اکسیژن خواهی بیوشیمیایی (BOD)

زمان مورد نیاز برای مطالعه: 6 دقیقه

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.

 

 

 

مقالات پیشنهادی

مسیرهای انتقال پاتوژن ها و انگل های مرتبط با آب

مسیرهای انتقال پاتوژن ها و انگل های مرتبط با آب انتقال، شامل جابجایی عامل عفونی از یک مخزن به یک میزبان، مهمترین عامل در زنجیره عفونت می باشد. پاتوژن ها می توانند از طریق مسیرهای متعددی از مخزن به میزبان مستعد منتقل شوند. مسیرهای انتقال پاتوژن های مرتبط با آب در شکل 1 خلاصه شده […]

انواع دترجنت ها

انواع دترجنت ها انواع دترجنت ها (سورفکتانتها) به ۴ دسته می توان تقسیم می شوند. دترجنت های آنیونی دترجنت های کاتیونی دترجنت های آمفوتریک دترجنت های غیر یونی وجه مشخصه دترجنت های سنتزی، گروه کربوکسیلیک (عامل آبدوست) از یک طرف و گروه هیدروکربنی با زنجیر بلند از طرف دیگر می باشد. دترجنت های آنیونی  یکی […]

آرسنیک در آب شرب

آرسنیک در آب شرب : ارتباط وجود آرسنیک در آب شرب با سرطان پوست در انسان از سال 1898شناخته شده است. مطالعاتی که در دهه 1960و 1970انجام شدند. وابستگی این اثر را به میزان حضور آرسنیک نشان دادند و حتی یکی از تحقیقاتی که  EPA آرسنیک را به عنوان یکی از عناصر غذایی ضروری پیشنهاد داده است. […]

آب استخر پرورش ماهی

آب استخر پرورش ماهی تعیین میزان سمیت آب استخر پرورش ماهی برگرفته از استاندارد 8996 سازمان ملی استاندارد می باشد که این استاندارد شامل تعییـن غلظت ماده، تحت شرایط معین که برای 50درصد ازکل جمعیت موردآزمایش ازماهی گورخری(مخطط) که بـه مـدت، 48،24 وبرای آب جاری 72و 9 6ساعت، درمعرض آن ماده و آب باکیفیت ثابت بوده […]

روش کار جارتست

روش کار جارتست آزمایش جار معروف به “جار تست” یک تکنیک شبیه‌سازی فرآیند انعقاد  لخته‌سازی در ابعاد نیمه صنعتی است. در این شیوه، استفاده از روش انعقاد برای حذف ذرات معلق در انواع مختلفی از پساب‌ها، امکان‌سنجی می‌شود. به این مفهوم که امکان کاربرد روش انعقاد برای هر نوع خاص از پساب مورد ارزیابی قرار […]

رنگ آب آشامیدنی

رنگ آب آشامیدنی : رنگ آب آشامیدنی ، در آبهاي سطحي و زير زميني در نتيجه حضور مواد آلي طبيعي، بويژه مواد هيوميك موجودات آبزي ايجاد مي شود. مواد هيوميك شامل اسيدهاي هيوميك و فلوويك مي باشند که هر دو سبب رنگ زرد در آب مي شوند، اسيدهاي هيوميك سبب رنگ زرد بيشتري مي شوند .حضور […]

باكتريهاي احياء كننده سولفات(SRB)

باكتريهاي احياء كننده سولفات(SRB) : به منظور بررسی باكتريهاي احياء كننده سولفات(SRB) ، تشكيل بيوفيلم هاي ميكروبي و به دنبال آن خوردگي در تجهيزات و شبكه ها که از جمله مسايل مهم در  انشعابات آب و فاضلاب مي باشد . موجودات مختلف مانند باكتريها, قارچها , جلبك ها و جانوران دريايي به طور مستقيم و يا غير مستقيم […]

آماده سازی نمونه برای جذب اتمی

آماده سازی نمونه برای جذب اتمی آماده سازی نمونه برای جذب اتمی قبل از تزریق نمونه به دستگاه جذب اتمی باید انجام شود چرا که معمولا نمونه ها دارای ذرات یا مواد آلی هستند که عموما نیاز به پیش تصفیه یا آماده سازی نمونه برای جذب اتمی می باشد. فلزات کل ، شامل تمامی فلزات […]

استاندارد آب آشامیدنی سالم

استاندارد آب آشامیدنی سالم  : توسعه شهرنشيني در گرو تدوین استاندارد آب آشامیدنی سالم  است چراکه پيشرفت صنايع و كشاورزي به وجود استاندارد آب آشامیدنی سالم  و بهداشتي بستگي دارد. به دليل محدود بودن منابع و ذخاير آب در اغلب نقاط كشور و رشد سريع جمعيت از يك سو و گسترش صنايع و كشاورزي از […]

ارزيابي اثرات زيست محيطي

ارزيابي اثرات زيست محيطي : فرايند ارزيابي اثرات زيست محيطي (EIA)براي اولين بار در سال 1969ميلادي و با وضع قانون سياست زيست محيطي ملي در آمريكا جنبه رسمي به خود گرفت و بر اساس تعريف اتحاديه بين المللي ارزيابي اثرات زيست محيطي، عبارت است از فر آيند شناسايي ، پيش بيني ، ارزشيابي و اقدامات […]

نظرات کاربران

ارسال دیدگاه
  • دیدگاه های ارسال شده توسط شما، پس از تایید در وب سایت منتشر خواهد شد.
  • پیام هایی که حاوی تهمت یا افترا باشد منتشر نخواهد شد.
  • مجموع دیدگاهها: 1
  • در انتظار بررسی: 0
  • انتشار یافته: 0

هنوز دیدگاهی ثبت نشده است.

سوالی دارید؟ منتظر تماس شما هستیم

برای دریافت مشاورۀ رایگان، همین حالا با کارشناسان ما تماس بگیرید