2.2 生化需氧量

2.2.1 原理

水中有机物可以作为微生物的营养源，微生物在吸收水中有机物后，又吸收水中溶解氧，在体内对有机物进行生物氧化，所以水中微生物需要的氧量也间接反映水中有机物含量，所需的氧量即生化需氧量（biochemical oxygen demand, BOD）。生化需氧量反映水中有机物由于微生物的生化作用进行氧化分解，使之无机化或气体化时所消耗水中溶解氧的总数量。其值越高，说明水中有机污染物质越多，污染也就越严重。水中的碳氢化合物、蛋白质、油脂、木质素等有机污染物，均可经好氧菌的生物化学作用而分解，并在分解过程中消耗氧气，这类物质称需氧污染物质。若这类污染物质进入水体过多，使水体生化需氧量上升，若此时水体又供氧不足，造成水中溶解氧缺乏，使水中厌氧菌繁殖，水中有机物又会通过水中厌氧菌而分解，引起腐败现象，产生甲烷、硫化氢、硫醇和氨等恶臭气体，使水体变质发臭。

生化需氧量是指好氧条件下，单位体积水中需氧有机物质生化分解过程中所消耗的溶解氧的量。严格讲，生化需氧量是指水中可以被生物降解的有机物（如碳水化合物、蛋白质、脂肪等）的多少，不包括水中不能被生物降解的有机物，如大分子腐殖质类物质等，因此BOD测定实际上是对水中可生物降解有机物含量的间接测量。

水中有机物被生物氧化降解一般分为两个阶段：在第一阶段有机物被氧化成CO2、H2O、NH3，称为碳化阶段，需要的氧量称为碳化需氧量；在第二阶段NH3被氧化为NO-2和NO-3，称为硝化阶段，硝化阶段一般在含碳有机物已经基本完成分解之后才开始进行，它需要的氧量称为硝化需氧量。水中有机物的生物氧化过程如图2-6所示。

微生物对有机物的耗氧分解是一个缓慢的过程，例如在20℃培养时，有机物的完全氧化常需要20～100天以上的时间。为进行相互比较，同时缩短分析测定时间，国内外普遍规定在20℃时，水中有机物在微生物作用下氧化分解5天内所消耗的溶解氧量，称为五日生化需氧量，记为BOD5，相应地还有BOD10、BOD20。通过测定样品培养前后的溶解氧量之差即可获得BOD5值，单位以mg（O）/L表示，或者简化为mg/L。该方法首先由英国使用，后来逐渐被世界各国所公认。BOD5虽然不能代表总的生化需氧量，但对于生活废水和大多数工业废水，BOD5占据有机物完全氧化成CO2和H2O的总生化需氧量BODu的70%～80%，而且采用5天培养期，可减少有机物降解释放的NH3的硝化作用带来的干扰，因为对于一般的生活污水，硝化过程在5～7天以后才能显著展开，因此5天不会影响BOD的测量；若是特殊的有机废水，为了避免硝化过程耗氧所带来的干扰，可以在样本中添加抑制剂。

BOD5广泛用于表示水中有机物浓度。高浓度有机工业废水的BOD5可达数千至数百万mg/L；城市污水的BOD5在200mg/L左右；未受废水污染的水体，BOD5常低于2mg/L；一般清净河流的BOD5不超过2mg/L，若高于10mg/L，就会散发出异味。工业、农业、水产用水等要求BOD5应小于5mg/L，而生活饮用水应小于1mg/L。

生化需氧量（BOD）的测定是一种生物分析法，在水样培养过程中，微生物（主要是细菌）利用有机物中的碳源和氧化释放的能量供生长需要，同时消耗水中的溶解氧，因此，影响微生物生长的各种因素均可能影响分析的结果。这些因素包括：温度，微生物生长所需的N、P微量元素等营养物质，溶解氧供给条件，有毒物质，以及有机物本身的性质等。在整个分析测定过程中这些因素都必须控制在不影响微生物正常生长的相对一致的水平上。例如，温度应保持在（20±1）℃，培养5天后水中应仍有充足的溶解氧（有机物浓度较高的样品应稀释），不含微生物或微生物含量少的样品需要接种微生物，含对微生物有毒物质的样品应接种经过驯化的微生物等。实际上微生物不可能氧化所有有机物，某些含苯环多的物质及有毒物质都难以氧化，所以严格讲BOD只反映在测定条件下被氧化的有机物量。

BOD5用于废水中有机物的测定时，BOD5和CODCr的比值反映水的可生化程度，由于化学氧化能力比生物氧化能力强，并非所有能够被化学氧化的物质都能被生物氧化，所以该比值均小于1，当该比值大于30%时水才可能进行生物氧化处理（见表2-3）。

理论上BOD与TOC及COD之间也存在简单的线性关系。水中有机物CmHnOx在进行生化处理时，有一部分有机物（Org1）在微生物代谢中在酶作用下通过呼吸作用被氧化成CO2和H2O；另一部分转化为微生物细胞物质，其中一部分（Org2）在内源呼吸中被氧化分解并释放能量，还有一部分（Org3）作为细胞及较难降解的代谢产物留下（见图2-7），可用下式表示：

