物，在上述耗盡有機物的培養物中加入含有機物的樣品以測定微生物的耗氧量，和直接計算樣品的BOD。本發明的儀器包括一磁力攪拌器，一通氣裝置，一溶氧/溫度傳感器，管路泵和一QBOD瓶。在儀器中配備有一計時器，並有一計算方法程序，所以可使用稀釋比和OUR自動計算BOD。所以，該儀器在生產環境中使用方便。
文檔編號C12Q1/02GKCN1130464SQ94193623
公開日2003年12月10日 申請日期1994年8月1日
發明者樸龍錫, 金亨燦, 金成洪, 李鎔澤 申請人:Sk株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan