生化需氧量檢測標準現狀與發展

孫孝雯，黃思捷，劉志丹

生化需氧量檢測標準現狀與發展

孫孝雯，黃思捷，劉志丹※

（中國農業大學水利與土木工程學院農業農村部設施農業工程重點實驗室，環境增值能源實驗室，北京 100083）

水環境監測是切實推進生態文明建設的重要方面。生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）是在微生物存在下水體有機物生化降解所需的氧量。作為反映水中有機污染物含量的重要指標，在城鎮、工業和農業農村環境等領域的監測工作中均不可忽視。該研究剖析了國內外關于BOD檢測的標準和方法，總結了稀釋接種法和微生物電極法以及更加與時俱進的測試方法。同時，對比分析了國內外標準排放限值的制定力度，從國家標準、地方標準、行業標準三個方面全面梳理了現行BOD標準體系建立的結構和框架，深入剖析了地方強制標準在國家法規、地方政策引導下建立的影響因素和執法部門監管、人民群眾監督下實施的推動關系。從標準分布、制定力度、檢測方法的迭代三個方面提出了標準體系的重點發展方向和制修訂建議，以期為推動中國水環境保護和水資源利用提供支撐。

生化需氧量（BOD）；微生物燃料電池；標準；水環境；檢測方法

0 引 言

國內外為積極響應“碳中和”戰略、“碳減排”策略，推動全球綠色低碳轉型，在污水處理行業陸續出臺相應政策。美國發布的《2016—2045年新興科技趨勢報告》認為污水回收等科技將會減緩人類對淡水水源的需求，歐盟于2020年通過的《污水再利用條例》有望促進更廣泛的再生水回用，中國國家發改委等十部委于2021年聯合引發的《關于推進污水資源化利用的指導意見》明確將污水資源化利用作為節水開源的重要內容，指出了“達標排放”和“達標回用”的必要性，點明了“水質監測評價”和“廢水循環利用智慧管理平臺”的要求。為推進生態文明建設、“深入打好污染防治攻堅戰”，在水環境和污水治理過程中，急迫需要及時、有效、穩定的水污染物監測手段[1]。

生化需氧量是評價水中有機物污染程度的綜合指標[2]，其值越高，消耗水中溶解氧越多，導致厭氧菌繁殖加快，有機物腐敗，水質惡化，在污水排放檢測中不可忽視[3-4]。目前國內外通用衡量水污染程度的水質指標除BOD外，還有化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、總有機碳（Total Organic Carbon，TOC）等[5]。相較于COD和TOC，BOD能相對地表示出微生物可以分解的有機污染物的含量，比較符合水體自凈化的實際情況[6]。BOD作為衡量廢水污染強度、成分和水體氧平衡的重要指標，對整個水環境保護、水污染控制以及維護水環境健康至關重要[7-9]。

本研究梳理了國內外BOD的檢測標準，闡釋了BOD檢測方法的迭代以及標準的制定力度、覆蓋范圍等，并結合中國水環境中BOD監測需求對BOD標準體系制定提出了建議，以期為推動BOD有效監測提供支撐和參考，保障污水“達標”排放和回用，保護水環境，重視全球生態環境問題，堅持“堅持人與自然和諧共生”和“堅持推動構建人類命運共同體”的國家基本方略，推進中國水環境生態保護和高質量發展。

1 國內外BOD檢測方法及排放限值現狀

1.1 國內外BOD檢測方法

1.1.1 稀釋與接種法

標準BOD檢測方法最早確立于1936年，美國公共衛生協會將5日生化需氧量稀釋法規定為水和廢水的檢驗方法，并為ISO/TC-147推薦[10]。國際標準化組織（ISO）自1983年對BOD排放監測設立了標準，《水質-天后生化需氧量的測定（BODn）-稀釋與接種法（ISO 5815—1983）》規定采用稀釋與接種法根據實際情況進行天的生化需氧量監測。經過標準不斷迭代，到2019年形成檢測范圍更廣、試驗程序更加優化的《水質-日生化需氧量（BODn）的測定第一部分：加烯丙基硫脲的稀釋與接種法》（ISO 5815—1：2019）和《水質-日生化需氧量（BODn）的測定第二部分：非稀釋法》（ISO 5815—2：2019），中國現行BOD檢測標準就是修改自2003版國際標準[11]。美國自1996年就對具體行業BOD排放閾值制定了相關標準，《攝影（沖洗）廢液生化耗氧量和溶解氧的測量》（ANSI/NAPM IT4.40—1996）對測定范圍、測量結果可靠性和BOD測定標準進行了規定，可用作分析照相攝影處理廢水的一套具體操作說明。

