CN102288653A - 生化需氧量bod在线测定仪及用其检测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生化需氧量BOD在线测定仪及用其检测的方法。污水泵、稀释水泵、空气泵、缓冲液泵接接曝气池，曝气池与反应器连通，反应器与控制器连接，连接管、连接导线上装溶氧电极，控制器接污水泵、稀释水泵。待测污水经污水泵，稀释水经稀释水泵、空气经由空气泵泵到曝气池曝气达到溶解氧饱和的情况下，通过反应器的多孔陶瓷后，测量通过多孔陶瓷材料前后溶解氧浓度变化。反应后流出污水的溶解氧浓度被溶氧传感器持续监测。控制器控制样品输入流速以使溶解氧浓度变化保持恒定，根据待测样品的在反应后溶氧浓度达到同样定值的条件下的流速与标准样品输入流速相比较计算出BOD值。本发明测量流程完全自动化，可连续实时监测，随时显示水体动态BOD值。
Description
技术领域
本发明涉及一种水体BOD的连续不间断测定的测定仪及检测的方法。
背景技术
生化需氧量(BOD)是指在规定的条件下，微生物分解水中的某些可被氧化的物质，特别是分解有机物的生物化学过程消耗的溶解氧i。BOD是检测水体污染程度最重要的指标之一。当生活污水或工业污水排放至江，河或湖泊后，水体中的好氧微生物便分解污水中的成分，因而水体中溶解氧便被大量消耗，使得一些需要大量氧气才能存活的生物如鱼类难以生存。另一方面，为了减少环境的污染，在污水排放至自然水体中之前会先进行处理，以除去含有的大部分有机物。目前采用最广泛的处理方法是微生物降解法，在此方法处理污水的过程中，处理前污水的BOD，暴氧池中的BOD都是监控运行处理过程极为重要的参数，而处理后污水的BOD因由相关法规所约束，必须持续的监控。因此目前绝大部分国家都有自己的BOD标准以保护本国的环境。
我国环境保护部在2009年10月20日颁布了最新的中华人民共和国国家环境保护标准HJ505-2009即《水质五日生化需氧量(BOD5)的测定稀释与接种法》i。根据此标准，BOD的测试过程需要5天时间，如此长的时间间隔无法保证污水处理能符合法律的可靠运行，极大地限制了其应用；而且，测试过程极为复杂，不仅费时费力，对于操作人员也有极高的要求。
到目前为止，在解决常规BOD测试时间过长的问题上已有诸多的努力，其中最有影响的是日本人Shuichi Suzuki发明的生物膜BOD快速检测法ii。该方法可在30分钟内快速检测BOD并且操作非常简单。根据这种方法，微生物固定在溶氧电极表面的膜上。在不含有有机物的样品中，溶解氧电极的读数保持稳定，而当样品中包含有有机物时，固定于膜中的微生物会消耗溶解氧以分解有机物，因此溶解氧浓度会随包含有机物的浓度的增大而减小。有机物的浓度是正比于溶解氧的减少值。虽然该方法非常简单而迅速，但其也存在相当大的问题：第一，由于固定于溶氧电极膜上的微生物的活性会随时间而变化，因此需要频繁的校正设备。第二，由于固定于膜上的微生物品种有限，在实际应用中很容易遇到超出固定微生物所能分
解的有机物成分，从而造成测试结果偏低的问题。第三，当样品中的有机物浓度超过一定范围时，膜上固定微生物的氧气消耗速率便不再增加，达到饱和，使其测量范围有限。第四，生物膜本身的性质对于测试结果也有相当大的影响，例如膜的厚度，内部孔径等。第五，由于生物膜需要频繁更换，因此无法实现BOD的连续在线监测。
现有方法的局限性导致了目前的BOD快速检测设备无法真正提供快速准确的水体参数，所以极大的限制了BOD在环境监测中的应用。特别是在当前环境监测数字化，网络化和全天候不间断检测的趋势下，研发一种可连续在线监测的设备将大大提高我国水体环境监测领域的效率。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种能提供快速准确的水体参数，连续在线监测生化需氧量的生化需氧量在线测定仪BOD及用其检测的方法。
本发明目的的实现方式为，生化需氧量BOD在线测定仪，污水泵接导管一，稀释水泵接导管二，空气泵接导管三，缓冲液泵接导管四，导管一、二、三、四接曝气池，曝气池与反应器连通的进样管上装水泵，反应器通过导线与控制器连接，导线上装溶氧电极，反应器的进样管、出样管上装溶氧电极一、溶氧电极二，控制器接污水泵、稀释水泵，反应器中放置有固定微生物的多孔陶瓷，下方有磁力搅拌器，反应器由水浴，油浴或发热材料直接包裹。