被氧化降解的比例为

W =[（Org1）+（Org2）]/CmHnOx

被降解部分有机物的生化需氧量即测得的BOD，按照式（2-3）其值为，式中kBOD为BOD测定时的氧化率，这样对某种固定的水体，BOD/TOC值为, BOD/COD值为，它们都是常数，所以理论上BOD与TOC及BOD与COD之间均存在线性关系。测得的某废水处理二次沉淀池出水的BOD、COD与TOC关系示于图2-8。

2.2.2 测量方法

1．稀释法

生化需氧量的传统测定方法是稀释与稀释接种法和非稀释与非稀释接种法，它要求待测水样pH为6～8并消除余氯，根椐待测水样有机物浓度决定稀释还是不稀释（当BOD5≤6mg/L时可以不稀释），根据水样中微生物情况决定接种（即投加菌种）还是不接种。稀释是按一定比例将水样加入稀释水中，接种要投加含有营养液的接种液，然后在（20±1）℃的黑暗状态下培养5天，测定培养前后水样中溶解氧的质量浓度，同时进行空白试验，由培养前后水样中溶解氧之差值计算每升样品所消耗的溶解氧量，表示为BOD5。该法是1913年由英国皇家污水处理委员会正式提出的，美国公共卫生协会1936年将（20℃）五日生化需氧量稀释法定为水和废水的标准检验方法，我国1987年将此方法颁布为《水质 五日生化需氧量（BOD5）的测定 稀释与接种法》（GB/T 7488—87），环境保护部于2009年进行了修订（HJ 505—2009）。

2．微生物传感器法

Verrismmen于1976年首先提出用氧电极接种污泥法测定BOD，为微生物传感技术发展及BOD测定传感器的研制奠定了坚实的基础。我国于2002年颁布了《水质 生化需氧量（BOD）的测定 微生物传感器快速测定法》（HJ/T 86—2002），该方法测定水中BOD的微生物传感器由氧电极和微生物菌膜构成，其原理是：当含有饱和溶解氧的样品进入流通池中与微生物传感器接触，样品中的溶解性可生化降解有机物受到微生物菌膜中菌种的作用而消耗定量的氧，使扩散到氧电极表面上氧的数量减少，当样品中的可生化降解有机物向菌膜扩散速度达到恒定时，此时扩散到氧电极表面上氧的数量也达到恒定，因此产生一个恒定电流，恒定电流的差值与氧的减少量之间存在定量关系，据此可换算成样品的BOD。国产Ly-05型BOD快速测定仪外形如图2-9所示。

3．测压法

测压法是按照传统的方法进行的，将被测水样按标准要求准备好后放入培养瓶中，在连续搅拌下将培养瓶和主机一起放入培养箱中，培养箱中温度控制在（20±1）℃，进行5天培养，培养瓶中水样在连续搅拌情况下保证足够的溶解氧供微生物的生化作用。培养瓶是密闭的培养瓶，在瓶口处有一个装有NaOH或KOH的小杯，当培养瓶内的氧被微生物消耗的同时，由微生物呼吸产生的与耗氧量相当的CO2气体被碱吸收，密闭系统的压力会降低，通过压力计测出其压降，压降值与生化反应中产生的CO2量也即生化反应中消耗的氧量成正比，因此利用压降值可求出水样的BOD5值。该法操作简便，节省人力和试剂，可直读BOD值，便于随时观查，而且仪器构造简单、性能相对稳定，比较适合于批量样品的测定，比如日常运行监测。目前使用这一类测压法的仪器产品较多，图2-10所示是其中的一种。

4．活性污泥曝气降解法

温度控制在30～35℃，利用活性污泥强制曝气降解样品2h，测定曝气前后水的CODCr值，计算二者差值，再根椐与标准试验结果的对比关系，换算成BOD5。该方法对具有特定成分且稳定的水（如工业废水）的检测具有很好的可靠性。

5.BOD在线监测

目前BOD在线监测仪由于稳定性欠佳应用不多，按原理分类它有三种类型：一是生物反应器法。它是利用特殊的中空材料吸附大量的微生物，当待测水样进入反应器后，在搅拌条件下微生物迅速降解水样中的有机物，通过测定水样降解前和降解后的溶解氧，并与反应器的内置标准曲线对比计算得到BOD值，多个反应器连续工作即可实现水样的在线监测。二是微生物电极法。该方法与前面介绍的微生物传感器法原理相同，但在线监测仪的结构复杂，需要定期添加标准溶液和更换进液管路及微生物膜。三是紫外光法。它是在特定紫外线波长条件下，依据样品中有机物的光谱吸收强度与待测溶液浓度的相对关系来测定样品中有机物的含量。但该法所测定数据的重现性及其与BOD5的相关性依赖于水样的稳定性，而许多不稳定样品使用紫外光法很难精确测定BOD，所得数据只能用来对水样进行定性判断。