Способ экспресс-анализа биохимического потребления кислорода и устройство для его осуществления
METHOD FOR RAPID ANALYSIS OF BIOCHEMICAL CONSUMPTION OF OXYGEN AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к области определения биохимического потребления растворенного кислорода в природной и сточной воде и может быть использовано в системах лабораторного контроля технологических процессов очистки природной и сточной воды.
Известны способы и устройства для определения биохимического потребления растворенного кислорода в воде: патент России RU 2510021 С2 опубликован 20.03.2014, патент России RU 2139530 С1 опубликован 10.10.1999, патент Германии DE 4314981 А1 опубликован 02.12.1993, патент ЕР 0414182 А1 опубликован 27.02.1991.
Известен способ для непрерывного измерения биохимического потребления кислорода (патент России RU 2510021 С2 опубл. 20.03.2014), заключающийся в том, что организуют непрерывный поток забираемой на анализ воды из водного объекта в трубопровод, причем скорость течения воды в трубопроводе подбирают так, чтобы за требуемый период времени Т (где Т - длительность биохимического потребления) вода проходила расстояние между двумя соседними створами трубопровода, в которых установлены датчики для непрерывного измерения концентрации растворенного кислорода в проточной воде.
Указанный способ обладает следующим недостатком: невозможность измерения биохимического потребления кислорода в случае, когда в пробе отсутствует активный ил, участвующий в процессе биохимического окисления.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство экспресс-анализатора химического и биохимического потребления растворенного кислорода в воде (патент России RU 2139530 С1 опубл. 10.10.1999), заключающиеся в том, что в амперометрической ячейке стимулируют рост количества микроорганизмов, поглощающих кислород, с помощью работающего генератора электроимпульсного тока в течение времени, определенного таймером, в результате чего через определенное время уменьшается почти до нуля концентрация растворенного в анализируемой воде кислорода. Биохимическое потребление кислорода (БПК полное) определяют как разность начальной и конечной (нулевой) концентраций растворенного в анализируемой воде кислорода.
Указанное устройство обладает следующим недостатком: открытая электродная система, присутствующая в составе устройства, обладает низкой селективностью и подвержена влиянию второстепенных компонентов анализируемой среды, что отрицательно сказывается на точности измерения.
Технический результат, достигаемый предлагаемыми способом и устройством для его осуществления, состоит в расширении функциональных возможностей и повышении точности анализа. Технический эффект, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в иммобилизации биохимического компонента в устройство для экспресс-анализа и достигается тем, что в известном способе экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода, включающем организацию забираемой на анализ воды из водного объекта, снабжение амперометрической ячейки биохимически активным компонентом потребления кислорода, согласно изобретению биохимически активный компонент потребления кислорода иммобилизуют в устройство амперометрической ячейки перед его рабочим электродом.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода, содержащем измерительный резервуар, выполненный в виде проточной амперометрической ячейки, включающей электрод сравнения и рабочий электрод в виде амперометрического датчика растворенного кислорода, блок коммутации, вычислительный блок суммирования, вычислительный блок вычисления и сравнения, вычислительный блок измерения и индикации, согласно изобретению амперометрическая ячейка снабжена мембраной, помещенной перед рабочим электродом, с иммобилизованным на ней активным илом, при этом электрод сравнения и рабочий электрод выходами подключены к входам вычислительного блока сравнения и вычислительного блока суммирования, выход вычислительного блока суммирования соединен с входом вычислительного блока измерения и индикации, блоком водоподготовки.
Кроме того, в устройстве для экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода согласно изобретению блок водоподготовки выполнен в виде последовательно соединенных воздушного компрессора, резервуара с водой, водяного насоса и блока коммутации, выходом подключенного к амперометрической ячейке, со штуцером для ввода пробы, резервуаром для хранения пробы и клапаном воздушного компрессора.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, на фиг. 2 представлен график электрических сигналов электрода сравнения, рабочего электрода и итоговая кривая сумм сигналов электрода сравнения и рабочего электрода от времени, на фиг. 3 представлен график производной сумм сигналов электрода сравнения и рабочего электрода от времени, на фиг. 4 - внешний вид предлагаемого устройства.
Блок водоподготовки 1 устройства для экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода содержит воздушный компрессор 2, подключенный к резервуару с водой 3, подключенный к водяному насосу 4, подключенный к блоку коммутации 5, к которому подключены штуцер для ввода пробы 6, резервуар для хранения пробы 7, клапан воздушного компрессора 8. Измерительный резервуар 9, выполненный в виде проточной амперометрической ячейки, включающий электрод сравнения 10 в виде амперометрического датчика растворенного кислорода, рабочий электрод 11 в виде амперометрического датчика растворенного кислорода, измерительный канал 12, мембрану 13, помещенную перед рабочим электродом, иммобилизованного на ней активного ила 14, при этом электрод сравнения 10 и рабочий электрод 11 выходами подключены к входам вычислительного блока суммирования 15 и вычислительного блока сравнения 16, выход вычислительного блока суммирования 15 соединен с входом вычислительного блока измерения и индикации 17 и входом вычислительного блока сравнения 16.
