專利名稱：生化需氧量bod在線測定儀及用其檢測的方法
技術領域：
本發明涉及一種水體BOD的連續不間斷測定的測定儀及檢測的方法。
背景技術：
生化需氧量(BOD)是指在規定的條件下，微生物分解水中的某些可被氧化的物質，特別是分解有機物的生物化學過程消耗的溶解氧i。BOD是檢測水體污染程度最重要的指標之一。當生活污水或工業污水排放至江，河或湖泊后，水體中的好氧微生物便分解污水中的成分，因而水體中溶解氧便被大量消耗，使得一些需要大量氧氣才能存活的生物如魚類難以生存。另一方面，為了減少環境的污染，在污水排放至自然水體中之前會先進行處理，以除去含有的大部分有機物。目前采用最廣泛的處理方法是微生物降解法，在此方法處理污水的過程中，處理前污水的B0D，暴氧池中的BOD都是監控運行處理過程極為重要的參數，而處理后污水的BOD因由相關法規所約束，必須持續的監控。因此目前絕大部分國家都有自己的BOD標準以保護本國的環境。我國環境保護部在2009年10月20日頒布了最新的中華人民共和國國家環境保護標準HJ505-2009即《水質五日生化需氧量(BOM)的測定稀釋與接種法》i。根據此標準， BOD的測試過程需要5天時間，如此長的時間間隔無法保證污水處理能符合法律的可靠運行，極大地限制了其應用；而且，測試過程極為復雜，不僅費時費力，對于操作人員也有極高的要求。到目前為止，在解決常規BOD測試時間過長的問題上已有諸多的努力，其中最有影響的是日本人Siuichi Suzuki發明的生物膜BOD快速檢測法ii。該方法可在30分鐘內快速檢測BOD并且操作非常簡單。根據這種方法，微生物固定在溶氧電極表面的膜上。在不含有有機物的樣品中，溶解氧電極的讀數保持穩定，而當樣品中包含有有機物時，固定于膜中的微生物會消耗溶解氧以分解有機物，因此溶解氧濃度會隨包含有機物的濃度的增大而減小。有機物的濃度是正比于溶解氧的減少值。雖然該方法非常簡單而迅速，但其也存在相當大的問題第一，由于固定于溶氧電極膜上的微生物的活性會隨時間而變化，因此需要頻繁的校正設備。第二，由于固定于膜上的微生物品種有限，在實際應用中很容易遇到超出固定微生物所能分解的有機物成分，從而造成測試結果偏低的問題。第三，當樣品中的有機物濃度超過一定范圍時，膜上固定微生物的氧氣消耗速率便不再增加，達到飽和，使其測量范圍有限。第四，生物膜本身的性質對于測試結果也有相當大的影響，例如膜的厚度， 內部孔徑等。第五，由于生物膜需要頻繁更換，因此無法實現BOD的連續在線監測。現有方法的局限性導致了目前的BOD快速檢測設備無法真正提供快速準確的水體參數，所以極大的限制了 BOD在環境監測中的應用。特別是在當前環境監測數字化，網絡化和全天候不間斷檢測的趨勢下，研發一種可連續在線監測的設備將大大提高我國水體環境監測領域的效率
發明內容
本發明的目的是針對上述現狀，旨在提供一種能提供快速準確的水體參數，連續在線監測生化需氧量的生化需氧量在線測定儀BOD及用其檢測的方法。本發明目的的實現方式為，生化需氧量BOD在線測定儀，污水泵接導管一，稀釋水泵接導管二，空氣泵接導管三，緩沖液泵接導管四，導管一、二、三、四接曝氣池，曝氣池與反應器連通的進樣管上裝水泵，反應器通過導線與控制器連接，導線上裝溶氧電極，反應器的進樣管、出樣管上裝溶氧電極一、溶氧電極二，控制器接污水泵、稀釋水泵，反應器中放置有固定微生物的多孔陶瓷，下方有磁力攪拌器，反應器由水浴，油浴或發熱材料直接包裹。