تهران ،حکیمیه ،دانشگاه شهید بهشتی ،پردیس فنی شهید عباسپور ،ساختمان دکتر حسابی ،مرکز رشد ، شرکت آبرام تلفن : 09127628430 - 73932113(021)

اکسیژن خواهی بیوشیمیایی (BOD)

اکسیژن­ خواهی بیوشیمیایی (BOD):

اکسیژن­ خواهی بیو­شیمیایی (BOD)، شاخصی برای تعیین زیست­ تخریب پذیر محتوای آلی است.

مبانی آزمایش BOD:

در آزمایش BOD، سه نوع فرآیند رخ می­دهد: (1) فرآیند اکسایش که در آن بخشی از بار آلی اکسیده شده و فرآورده­ های نهایی، همچون CO2، H2O  و انرژی تولید می­شود؛ (2) فرآیند سنتز که در آن با استفاده از انرژی تولیدشده و بقیه بار آلی، زیست ­توده جدید سنتز می­ شود و (3) فرآیند خودخوری که در آن میکروب­ها در شرایط کمبود غذا از درون­ یاخته (پروتوپلاسم) خود برای متابولیسم استفاده می­ کنند. در شکل 1 مسیر تبدیل مواد آلی به فرآورده های نهایی و بقایای سلولی نشان داده شده است.

شکل 1-  نمودار مسیر تبدیل مواد آلی به فرآورده­های نهایی و بقایای سلولی

 

اگر ترکیب آلی را با CHON و یاخته (سلول) را با C5H7O2N نشان دهیم، سه فرآیند بالا را می­ توان، به ترتیب، به صورت واکنش ­های زیر معرفی کرد:

معادله 1:

فرایند اکسایش

 

معادله 2:

فرایند سنتز

 

معادله 3:

اکسیژن­ خواهی بیوشیمیایی (BOD)
فرایند خودخوری

 

مجموع اکسیژن مصرف ­شده در سه فرآیند بالا را اکسیژ ن­خواهی بیو­شیمیایی نهایی می­ نامند. باید توجه داشت که حدود 10 تا 15 درصد محتوای سلولی، زیس ت­تخریب­ پذیر نیستند، که بقایای سلولی نامیده می­ شوند.

روش کار آزمایش BOD استاندارد:

در آزمایش BOD استاندارد، دما و مدت زمان آزمایش، به ترتیب، ℃ 20 و 5 روز است. برای کنترل دما در طول آزمایش، بطری حاوی نمونه در گرم­خانه (انکوباتور) قرار داده می­ شود. در مدت انکوباسیون غلظت اکسیژن محلول (DO) نمونه نباید به صفر برسد. بدین­ منظور، باید نمونه ­های با محتوای آلی بالا را آنقدر رقیق کرد تا در مدت آزمایش، DO عامل محدودکننده آزمایش نباشد (شکل 2- الف). آب رقیق­ ساز باید از DO اشباع و حاوی مواد مغذی معدنی لازم برای فعالیت­های میکروبی باشد. پس از پُر شدن بطری آزمایش با نمونه اصلی و آب رقیق ­ساز، بطری درزگیری می­ شود تا در مدت آزمایش از ورود اکسیژن به داخل بطری جلوگیری شود. در ضمن، برای جلوگیری از تولید اکسیژن در داخل بطری توسط فرآیند فوتوسنتز، نور نباید وارد بطری شود. با اندازه ­گیری غلظت ­های DO در ابتدا و انتهای آزمایش (قبل و بعد از t روز انکوباسیون)، BOD نمونه اصلی از رابطه زیر به دست می ­آید:

معادله 4:

 

که در آن،  اکسیژن­ خواهی بیو­شیمیایی t  روزه (mg/L)، Cs1 غلظت  DOدر بطری آزمایش قبل از انکوباسیون (mg/L)، Cs2 غلظت  DOدر بطری آزمایش در انتهای انکوباسیون (mg/L) وs  ɸ کسر حجمی نمونه اصلی در بطری آزمایش است.