控制器的单片机的脚接溶氧传感器一，26脚接收溶氧传感器二，30脚经光电隔离器一接污水泵，29脚经光电隔离器二接稀释水泵，32脚接电平转换芯片的10脚，33脚接电平转换芯片的9脚，电平转换芯片的7脚、8脚和地，通过RS232连接到计算机。
用生化需氧量在线测定仪检测生化需氧量的方法，待测污水经污水泵、导管一，稀释水经稀释水泵、导管二泵到曝气池，缓冲液经缓冲液泵、导管四泵入曝气池，待测溶液pH值在6-8，空气经由空气泵、导管三泵入曝气池，使得曝气池内富含氧气，
水泵将曝气池内混合均匀的液体以恒定的流量泵入反应器，进样管18上所装溶氧电极一测量输入液体的氧气含量，结果输入到控制器，活性污泥中所含菌群吸附固定于反应器内的多孔陶瓷上，
控制器的单片机接收溶氧传感器一、二的输入信号，经过计算输出控制信号，
经过光电隔离器控制污水泵、稀释水泵的转速；
单片机接收的两个溶氧电极测得氧浓度的信号经电平转换芯片转换后，输入计算机，在保持最后反应后样品含氧量一定的条件下，标准样品输入速率与待测样品输入速率的比值乘以标准样品的BOD值即为待测样品的BOD值。
本发明与基于生物膜的BOD快速测定方法相比有以下优点：
1)避免了生物膜的微生物的密度种类的限制。
2)不消耗昂贵的生物膜，无需替换耗材。
3)整个测量流程完全自动化，不需人为干预。
4)设备量程只取决于污水泵、稀释水泵的流速范围，不需考虑稀释问题；
5)可以连续监测，随时显示水体的动态BOD值，做到实时监测。
6)可以通过网络组成环境监测物联网，大大提高了环境监测效率。
附图说明
图1是本发明的生化需氧量在线测定仪结构示意图，
图2是本发明测试原理图，
图3是本发明电原理框图。
具体实施方式
参照图1，生化需氧量在线测定仪的污水泵5接导管一1，稀释水泵6接导管二2，空气泵4接导管三3，缓冲液泵8接导管四7，导管一、二、三、四接曝气池9，曝气池9与反应器13连通的进样管上装水泵10，反应器13通过导线与控制器17连接，导线上装溶氧电极11，反应器13的进样管18、出样管15上装溶氧电极一11、溶氧电极二16，控制器接污水泵5、稀释水泵6。反应器中放置有固定微生物的多孔陶瓷14，下方有磁力搅拌器12。反应器9由水浴，油浴或发热材料直接包裹。
反应器13为玻璃、有机玻璃、不锈钢、陶瓷等材料制备的反应器。反应器由水浴，油浴或发热材料直接包裹加热以保持管内温度恒定。
本发明的溶氧传感器可以采用电化学溶氧电极或者荧光溶氧电极。
测定时，待测污水经污水泵5、导管一1，稀释水经稀释水泵6、导管二2泵到曝气池9。缓冲液经缓冲液泵8、导管四7泵入曝气池9，以使得待测溶液pH值保持在7左右。空气经由空气泵4、导管三3泵入曝气池9，使得曝气池内富含氧气。水泵10将曝气池内混合均匀的液体以恒定的流量泵入反应器13。在通过进样管18
进入反应器13前，溶氧电极一11测量输入液体的氧气含量，并将结果通过导线输入到控制器17。活性污泥中所含菌群通过吸附固定于多孔陶瓷14上，反应器中的液体由磁力搅拌器12带动搅拌子搅动，以保证扩散均匀。
反应后的液体从出样管15流出，流出时，由溶氧电极二16测量输出液体的氧气含量，并将结果通过导线输入控制器19。控制器将根据溶氧电极一、二测量结果控制污水泵5、稀释水泵6的泵入速度以合适的比例稀释样品。在保持最后反应后样品含氧量一定的条件下，标准样品输入速率与待测样品输入速率的比值乘以标准样品的BOD值即为待测样品的BOD值。
测试原理是基于米氏方程(Michaelis-Menten equation)：
V＝Vmax*(C/Km+C)
式中，V是反应速度，Vmax是最大反应速度，C是底物浓度，Km是米氏常数。
当C远小于Km时，该方程可以近似简化为
V＝Vmax*(C/Km)
该近似方程表示在底物浓度较低时，反应速度近似正比于底物浓度，也就是说在输入有机污染物浓度在较低的范围区间时，其浓度正比于氧气消耗速度。米氏方程在酶量恒定和底物浓度不受扩散控制时成立，这些条件在反应器中可用多孔材料作为固定介质和利用磁力搅拌增强底物扩散速度来满足。
参照图2，横轴代表有机污染物浓度，也就是底物浓度，纵轴代表反应速度，横轴上方曲线代表米氏方程。C0代表远小于Km的一个固定底物浓度，根据简化后的米氏方程，该浓度处于线性区间内。横轴下方的斜线代表有机污染物浓度的稀释倍数。当待测底物浓度C位于非线性区域时，例如图中所示浓度C1，则将其稀释n1倍，使得待测底物浓度C1可达到线性区间内的固定浓度C0。因此对于任意超过C0的底物浓度，均可通过稀释使其等于C0。
计算过程如下：