控制器的單片機的腳接溶氧傳感器一，沈腳接收溶氧傳感器二，30腳經光電隔離器一接污水泵，四腳經光電隔離器二接稀釋水泵，32腳接電平轉換芯片的10腳，33腳接電平轉換芯片的9腳，電平轉換芯片的7腳、8腳和地，通過RS232連接到計算機。用生化需氧量在線測定儀檢測生化需氧量的方法，待測污水經污水泵、導管一，稀釋水經稀釋水泵、導管二泵到曝氣池，緩沖液經緩沖液泵、導管四泵入曝氣池，待測溶液PH 值在6-8，空氣經由空氣泵、導管三泵入曝氣池，使得曝氣池內富含氧氣，水泵將曝氣池內混合均勻的液體以恒定的流量泵入反應器，進樣管18上所裝溶氧電極一測量輸入液體的氧氣含量，結果輸入到控制器，活性污泥中所含菌群吸附固定于反應器內的多孔陶瓷上，控制器的單片機接收溶氧傳感器一、二的輸入信號，經過計算輸出控制信號，經過光電隔離器控制污水泵、稀釋水泵的轉速；單片機接收的兩個溶氧電極測得氧濃度的信號經電平轉換芯片轉換后，輸入計算機，在保持最后反應后樣品含氧量一定的條件下，標準樣品輸入速率與待測樣品輸入速率的比值乘以標準樣品的BOD值即為待測樣品的BOD值。本發明與基于生物膜的BOD快速測定方法相比有以下優點1)避免了生物膜的微生物的密度種類的限制。2)不消耗昂貴的生物膜，無需替換耗材。3)整個測量流程完全自動化，不需人為干預。4)設備量程只取決于污水泵、稀釋水泵的流速范圍，不需考慮稀釋問題；5)可以連續監測，隨時顯示水體的動態BOD值，做到實時監測。6)可以通過網絡組成環境監測物聯網，大大提高了環境監測效率。


圖1是本發明的生化需氧量在線測定儀結構示意圖，圖2是本發明測試原理圖，圖3是本發明電原理框圖。
具體實施例方式參照圖1，生化需氧量在線測定儀的污水泵5接導管一 1，稀釋水泵6接導管二 2， 空氣泵4接導管三3，緩沖液泵8接導管四7，導管一、二、三、四接曝氣池9，曝氣池9與反應器13連通的進樣管上裝水泵10，反應器13通過導線與控制器17連接，導線上裝溶氧電極 11，反應器13的進樣管18、出樣管15上裝溶氧電極一 11、溶氧電極二 16，控制器接污水泵5、稀釋水泵6。反應器中放置有固定微生物的多孔陶瓷14，下方有磁力攪拌器12。反應器 9由水浴，油浴或發熱材料直接包裹。反應器13為玻璃、有機玻璃、不銹鋼、陶瓷等材料制備的反應器。反應器由水浴， 油浴或發熱材料直接包裹加熱以保持管內溫度恒定。本發明的溶氧傳感器可以采用電化學溶氧電極或者熒光溶氧電極。測定時，待測污水經污水泵5、導管一 1，稀釋水經稀釋水泵6、導管二 2泵到曝氣池 9。緩沖液經緩沖液泵8、導管四7泵入曝氣池9，以使得待測溶液pH值保持在7左右。空氣經由空氣泵4、導管三3泵入曝氣池9，使得曝氣池內富含氧氣。水泵10將曝氣池內混合均勻的液體以恒定的流量泵入反應器13。在通過進樣管18進入反應器13前，溶氧電極一 11測量輸入液體的氧氣含量，并將結果通過導線輸入到控制器17。活性污泥中所含菌群通過吸附固定于多孔陶瓷14上，反應器中的液體由磁力攪拌器12帶動攪拌子攪動，以保證擴散均勻。反應后的液體從出樣管15流出，流出時，由溶氧電極二 16測量輸出液體的氧氣含量，并將結果通過導線輸入控制器19。控制器將根據溶氧電極一、二測量結果控制污水泵 5、稀釋水泵6的泵入速度以合適的比例稀釋樣品。