1987年，中國環境保護部發布實施《水質五日生化需氧量（BOD5）的測定稀釋與接種法》（GB/T 7488—1987），這是中國實施的第一個關于BOD測定的國家標準，對BOD的原理、測定所需試劑、測定儀器、樣品儲存注意事項、試驗操作步驟都進行了詳細的規定。2009年，中華人民共和國國家環境保護標準（HJ 505—2009）代替（GB/T 7488—1987），修訂增加了檢出限，在方法原理部分明確規定了培養溫度和時間，增加了（2+5）d培養時間的內容、接種液的選擇、樣品前處理方法內容、稀釋倍數的確定、質量保證和質量控制以及細化了測定方法[12]。標準規定地表水、工業廢水、生活污水中BOD5的稀釋與接種的測定方法，通過測定培養前后溶解氧的質量濃度之差計算BOD5，方法的測定范圍為2～6 000 mg/L，達到6 mg/L就需要進行稀釋。在準確性上，非稀釋接種法的重現性和再現性偏差均小于稀釋接種法。

1.2.2 微生物電極法

日本最早于1990 s年代推出BOD快速檢測儀器并頒布微生物電極法工業標準（JIS K3602—1990），標準放棄使用耗時長的稀釋接種法，采用微生物電極法對BOD進行快速檢測，在BOD檢測方法和儀器上有很大改進[13]。

中國于2002年制定的《水質生化需氧量（BOD）的測定微生物傳感器快速檢測法》（HJ/T 86—2002）首次規定了微生物傳感器快速測定方法——微生物電極法[14]，其原理涉及初級氧化速率，所以8～15 min即可完成一個樣品的測定，相對誤差在-2.0%到2.8%之間。在城鎮建設、紡織、煤炭等行業對BOD排放限值和檢測方法做出的相關規定均采用稀釋接種法，雖然微生物傳感器快速測定方法已經作為行業標準發布，但在污水排放標準中并未得到應用。

1.2.3 其他BOD檢測方法

除標準規定的稀釋接種法和微生物傳感器快速檢測方法外，還包括熒光細菌檢測法、近紅外光譜法、高光譜成像技術和微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）法，原理均不相同，如圖1 BOD檢測方法原理簡圖所示。熒光細菌檢測原理是污水中微生物活動和BOD及細菌污染密切相關，通過利用與微生物活動密切相關的色氨酸發射的熒光強度轉換成相應的BOD值[15]。近紅外光譜法原理是依靠不同物質吸收強度的差異來測定BOD值[16]。高光譜成像法是確定水質濃度與光譜反射率最優相關波段，建立BOD與光譜反射率之間回歸模型[17-19]。微生物燃料電池原理是電池產生的電流強度及轉移的庫侖電荷量與陽極有機物濃度高低直接相關，在一定BOD范圍內，電信號響應與BOD呈現良好的線性關系[20-23]。在《地表水和污水監測技術規范》中，地表水、集中式飲用水源地、湖泊水庫中的BOD均為必測項目，但在2017年底發布的《地表水自動監測技術規范》中，由于儀器設備適用性等原因將BOD作為選測項目實施。隨著“自動監測為主，手工監測為輔”水環境監測體系的日趨成熟，加快BOD自動監測儀器研發進程，實現BOD在線自動監測尤為重要[24]。因此，在BOD標準制定上，可以考慮引入“實驗室”研究已久的檢測方法，推進科學儀器研發成果積極轉化，以實現檢測配套設施真正的智能化和自動化。

