（环境科学专业论文）bod快速测定仪微生物膜传感器的实验研究.pdf

提 要 由 于 水 ” 弓 1的 “ v lfli9:vg cj ll应 的 微 生 物 “ 氧 条 4 下 ” ” “ ， “ “ 机 物 的 含量写分解 有机物时需氧虽 成j 仁 比。 因 此， 作为评 价生活 污水 和工业 废水 污染程 度 的 一 项 重 要 指 标 b o d 已 被 国 内 夕 卜 环 境 科 学 工 作 者 多 年 使 用 。 工 对b o d 检测方法在国内 外荃本上均采用经典的b o d 五天法测定。 由 于该法 耗时长不能及时反映各种给排水现状， 尤其对突发的污染事故， 不能为管理和决 策部门及时提供科学依抓 本文是在搜集国内外有关资料及报导的鉴础上， 对 鲤缨塑醚的 电 极 结构，溶解氧渗透膜和微生 方法及实际应用中影响b o d 物菌膜的材质、 厚度、 寿命、响应速度、菌种的固定 测定的因素等方面进行了较详细的实验探讨. 并首次 提出了 解决。 “ 菌膜内阻” 的概念。 使一直制约我国b o d快 速 * u l i g 研 制 的 问 聊q 到 了 w4 1 1 欠 速洲定1 t 徽，物胶呀 感双的实m , 6 1 百 究南开大学硕 卜 研究生学位论文 一 概述 水是人类与生物体赖以生存和发展的重要环境物质。可以说，没有水就没 有生命，也就没有人类。近代社会的发展，伴随着工农业生产巨大的进步，废 物数量剧增，其中大部分以液体排放进入水体， 特别是城市的发展， 水体污染 日益严重。由于人类活动所排放的废物导致水体的污染，不但影响地区工农业 生产，危害生态系统的生存和发展，而且还直接威胁着人类健康甚至生存. 水体污染主要是由生活污水和工业废水所造成的。水中污染物质的种类繁 多，有的学者把它分成八大类:( 1 )耗氧污染物，( 2 )致病污染物，( 3 )合成 有机物，( 4 )植物营养物，( 5 )无机物及矿物质，( 6 )沉积物，( 7 )放射性物 质，( 8 )热污染物。不难看出，其污染物质除无机盐类外，还含有大量的有机 污染物。受有机物污染的水体，在水体中分解要消耗大量的溶解氧，从而破坏 水体中氧的平衡，使水质恶化，水体因缺氧又会造成鱼类及其它水生物的死亡 及其疾病的传播等污染。 水体所含的有机物的成份复杂，难于一一测定其成份.人们常常利用水中 有机物在一定条件下所消耗的氧，来间接表示水体中有机物的含量。生化需氧 量属于这样一个指标简称b o d ( b i o - c h e m i c a l o x y g e m d e m a n d ). 表示水中污 染物经微生物分解时所需要消耗的分子氧的数量 ( m g / l ) . b o d 的数值越高，表 明水中可降解的有机物越多。b o d能比 较正确地反映水中有机物生物氧化分解 时消耗的氧量，从而反映出水体污染的程度. 经典的测定生化需氧量是指将样品在 2 0 11 条件下，培养五天，分别测 定样品培养前后的溶解氧，也就是微生物分解存在水中的某些可氧化物质， 特 别是有机物所进行的生物化学过程中消耗溶解氧的量，二者之差即为 b o d 。 值， 以氧的毫克/ 升表示。 这种方法存在侧定时间长， 操作烦琐，反映水环境污染程 度不及时的缺点。为此环境监测者一直探讨使用快速测定b o d的方法以代替经 典的b o d ; 测定方法。按照不同的 工作原理， 先后出 现用库仑法，差压法， 活性 污泥法，呼吸计法等来测定 b o d ，这些方法虽较 b o d 。 有了改进，但仍不能及时 反映水体现状。 微生物传感器法测定b o d 是近十多年来国外、国内发展起来的又一种测定 方法，它的诞生给 b o d 的测量带来新的活力。 