测试过程在20℃，760Torr下进行，此时溶解氧浓度约为9mg/L，如果操作压力改变，可根据亨利定律(Henry’s Law，C＝K*P)计算溶解氧浓度。设标准溶液底物BOD值为BOD0，在稀释n0倍后进入反应器反应，使得两个溶氧电极测得氧浓度差为ΔO2，BOD0/n0＝ΔO2，利用控制器控制稀释比例n，使得ΔO2保持恒定，当未知样品的BOD值为BODx，则有BODx/nx＝ΔO2，则未知样品的BOD值可计算为BODx＝BOD0*nx/n0。
参照图3，控制器17的单片机19的22脚接溶氧传感器一11的输入信号，26脚接收溶氧传感器二16，30脚经光电隔离器一21接污水泵5，29脚经光电隔离器二22接稀释水泵6，32脚接电平转换芯片20的10脚，33脚接电平转换芯片20的9脚，电平转换芯片的7脚、8脚和地，通过RS232连接到计算机。
单片机选用美国analog公司的ADUC7020，光电隔离器一和光电隔离器二均选用avago公司的6N137，电平转换20选用maxim公司的MAX232。
控制器17的单片机19(MCU)的22脚接收溶氧传感器一11的输入信号，单片机19的26脚接收溶氧传感器二16的输入信号，经过计算，通过单片机19的30脚输出控制信号，经过光电隔离器21后控制污水泵5的转速；单片机19的29脚输出控制信号，经过光电隔离器22后控制稀释水泵6的转速。
单片机19接收的两个溶氧电极测得氧浓度的信号经电平转换芯片20……转换后，输入计算机，并计算出待测样品的BOD值。
计算机通过网络即时将测量结果及计算值发送至环境监测站，并通过网络组成环境监测物联网，大大提高了环境监测效率。
参考文件
i环境保护部，《水质 五日生化需氧量(BOD5)的测定稀释与接种法》，中华人民共和国国家环境保护标准HJ505-2009。
iii US Pat No.4,350,763。
Claims (5)
1.生化需氧量BOD在线测定仪，其特征在于污水泵接导管一，稀释水泵接导管二，空气泵接导管三，缓冲液泵接导管四，导管一、二、三、四接曝气池，曝气池与反应器连通的进样管上装水泵，反应器通过导线与控制器连接，导线上装溶氧电极，反应器的进样管、出样管上装溶氧电极一、溶氧电极二，控制器接污水泵、稀释水泵，反应器中放置有固定微生物的多孔陶瓷，下方有磁力搅拌器，反应器由水浴，油浴或发热材料直接包裹。
控制器的单片机的脚接溶氧传感器一，26脚接收溶氧传感器二，30脚经光电隔离器一接污水泵，29脚经光电隔离器二接稀释水泵，32脚接电平转换芯片的10脚，33脚接电平转换芯片的9脚，电平转换芯片的7脚、8脚和地，通过RS232连接到计算机。
2.根据权利要求1所述的生化需氧量BOD在线测定仪，其特征在于反应器(13)为玻璃、有机玻璃、不锈钢、陶瓷等材料制备的反应器。
3.根据权利要求1所述的生化需氧量BOD在线测定仪，其特征在于溶氧传感器采用电化学溶氧电极或者荧光溶氧电极。
4.用权利要求1所述的生化需氧量BOD在线测定仪检测生化需氧量的方法，其特征在于待测污水经污水泵、导管一，稀释水经稀释水泵、导管二泵到曝气池，缓冲液经缓冲液泵、导管四泵入曝气池，待测溶液pH值在6-8，空气经由空气泵、导管三泵入曝气池，使得曝气池内富含氧气，
水泵将曝气池内混合均匀的液体以恒定的流量泵入反应器，进样管18上所装溶氧电极一测量输入液体的氧气含量，结果输入到控制器，活性污泥中所含菌群吸附固定于反应器内的多孔陶瓷上，
控制器的单片机接收溶氧传感器一、二的输入信号，经过计算输出控制信号，经过光电隔离器控制污水泵、稀释水泵的转速；
单片机接收的两个溶氧电极测得氧浓度的信号经电平转换芯片……转换后，输入计算机，在保持最后反应后样品含氧量一定的条件下，标准样品输入速率与待测样品输入速率的比值乘以标准样品的BOD值即为待测样品的BOD值。
5.根据权利要求4所述的生化需氧量BOD在线测定仪测定生化需氧量的方法，其特征在于计算过程如下：
测试过程在20℃，760Torr下进行，此时溶解氧浓度约为9mg/L，操作压力改变，根据亨利定律计算溶解氧浓度，设标准溶液底物BOD值为BOD0，在稀释n0倍后进入反应器反应，使得两个溶氧电极测得氧浓度差为ΔO2，BOD0/n0＝ΔO2，利用控制器控制稀释比例n，使得ΔO2保持恒定，当未知样品的BOD值为BODx，则有BODx/nx＝ΔO2，则未知样品的BOD值经计算为BODx＝BOD0*nx/n0。
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