وقتی که در نمونه، جمعیت میکروبی کافی وجود نداشته باشد، باید به آب رقیق­ ساز میکروب نیز اضافه کرد (شکل 2- ب). در این شرایط، که نمونه شاهد (حاوی فقط آب رقیق­ ساز) هم باید مورد آزمایش قرار می­ گیرد،  نمونه اصلی از رابطه زیر به دست می­ آید:

معادله 5:

که در آن،  Cb1غلظت  DOنمونه شاهد در ابتدای آزمایش (mg/L)، Cb2 غلظت  DOنمونه شاهد در انتهای انکوباسیون (mg/L) و dw∅ کسر حجمی آب رقیق ­ساز در بطری آزمایش است.

شکل 2-  روش کار آزمایش BOD: (الف) آب رقیق­ ساز بدون میکروب؛ (ب) آب رقیق­ ساز میکروب­دار.

 

در مورد اکثر آب­ های طبیعی و فاضلاب­ های بهداشتی، BOD30 تقریباً معادل BODu است و BOD5 حدود 60 تا 70 درصد از BODu و BOD20 حدود 90 تا 95 درصد از BODu را تشکیل می ­دهد.

آهنگ واکنش BOD:

در حین آزمایش BOD، غلظت­ های مواد آلی، زیست­ توده و DO با زمان تغییر می­ کنند؛ به طوری که، با کاهش غلظت مواد آلی (با کاهش غلظت DO)، غلظت زیست ­توده در ابتدا افزایش ولی در نهایت کاهش می ­یابد (شکل 3- الف). در آزمایش BOD، رشد میکروبی چهار مرحله دارد: (1) مرحله تأخیر(مرحله خوگیری میکروب­ها)، (2) مرحله رشد سریع (موسوم به رشد نمایی، (3) مرحله رشد کاهشی (پس از آنکه غلظت مواد آلی یا دیگر عوامل رشد میکروبی محدود شد) و (4) مرحله خودخوری (موسوم به واپاشی نمایی).

شکل 3-  تحلیل آزمایش BOD: (الف) غلظت (مواد آلی نمونه، زیست­ توده، کل مواد آلی و اکسیژن مصرفی) در مقابل زمان، (ب) برازش مدل مرتبه یک به داده ­های آزمایش BOD.

در هر لحظه، کل محتوای آلی، مساوی مجموع محتوای آلی باقی­مانده و محتوای آلی زیست توده است. به طور کلی، آهنگ کاهش کل کربن آلی از واکنش مرتبه یک تبعیت می­ کند (شکل 3- ب)؛ به طوری که

معادله 6:

که در آن،  rc آهنگ کاهش غلظت کربن آلی { ML-3T-1}،  Cغلظت کربن آلی {ML-3}،  kثابت آهنگ فرآیند {T-1} و  tزمان {T} است. با انتگرال­ گیری از رابطه بالا در محدوده t = 0  تا C = C0 و تا C = C داریم.

معادله 7:

که در آن، C0 غلظت اولیه کربن آلی است. بنابراین، غلظت کربن آلی کاهش ­یافته در مدتt(= t – 0 =t)∆ برابر است با:

معادله 8:

با توجه به اینکه مقدار کربن آلی متناسب با مقدار اکسیژن­ خواهی است، در آزمایش BOD، مقدار کربن آلی کاهش ­یافته در یک مدت خاص نیز متناسب است با مقدار اکسیژن محلول مصرف­ شده در آن مدت. بنابراین می­توان در معادلات بالا از غلظت اکسیژن­ خواهی (L) به جای غلظت کربن آلی (C)، از غلظت اولیه اکسیژن­ خواهی (L0) به جای غلظت کربن آلی اولیه (C0)، از غلظت اکسیژن مصرف­ شده در مدت t (∆Lt) به جای ∆Lt و از ثابت آهنگ مصرف اکسیژن ناشی از اکسایش باکتریایی کربن آلی، موسوم به ثابت آهنگ اکسیژن­ زدایی، (kd) به جای  kاستفاده کرد؛ به طوری که

معادله 9:

معادله 10- الف:

چون غلظت اکسیژن مصرف­ شده در مدت t با آزمایش BOD اندازه­ گیری می ­شود، لذا در معادله بالا می­ توان از BODt به جای Lt∆ و از BODu به جای L0 استفاده کرد.

معادله 10- ب:

مقدار ثابت اکسیژن­ زدایی، kd ، به جمعیت میکروبی، مشخصات مواد آلی و مشخصات محلول (به خصوص دما) بستگی دارد. مقادیر نوعی kd برای فرآیند اکسیژن­ زدایی آب­ های مختلف، در دمای ℃20، در جدول 1 ارائه شده­ اند. وقتی که kd = 0.23d -1  باشد، آنگاه BOD5 0.68BODu.