1.2 國內外BOD排放限值現狀

由于各國發展情況、技術要求和污染現狀等不同，在BOD排放限值上也存在一定差異，表1為各國BOD排放限值。美國鄉村起步早，鄉村和城市使用相同的排放標準，即《聯邦水污染防治法》，該法對BOD5做出規范而未考慮COD，BOD5月平均值限制在30 mg/L，周平均值限制在45 mg/L[25]。歐盟《城市廢水處理指令（91/271/EEC）》對BOD5規定年平均值限制在25 mg/L，類似于中國二級排放標準（城鎮污水處理廠水污染物排放的主導標準，大部分污水處理廠應達到二級標準的要求）。但該指令并不等同于國內法，各國按照污染綜合預防和控制指令（Integrated Pollution Prevention Control，IPPC）和水政策行動框架（Water Framework Directives，WFD）的規定，結合實際制定基于水質的排放限值，確保水質目標的實現[26]。日本深度處理凈化槽技術較為成熟，出水水質中BOD5可達到10 mg/L 以下，日本農村分散生活污水排放標準中排放限值根據凈化槽處理工藝和技術確定[27]。

表1 BOD排放限值

2 國內BOD檢測和排放標準的制定

2.1 國家、行業、地方標準分類及概況

不論國外還是國內，污染物排放標準均分為總體要求和具體要求兩個層級。國家和行業標準作為總體控制要求是最低要求，其發布實施有利于優化水環境污染物排放、規范排污單位排污行為、加強落實地方水環境保護力度，地方標準作為國家、行業標準的補充更為嚴格，為適應中國地域環境差異大、地區之間發展不同步而設[28-29]。由于人類生活質量提高，環境重視程度加深，部分地方標準對BOD排放限值做出強制要求，這些標準的發布實施對推進其他省份標準和國家強制標準建立發揮重要指導作用。

2020年11月份通過的《》對各類標準作用定位進行了明確，關于污染物排放標準的順序，地方污染物排放標準優先于國家污染物排放標準[30]。地方標準包括綜合、通用型標準、行業標準和流域（海城）或者區域型標準。流域（海城）或者區城型污染物排放標準優先于行業型污染物排放標準，優先于綜合、通用型污染物排放標準[31-32]。在地方水污染物排放標準中，規范性引用文件均采用稀釋與接種法。

2.2 地方強制標準分布及制定

標準按照執行力度劃分又可分為強制性標準和非強制性標準。強制性標準是國家法律法規的延伸，是國家治理體系中不可或缺的一部分[33]。《中華人民共和國標準化法》指出：“對保障人身健康和生命財產安全、國家安全、生態環境安全以及滿足經濟社會管理基本需要的技術要求，應當制定強制性國家標準”[34]。在強制性標準建立上，需考慮實際情況與強制屬性之間的關系，綜合考量必要性、強制性和引導性[35]。BOD是地方強制性水污染物排放標準中需要檢測的一項重要指標，表2為對BOD作出規定的地方強制性標準。截至目前，在地方標準中，對BOD排放限值做出強制規定的有42項。黃河流經的河南、山東、陜西省強制性標準占21項。

對BOD排放限值做出規定的地方強制性標準中，綜合、通用型有7項，北京、天津和上海市的水污染綜合排放標準中將BOD作為第二類污染物，規定排放濃度限值分級排放，排入不同水域則執行不同級別標準限值；行業型強制標準有15項，在畜禽、制藥、化工、食品等行業對BOD排放限值進行了強制規定[36-41]，制藥行業要求較為嚴格，根據不同級別排放要求，BOD排放限值控制在20～45mg/L，集約化畜禽行業控制在140～150 mg/L，可用于還田的畜禽廢水BOD則控制在20 mg/L；流域型強制性標準有20項，對流域范圍及控制地區進行劃分，各排污單位遵守不同控制要求。

各省關于BOD的規定差異較大，主要原因是由于各省水系污染情況和污染物指標不同，圖2是中國2005—2019年七大水系3項首要污染物指標。在中國七大水系中，長江水系、珠江水系和松花江水系水質較優，近五年主要污染物中均未出現BOD，水系流經省份的強制性地方標準中，很少一部分將BOD作為檢測指標推行；黃河、海河、淮河和遼河水系水質問題較為嚴重，三項首要污染物中均有BOD，水系流經省份的部分地方標準對BOD排放限值做出強制性規定，且在地方流域型標準中，對BOD的規定較嚴格。作為黃河、海河、淮河流域或獨流入海口，山東省地方標準尤為嚴格，對境內五條流域分別出臺相應標準[42-46]。地方明確關于水污染物排放標準類型，對精準治污、科學治污、依法治污具有重要意義。