Способ экспресс-анализа биохимического потребления кислорода реализуют в устройстве, которое работает следующим образом.
Резервуар 3 (фиг. 1) заполняют дистиллированной водой, которая является движущей силой для подачи пробы в измерительный резервуар 9 и необходима для промывки измерительного канала 12. Постоянный расход воды и пробы обеспечивает водяной насос 4. Для насыщения кислородом воздуха, который необходим для поддержания активного ила 14 вне эндогенного состояния, дистиллированной воды предназначен воздушный компрессор 2. Также воздушный компрессор 2 обеспечивает продувку измерительного канала 12 после анализа для удаления остатков проб. Нагнетание воздуха в измерительный канал осуществляется при помощи клапана 8.
Перед проведением анализа проба в необходимом объеме вводится через штуцер 6 в резервуар 7. Излишки пробы сливаются через дренаж.
Блок коммутации 5 обеспечивает подведение атмосферного воздуха, дистиллированной воды и пробы к амперометрической ячейке 9. В первом положении блока коммутации 5 обеспечивается продувка и промывка амперометрической ячейки 9. Во втором положении блока коммутации 5 к измерительному каналу 12 подключается резервуар с пробой 7, тем самым обеспечивается равномерная подача пробы в амперометрическую ячейку 10.
5
Амперометрическая ячейка 9 состоит из электрода сравнения 9, рабочего электрода 10, выполненных в виде амперометрических сенсоров кислорода и биохимически активного компонента в составе мембраны 13, и иммобилизованного на ней активного ила 14. Проба диффундирует через мембрану 13 к активному илу 14, где происходит потребление кислорода, растворенного в пробе. В ходе реакции биохимического потребления кислорода концентрация кислорода на границе рабочего электрода 11 уменьшается. Скорость падения концентрации кислорода и его остаточная величина являются функцией содержания органических примесей в пробе и могут быть выражены в БПК (биохимическое потребление кислорода после 5-ти суточной инкубации. Физическая величина, характеризующая уровень загрязнения воды [1]). Непрерывное измерение концентрации кислорода при протекании реакции биохимического окисления обеспечивает рабочий электрод 11.
Для обеспечения большей точности проведения анализа в устройстве предусмотрена дифференциальная схема подключения электродов. Электрод сравнения 10 обеспечивает измерение кислорода в пробе без учета биохимического потребления кислорода.
5
Для обработки сигналов электродов и выражения результата в единице измерения БПК предназначены вычислительные блоки обработки информации: вычислительный блок суммирования 15, вычислительный блок сравнения 16, вычислительный блок измерения и индикации 17.
Вычислительный блок суммирования 15 реализует дифференциальную схему подключения амперометрических сенсоров и обеспечивает выделение полезного электрического сигнала рабочего электрода 11 с учетом сигнала электрода сравнения 10 по следующей формуле:
где S - итоговый электрический сигнал (см. фиг. 2),
1
S - электрический сигнал электрода сравнения 10,
2
S - электрический сигнал рабочего электрода 11,
2
0
S - электрический сигнал рабочего электрода 11 в начальный момент времени проведения анализа.
5
Вычислительный блок измерения и индикации 17 осуществляет дальнейшее дифференцирование электрического сигнала S для определения max(dS/dt) (см. фиг. 3) и последующее его приведение к БПК по следующей формуле:
5
где К - коэффициент чувствительности, получаемый при проведении калибровки устройства по ГСО (государственный стандартный образец) с известным БПК.
Из [1] известно, что активная реакция воды при определении БПК должна быть в пределах 6,5-8,5 мг/л. Для выполнения этого условия предназначен вычислительный блок сравнения 16, который обеспечивает выполнение следующих условий:
20
где min(S) - минимальное значение итогового электрического сигнала, приведенное к 20°С,
1
20
min(S) - минимальное значение электрического сигнала электрода сравнения 10, приведенное к 20°С,
2
20
min(S) - минимальное значение электрического сигнала рабочего электрода 11, приведенное к 20°С.
Если не выполняется (4), то необходимо провести насыщение кислородом воздуха анализируемой пробы.
5
Если не выполняется (3) или (5), то необходимо провести разбавление пробы по [2] и произвести расчет БПК по формуле
5
5
(2)
БПК=БПК*k,
5
5
(2)
где БПК - БПК, полученный по формуле (2),
k - коэффициент разбавления.
Все элементы устройства размещены компактно в едином корпусе с габаритами 30×25×15 (см) (фиг. 4).
Таким образом, благодаря способу и устройству обеспечивается высокая точность анализа, широкий диапазон определяемых величин БПК и расширены функциональные возможности применения устройства для анализа различных природных и сточных вод без необходимости предварительной инкубации пробы [1].
Литература
1. «Методы исследования качества воды водоемов». Новиков Ю.В., Ласточкина К.О., Болдина З.Н., Москва: «Медицина», 1990 г., стр. 86-87.
2. Методика выполнения измерений № ФР.1.31.2007.03436 «Количественный химический анализ вод МВИ биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПКполн) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах. ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97», Москва, 2004, стр. 10-14, 18.