اگر مقدار kd در دمای ℃20 مشخص باشد، مقدار آن در دمای دیگر را می توان با استفاده از معادله زیر به دست آورد؛ به طوری که

معادله 11:

که در آن، T دما (℃)،   θ ضریب دما و kd(T) و  kd(20) مقادیر ثابت اکسیژن زدایی، به ترتیب، برای دماهای T و ℃20 است. برای θ، در محدوده دمای 4 تا  ℃20 مقدار 1.135 و در محدودة دمای 20 تا  ℃30 مقدار 1/056 پیشنهاد شده است؛ لیکن برای دمای بیش از ℃20  عدد نوعی 1.047 نیز پیشنهاد شده است. مقدار θ بزرگ­تر از 1 در معادله بالا نشانگر آن است که واکنش­ های BOD در دمای بالاتر، سریع­تر رخ می­ دهند.

جدول 1-  مقادیر نوعی ثابت آهنگ اکسیژن­ زدایی ناشی از اکسایش
باکتریایی کربن آلی (kd) برای آب­های مختلف

تحلیل داده ­های BOD:

برای استفاده از مدل مرتبه یک BOD (معادله 11)، نیاز به تعیین مقادیر kd و BODu است که با استفاده از تحلیل داده­ های آزمایشگاهی مقادیر BOD در مقابل زمان به دست می­ آیند. بدین منظور، چندین روش ارائه شده ­اند که در این بخش، دو روش کمترین مربعات و فوجیموتو  شرح داده می­شوند.

در روش کمترین مربعات، باید مجموع مربعات مانده­ های منحنی براز­شده به داده ­های BOD در مقابل t، به حداقل ممکن برسد. (مانده، تفاوت بین مقدار اندازه­ گیری­ شده و مقدار حاصل از منحنی است.) با برازش معادله 11 به داده ­های BOD در مقابل t، در شرایط کمترین مربعات، مقادیر kd و BODu از حل دستگاه معادلات زیر به دست می ­آیند.

معادله 12:

معادله 13:

که در آنها، n تعداد داده ­ها، y = BODt ، y’ = dy/dt = (yt+1 – yt-1)/2∆t ، t∆ زمان بین دو اندازه­ گیری، a = -b(BODu) و b = -kdb است.

در روش فوجیموتو، داده ­های BODt+1 در مقابل BODt رسم و خط به آن برازش می­ شود. محل تلاقی این خط و خط دیگری با شیب 1 که از مرکز مختصات عبور می­ کند. مقدار BODu را نشان می­ دهد. پس از تعیین BODu ، مقدار kd با استفاده از معادله 11 به دست می­ آید.

نیترات­ سازی در آزمایش  BOD:

اگر در آزمایش BOD باکتری­ های نیترات­ ساز به تعداد کافی وجود داشته باشند، فرآیند نیترات­ سازی رخ می­ دهد. آن بخش ازBOD که مربوط به فرآیند نیترات­ سازی است به BOD نیتروژنی (NBOD) و بقیه به BOD کربنی (CBOD) موسوم­ اند (شکل 4).

شکل 4-  وقوع فرآیند نیترات ­سازی در آزمایش BOD

در آزمایش BOD، به دلیل رقیق ­سازی نمونه­ های آب و فاضلاب، معمولاً جمعیت باکتری­ های نیترات­ ساز کم است و چون آهنگ رشد آنها نیز کُند است، بیش از 5 روز طول می­ کشد تا جمعیت آنها به حدّی برسد که اثر قابل ملاحظه­ ای روی مصرف اکسیژن داشته باشند. در شرایطی که جمعیت باکتری­ های نیترات­ ساز مکفی باشد، برای تعیین CBOD، باید از بازدارنده­ های فرآیند نیترات­ سازی، مثل 2-کلرو-6-تری کلرومتیل پیریدین استفاده کرد. اگر اندازه­ گیری NBOD موردنظر باشد، باید دو نمونه از آب را آزمایش کرد: یکی بدون بازدارنده و دیگری با بازدارنده. به طوری که تفاوت دو BOD اندازه­ گیری­ شده، معرف NBOD است.

 

 

 

برچسب ها : , , , , , , , ,

به اشتراک بگذارید :
whatsapp