表2 地方強制性標準

2.3 標準制定與實施監督之間的關系

標準建立與實施監管對提升中國水環境質量具有重大意義。如圖3標準建立與實施之間關系所示，為解決環境問題，法規、標準建立規范，規定的技術內容要緊隨行業發展，配合高校、科研機構創新檢測方法[47]；地方標準是在國家標準引導下的細化，強制性地方標準的制定實施又提高國家標準對BOD指標的重視程度；國家、行業、地方標準制定后，地方執法部門加強對排污單位的監管力度，企業排污過程中進行自我監督，人民群眾積極監督舉報，進行不同層面的監管[48]。做到科學建立強制性標準體系，配套相適應管理機制。

3 結論及建議

BOD檢測標準體系的建立和健全可以指導科技的進步和產業的發展，與中國水環境保護、污染源控制有著緊密聯系，對水環境規劃和污水處理工藝提供重要反饋。本文總結國內外BOD相關標準的發展和迭代，以及中國現有BOD排放標準制定狀況，目前中國現有的BOD檢測標準體系對于檢測方法的推動不足且缺少通用標準的力度支撐，目前較難依靠BOD檢測標準提升BOD檢測的效率和智能集成化發展。因此，提出以下幾點建議：

3.1 加強地方BOD標準體系建設，提升水質檢測力度

目前，中國關于BOD排放問題的地方標準制定發展非常不平衡，僅山東、河南等少數省（直轄市）制定較為系統、完備的地方標準，重視BOD排放限值標準的建立。隨著生態環境保護戰略地位愈加凸顯，近五年中國陸續出臺《水污染防治行動計劃》《“十三五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》《重點流域水污染防治規劃（2016—2020年）》《城鎮污水處理提質增效三年行動方案（2019—2021年）》和2020年12月發布的《中華人民共和國長江保護法》。BOD作為環境監測的重要指標，可以實際反映水體污染情況，雖然全國各地在自然狀況、經濟條件和環境容量上各不相同，各省對BOD排放的規定有松有緊，但長期來看，為了防止出現“先污染，后治理”的局面，各省環境保護廳應重視各項污水檢測指標，積極編制地方標準。污水排放不達標、水環境問題突出和具有BOD排放問題地區嚴格制定法規標準和加大監管力度，水質優良地區綜合考慮各種污染物指標，重視BOD對水質的影響。

3.2 提高國內BOD排放重視程度，重視準確、精確檢測

在國際上，BOD重要性高于COD，中國對這兩項指標重視程度與此相反。2017年5月起，中國將COD在內七項水質指標測定作為強制性國家標準推行，未包括BOD，并且大部分水污染排放標準也更加重視COD的檢測。為應接國際標準，也為響應國家對防污治污的重視，中國正在修訂的一些標準應重視BOD檢測。中國加強對BOD排放的重視，建立更有力度的BOD標準，將會加強企業對污水排放的管理，有利于企業改進新工藝，研制新設備，促進BOD檢測行業的發展。另外，國內污水采樣的日均值是指“取樣頻率為至少每2 h一次，取24 h混合樣，以日均值計”，存在一定的弊端[49]。一方面污水排放指標易受自然條件影響，無法做到合理反映水質情況；另一方面企業如果在采樣的間歇進行多次瞬時排放，無法準確反映是否超標。針對取樣方式存在的一些不合理問題，除了加大監管力度，若能做到在線自動監測，既能做到科學合理監測BOD排放濃度，而且將減少“偷排”等違規現象。

