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.

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:

معادله 2:

معادله 3:

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)، C_s1 غلظت  DOدر بطری آزمایش قبل از انکوباسیون (mg/L)، C_s2 غلظت  DOدر بطری آزمایش در انتهای انکوباسیون (mg/L) و_s  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،  C_b1غلظت  DOنمونه شاهد در ابتدای آزمایش (mg/L)، C_b2 غلظت  DOنمونه شاهد در انتهای انکوباسیون (mg/L) و _dw∅ کسر حجمی آب رقیق ­ساز در بطری آزمایش است.

در مورد اکثر آب­ های طبیعی و فاضلاب­ های بهداشتی، BOD₃₀ تقریباً معادل BOD_u است و BOD₅ حدود 60 تا 70 درصد از BOD_u و BOD₂₀ حدود 90 تا 95 درصد از BOD_u 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).

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،  r_c 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 (∆L_t) به جای ∆L_t و از ثابت آهنگ مصرف اکسیژن ناشی از اکسایش باکتریایی کربن آلی، موسوم به ثابت آهنگ اکسیژن­ زدایی، (k_d) 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 BOD_t به جای L_t∆ و از BOD_u به جای L₀ استفاده کرد.

معادله 10- ب:

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

اگر مقدار k_d 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 k_d(T) و  k_d(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.

تحلیل داده ­های BOD:

برای استفاده از مدل مرتبه یک BOD (معادله 11)، نیاز به تعیین مقادیر k_d و BOD_u 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 k_d و BOD_u از حل دستگاه معادلات زیر به دست می ­آیند.

معادله 12:

معادله 13:

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

در روش فوجیموتو، داده ­های BOD_t+1 در مقابل BOD_t 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 BOD_u را نشان می­ دهد. پس از تعیین BOD_u ، مقدار k_d 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).

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.