在保持最后反應后樣品含氧量一定的條件下，標準樣品輸入速率與待測樣品輸入速率的比值乘以標準樣品的BOD值即為待測樣品的BOD值。測試原理是基于米氏方程(Michaelis-Menten equation)V = Vfflax* (C/Kffl+C)式中，V是反應速度，Vfflax是最大反應速度，C是底物濃度，Kffl是米氏常數。當C遠小于Km時，該方程可以近似簡化為V = Vfflax* (C/KJ該近似方程表示在底物濃度較低時，反應速度近似正比于底物濃度，也就是說在輸入有機污染物濃度在較低的范圍區間時，其濃度正比于氧氣消耗速度。米氏方程在酶量恒定和底物濃度不受擴散控制時成立，這些條件在反應器中可用多孔材料作為固定介質和利用磁力攪拌增強底物擴散速度來滿足。參照圖2，橫軸代表有機污染物濃度，也就是底物濃度，縱軸代表反應速度，橫軸上方曲線代表米氏方程。Ctl代表遠小于Km的一個固定底物濃度，根據簡化后的米氏方程，該濃度處于線性區間內。橫軸下方的斜線代表有機污染物濃度的稀釋倍數。當待測底物濃度 C位于非線性區域時，例如圖中所示濃度C1,則將其稀釋II1倍，使得待測底物濃度C1可達到線性區間內的固定濃度Q。因此對于任意超過Ctl的底物濃度，均可通過稀釋使其等于C。。計算過程如下測試過程在20°C，760Torr下進行，此時溶解氧濃度約為9mg/L，如果操作壓力改變，可根據亨利定律(Henry’ s Law，C = K*P)計算溶解氧濃度。設標準溶液底物BOD值為 BODtl,在稀釋Iitl倍后進入反應器反應，使得兩個溶氧電極測得氧濃度差為Δ02，BODciAIci = Δ O2，利用控制器控制稀釋比例η，使得Δ O2保持恒定，當未知樣品的BOD值為B0Dx，則有 B0Dx/nx = Δ O2,則未知樣品的BOD值可計算為BODx = B0DQ*nx/n。。參照圖3，控制器17的單片機19的22腳接溶氧傳感器一 11的輸入信號，沈腳接收溶氧傳感器二 16，30腳經光電隔離器一 21接污水泵5，四腳經光電隔離器二 22接稀釋水泵6，32腳接電平轉換芯片20的10腳，33腳接電平轉換芯片20的9腳，電平轉換芯片的 7腳、8腳和地，通過RS232連接到計算機。單片機選用美國analog公司的ADUC7020，光電隔離器一和光電隔離器二均選用 avago公司的6N137，電平轉換20選用maxim公司的MAX232。控制器17的單片機19 (MCU)的22腳接收溶氧傳感器一 11的輸入信號，單片機19 的26腳接收溶氧傳感器二 16的輸入信號，經過計算，通過單片機19的30腳輸出控制信號， 經過光電隔離器21后控制污水泵5的轉速；單片機19的四腳輸出控制信號，經過光電隔離器22后控制稀釋水泵6的轉速。單片機19接收的兩個溶氧電極測得氧濃度的信號經電平轉換芯片20……轉換后，輸入計算機，并計算出待測樣品的BOD值。計算機通過網絡即時將測量結果及計算值發送至環境監測站，并通過網絡組成環境監測物聯網，大大提高了環境監測效率。參考文件i環境保護部，《水質五日生化需氧量(BOM)的測定稀釋與接種法》，中華人民共和國國家環境保護標準HJ505-2009。iii US Pat No. 4，350，763。
權利要求