b d d 快速侧定仪橄生物腆传感招的实脸研究 南开大学硕士研究生学位论文 自1 9 6 2年c l a r k 和l y o n s 提出7生物传感器的设想;1 9 6 5 年u p d i k 。 和 n i c k s 制出酶电极; 1 9 7 6 年u e r n i m n e n 提出了 用氧电极接种活性污泥法测定b o d 的方法后;1 9 7 7年 k a r u b e等将丝抱酵母菌用聚丙酞胺或骨胶固定在多孔纤维 素膜上，再将此微生物膜安装在氧电极的透气膜上构成 b o d 微生物传感器。但 由于微生物膜传感器在理论和制作过程较为复杂，国内外对此仍在进行不断的 研究， 尤其在电极结构 ( 二电 极或三电极) 、 溶解氧渗透膜、 菌种及安装后膜之 间对电位影响及响应时间等仍在寻求更简易、快速方法。其间还有很多人相继 报导了有关b o d生物传感器。但国内至今仍没有较稳定、可靠的b o d 快速测定 仪正式生产.纵观 b o d 生物传感器发展的 历程， 无疑是国内 外环境监测者研制 的目 标。 微生物传感器用于测定b o d ， 虽然具有相对的响应时间短、 操作简单的 特点， 但如果不能严格控制其测试条件， 那么将不能得到良 好的重复性及准确性。 b o d 快速测定的响应时间( 一般小于3 0 分钟) 与传统的b o d e 测定方法相比， 大大缩 短了测量时间，但就其自 身来说响应时间依然偏长。再加上菌膜是其传感器构 成的重中之重，所以要从生化反应和电 化学反应两方面的角度，综合评价其作 用，并给予必要的改进，以 期获得更好的b o d 快速测定仪是当前的一个热点。 二. 研究内 容 2 . 1 . 溶解氧电极的性能优劣，将会直接影响b o d 微生物传感器的性能，因为任 何影响 氧电极的 平衡时间、 响应线性值、 灵敏度、 重现性的 现象都有可能出现。 重新开发溶解氧电极是本研究的首要内容。 2 . 2 . 生物传感器膜的研制开发:经过对有关文献的调研与分析，重新对菌种的 选择，菌的培养环境与测量环境的一致性，菌膜固定的制造条件，菌膜内阻与 膜材质的相关联系等方面，进行进一步研究是其关键所在。 2 . 3 . 开发研制流动分析方法， 并结合2 . 1 , 2 . 2 的条件，重新设计了三电极一体 芯式电极和流通测t池是快速测定仪发展方向。 2 . 4 . 选择和控制测量过程中的局部温场，是该测量方式的重要保证。因此开发 植温控制筒也是其中 一重要内 容。 b 反之， 0 : 的压力越低产生的电 流越就少。 可见选择适宜的氧渗透薄膜增加0 , 的透过能力和提高电极的电 流信号， 加 速电极响应并延长膜的使用寿命是非常必要的。 表4 -1 表明在同等恒定电 位下 不同膜的情况。 表4 -1氧渗透薄膜对比 ( t = 2 8 0 0 p = 1 0 2 . 3 k p , m # a 静态电流 ( pa ) 使用寿命平衡时间 ( h ) 响应速度 ( s ) 机械强度 p e膜1 0 0 - 1 5 0不大于 1 周1 2 不大于 6 0差 p e j 膜1 2 0 - 1 6 0不大于 2 周1 2 不大于 3 0差 y 膜 p o , ( x , ) . 据 此可将上式改写为 工 = 4 f d m a a . p o,( x z ) xm ( 3 ) 当电压加到足够负时，电极表面氧的浓度等于零时的电解电流， 称为极限电流。 对指定电极而言， 只要透氧膜确定了d . a a . / x . 为常数， 所以极限电 流与被测溶液 中氧的分压成正比。由于a . 和d . 是温度的函数，故在本机测量系统中装有控温 系统。 司1 、 d , -: x 七、d 。 一， 图6 - 4 c l a r k电极 ( a )电极结构( b ) 氧扩散情况 水中的饱和溶解氧可按下式计算【 川 _ _p u u r =- x po 4 7 7 . 8 t i 3 2 . 2