3.3 及時更新修訂標準技術內容，科研推進檢測站位

實現可持續在線BOD監測功能的系統對污水處理廠的運行起著重要作用，并且可以保護人類健康和生態系統免受有害水污染物的影響。但目前中國現行的BOD檢測標準，不能充分、及時反映環保檢測行業的技術發展，甚至對檢測數據的真實性造成影響，需要及時制定或修訂相關標準。關于BOD檢測方法，近幾年大量文獻報道了各種新的檢測方法，可以克服傳統BOD檢測中存在的檢測困難、檢測不穩定等問題。其中微生物燃料電池法在原理上可實現在線檢測，無需額外傳感器和電源[50]，并且國內外相關研究也積累很多，很有可能進一步標準化。但國內外在標準建立上，并未將其他檢測方法考慮在內，因此，很多排污單位為了符合規定依舊采用傳統檢測方法，很大程度影響對BOD檢測方法的創新推進。隨著污水監測技術“實時監測”“自動化”“智能化”的發展，實現BOD在線自動監測具有重要意義。在標準制定時，可以考慮將實驗室研究推進到具體排污單位的污染物指標檢測，如起草“BOD的測定-微生物燃料電池快速檢測法”的行業標準，通過標準的建立提高科研和企業等機構關注度，擴大該檢測方法研究范圍，推動成型產品跟進，建立不同地域、水體的應用示范，通過提高環境執法部門和排污單位的認可度，推進“新”的BOD檢測方法的應用。

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Current situation and development of Biochemical Oxygen Demand (BOD) detection standard

Sun Xiaowen, Huang Sijie, Liu Zhidan※

(,,,,100083,)

Water quality monitoring is an essential step in the management of freshwater resources for better ecological civilization. Biochemical oxygen demand (BOD) refers to the consumed amount of dissolved oxygen during the biochemical reaction when the microorganisms decompose into the biodegradable organic matters in water. The higher BOD indicated that the more dissolved oxygen is consumed in water, leading to the accelerated reproduction of anaerobic bacteria, the corruption of organic substances, and the deterioration of water quality. The BOD can also be an important index to reflect the content of organic pollutants in water for the monitoring work of cities, towns, industries, agriculture, and rural areas. However, the actual detection of BOD is still lacking in generality and accuracy. The current standard system of BOD detection cannot fully meet the high efficiency of water environmental protection and intelligent integrated system at present. In this study, a systematic analysis was made on the standards and technologies of BOD detection in the world, including the “first-generation” dilution and seeding, the “second-generation” microbial electrode, and the “third generation” so far. Specifically, fluorescence labeling is the process of binding fluorescent dyes (tryptophan) to functional groups contained in biomolecules. The fluorescence intensity closely related to microbial activities can be converted into the corresponding BOD value. The near-infrared spectroscopy can be used to determine the BOD value, particularly depending on the absorption intensity of substances. A microbial fuel cell depends on the current intensity generated by the cell and transferred the coulomb charge directly related to the anode organic matter concentration. Furthermore, a comparison was made on the formulation of emission limits. The structure and framework of the current BOD standard system were summarized from three aspects, including the national, local, and industry standards. It is highly urgent to define the types of water pollutant discharge standards in the local community. Therefore, it is of great significance for accurate, scientific, and legal pollution control. Moreover, the influencing factors were determined for the establishment of local mandatory standards under the guidance of national regulations and local policies, as well as the promotion relationship between the supervision of law enforcement departments and the supervision of the community. As such, a mandatory standard system can also be established to support suitable management. Three aspects were evaluated, including the standard distribution, strength of formulation, and iteration of testing. Some recommendations were made on the key development direction and revision suggestions of the standard system, including the construction of local BOD standard system, the water quality testing, the domestic BOD emission, the accurate and precise testing, updating and revising the technical content of the standard in time, as well as the testing station under scientific surveys. The finding can provide strong support to promote environment protection and resources utilization for better ecological protection and high-quality development of water systems.

biochemical oxygen demand (BOD); microbial fuel cell; standards; water environment; detection method

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.035

X832

A

1002-6819(2021)-22-0302-07

孫孝雯，黃思捷，劉志丹. 生化需氧量檢測標準現狀與發展[J]. 農業工程學報，2021，37(22)：302-308.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.035 http://www.tcsae.org

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2021-08-20

2021-10-16

國家自然科學基金（51861125103）和中國農業大學2115人才培育發展計劃聯合資助

孫孝雯，研究方向為農業生物質與能源工程。Email：7cherry@cau.edu.cn

劉志丹，教授，博士生導師，研究方向為環境增值能源、生物質能源技術。Email：zdliu@cau.edu.cn

中國農業工程學會高級會員：劉志丹（E041200655S）