1.生化需氧量BOD在線測定儀，其特征在于污水泵接導管一，稀釋水泵接導管二，空氣泵接導管三，緩沖液泵接導管四，導管一、二、三、四接曝氣池，曝氣池與反應器連通的進樣管上裝水泵，反應器通過導線與控制器連接，導線上裝溶氧電極，反應器的進樣管、出樣管上裝溶氧電極一、溶氧電極二，控制器接污水泵、稀釋水泵，反應器中放置有固定微生物的多孔陶瓷，下方有磁力攪拌器，反應器由水浴，油浴或發熱材料直接包裹。控制器的單片機的腳接溶氧傳感器一，26腳接收溶氧傳感器二，30腳經光電隔離器一接污水泵，四腳經光電隔離器二接稀釋水泵，32腳接電平轉換芯片的10腳，33腳接電平轉換芯片的9腳，電平轉換芯片的7腳、8腳和地，通過RS232連接到計算機。
2.根據權利要求1所述的生化需氧量BOD在線測定儀，其特征在于反應器(13)為玻璃、有機玻璃、不銹鋼、陶瓷等材料制備的反應器。
3.根據權利要求1所述的生化需氧量BOD在線測定儀，其特征在于溶氧傳感器采用電化學溶氧電極或者熒光溶氧電極。
4.用權利要求1所述的生化需氧量BOD在線測定儀檢測生化需氧量的方法，其特征在于待測污水經污水泵、導管一，稀釋水經稀釋水泵、導管二泵到曝氣池，緩沖液經緩沖液泵、 導管四泵入曝氣池，待測溶液PH值在6-8，空氣經由空氣泵、導管三泵入曝氣池，使得曝氣池內富含氧氣，水泵將曝氣池內混合均勻的液體以恒定的流量泵入反應器，進樣管18上所裝溶氧電極一測量輸入液體的氧氣含量，結果輸入到控制器，活性污泥中所含菌群吸附固定于反應器內的多孔陶瓷上，控制器的單片機接收溶氧傳感器一、二的輸入信號，經過計算輸出控制信號，經過光電隔離器控制污水泵、稀釋水泵的轉速；單片機接收的兩個溶氧電極測得氧濃度的信號經電平轉換芯片……轉換后，輸入計算機，在保持最后反應后樣品含氧量一定的條件下，標準樣品輸入速率與待測樣品輸入速率的比值乘以標準樣品的BOD值即為待測樣品的BOD值。
5.根據權利要求4所述的生化需氧量BOD在線測定儀測定生化需氧量的方法，其特征在于計算過程如下測試過程在20°C，760Torr下進行，此時溶解氧濃度約為9mg/L，操作壓力改變，根據亨利定律計算溶解氧濃度，設標準溶液底物BOD值為BODtl,在稀釋Iitl倍后進入反應器反應， 使得兩個溶氧電極測得氧濃度差為AOyBODcZnci= Δ02，利用控制器控制稀釋比例n，使得 Δ O2保持恒定，當未知樣品的BOD值為B0Dx，則有B0Dx/nx = Δ O2,則未知樣品的BOD值經計算為 BODx = B0DQ*nx/n。。
全文摘要
本發明涉及一種生化需氧量BOD在線測定儀及用其檢測的方法。污水泵、稀釋水泵、空氣泵、緩沖液泵接接曝氣池，曝氣池與反應器連通，反應器與控制器連接，連接管、連接導線上裝溶氧電極，控制器接污水泵、稀釋水泵。待測污水經污水泵，稀釋水經稀釋水泵、空氣經由空氣泵泵到曝氣池曝氣達到溶解氧飽和的情況下，通過反應器的多孔陶瓷后，測量通過多孔陶瓷材料前后溶解氧濃度變化。反應后流出污水的溶解氧濃度被溶氧傳感器持續監測。控制器控制樣品輸入流速以使溶解氧濃度變化保持恒定，根據待測樣品的在反應后溶氧濃度達到同樣定值的條件下的流速與標準樣品輸入流速相比較計算出BOD值。本發明測量流程完全自動化，可連續實時監測，隨時顯示水體動態BOD值。
文檔編號G01N27/26GK102288653SQ201110116588
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月6日 優先權日2011年5月6日
發明者陳威 申請人:湖北博凡生物科技有限公司