اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی

اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی یا BOD یک آزمون تجربی است که بر اساس رویه های استاندارد آزمایشگاهی برای تعیین میزان اکسیژن خواهی نسبی فاضلاب و پساب های آلاینده و آب های آلوده مورد استفاده قرار می گیرد. آزمون اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی یا BOD  کاربرد زیادی در اندازه گیری بار آلایندگی در تصفیه خانه فاضلاب دارد. آزمون اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی یا BOD ، مولکول های اکسیژنی را که در طول زمان مشخص رشد بیولوژیکی، که  مواد آلی(کربن) را مصرف می‌کند، اندازه گیری می کند.  و همچنین اکسیژنی را اندازه گیری می کند که برای اکسیداسیون مواد غیر آلی مانند سولفید و ترکیباتی مانند آهن استفاده می شود.

اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی یا BOD همچنین ممکن است مقدار اکسیژنی را که برای اکسید کردن فرم های نیتروژن نیاز است (نیتروژن خواهی) هم اندازه بگیرد. رویه های راهنما برای اندازه گیری BOD یک تخمین از BOD در پی اچ 6.5 تا 7.5 ارائه می دهند.

آزمایش اکسیژن‌خواهی بیو شیمیایی (BOD)

آزمایش اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی (BOD) برای تعیین میزان اکسیژن مورد نیاز برای 1- تجزیه بیوشیمیایی مواد آلی، 2- اکسایش مواد معدنی مانند سولفیدها و یون آهن (II) و 3- اکسایش فرم‌های کاهشی نیتروژن مانند آمونیاک و نیتروژن آلی در پساب‌ها و آب‌های آلوده به کار می‌رود.

اکسایش فرم‌های کاهشی نیتروژن به عنوان یک عامل تداخلی در تعیین BOD محسوب می‌شود و بایستی با افزودن عامل پوشاننده شیمیایی مناسب، این عامل را حذف نمود. در غیر این صورت، اکسیژن مصرف شده، مجموع واکنش‌های اکسایش مواد آلی و نیتروژنی را شامل می‌شود.

اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی 5 روزه (BOD₅):

در واقع، BOD آزمایشی است که به صورت غیرمستقیم، میزان غلظت اکسیژن محلول (DO) در اثر تجزیه مواد آلی توسط میکروارگانیسم‌ها در یک بطری درب‌بسته است که به مدت 5 روز در تاریکی و دمای C˚ 20 در انکوباتور قرار داده شده است. در شکل زیر نمایی از بطری‌های مخصوص اندازه‌گیری BOD مجهز به DO متر نشان داده می‌شود.

شکل 1- بطری‌های مخصوص اندازه‌گیری BOD

پژوهشگر، مقدار DO نمونه قبل و بعد از قرارگیری در انکوباتور را اندازه گرفته و بر اساس اختلاف موجود، BOD را محاسبه می‌نماید. از آن‌جا که DO آغازین (DO_initial) بعد از رقیق‌سازی اندازه‌گیری می‌شود، کل اکسیژن جذب شده در مرحله رقیق‌سازی در اندازه‌گیری BOD محاسبه می‌شود.

اگر فاصله زمانی بین نمونه‌گیری و اندازه‌گیری BOD طولانی باشد، ممکن است مقداری از مواد آلی تجزیه شده و نتیجه آزمایش کمتر به‌دست آید. مقدار pH تمام نمونه‌ها 6/0 تا 8/0 در دمای ˚C20 باشد. برای تنظیم pH، اسید سولفوریک یا سود استفاده کنید، مشروط بر آنکه محلول بیشتر از 0/5 % رقیق نشود.

برای رقیق‌سازی نمونه‌های BOD، از آب مرجع (source water) استفاده می‌شود. این آب می‌تواند آب مقطر یا آب شهر باشد، اما نباید غلظت مس از 0/05 ppm و غلظت کلر از 0/10 ppm بیشتر باشد. آب بدون یون برای این منظور توصیه نمی‌شود، زیرا ممکن است دارای مقداری مواد آلی و میکروارگانیسم باشد.

برای تهیه آب رقیق‌کننده (dilution water) بایستی به آب مرجع مواد مغذی افزود. مواد مغذی شامل محلول‌های بافر فسفات، منیزیم سولفات، کلسیم کلرید و آهن (III) کلرید هستند که به مقدار مشخص به آب افزوده می‌شوند. از این پس، نمونه‌ها با آب مغذی تهیه شده، رقیق خواهند شد. برای به‌دست آوردن جمعیت میکروبی، از لجن فعال و عمل بذرافشانی (seed) می‌توان استفاده نمود. بدین صورت که در مرحله رقیق‌سازی، مقدار مناسب از سوسپانسیون بذرافشانی میکروبی و بازدارنده اکسایش نیتروژن به نمونه افزوده می‌شود. در جدول زیر قوانین سرانگشتی برای رقیق‌سازی نمونه‌های مختلف ارائه شده است.

جدول 1- قوانین سرانگشتی برای رقیق‌سازی نمونه‌ها در آزمایش BOD

تا زمانی می‌توان آب مرجع مغذی را نگه‌داری نمود که با کیفیت شاهد آب رقیق‌کننده هم‌خوان داشته باشد. هر چند ترجیح بر آن است که آب مرجع دارای مواد مغذی، معدنی و بافر بیشتر از 24 ساعت نگه‌داری نشود. شاهد آب رقیق‌کننده، از آب مغذی بدون بذر و بازدارنده اکسایش نیتروژن ساخته شده است. اگر شاهد آب رقیق‌سازی مصرف بیش از DO 0/2 ppm را نشان دهد، آب مرجع مغذی را دور بریزید.

رقیق‌سازی می‌تواند با استفاده از ظروف حجم‌سنجی یا بطری‌های BOD انجام شود.

رقیق‌سازی به روش حجم‌‌سنجی:

نمونه‌ای که به خوبی هم زده شده است را با استفاده از پیپت به درون بالن ژوژه بریزید. اگر نسبت رقیق‌سازی بیشتر از 1:300 باشد، در چندین مرحله رقیق‌سازی را انجام دهید. دو سوم بالن را از نمونه و آب رقیق‌سازی پر نموده، مقدار مناسب از سوسپانسیون بذرافشانی میکروبی و بازدارنده اکسایش نیتروژن را اضافه نموده و در نهایت با آب رقیق‌کننده (مغذی) به حجم برسانید.

مخلوط را به خوبی هم زده و از ورود هوا به درون بالن ممانعت نمایید. سپس محتویات بالن را به درون بطری مخصوص BOD منتقل نمایید. اگر بعد از رقیق‌سازی، بیشتر از 67% حجم بالن ژوژه را نمونه تشکیل داده باشد، بایستی به ازاء هر لیتر بطری BOD، مقدار 1 ml مواد مغذی شامل بافر و مواد معدنی به آن اضافه شود.

رقیق‌سازی مستقیم در بطری BOD:

نمونه‌ای که به خوبی هم زده شده است را با استفاده از پیپت به درون بطری BOD بریزید. اگر نسبت رقیق‌سازی بیشتر از 1:300 باشد، در چندین مرحله رقیق‌سازی را انجام دهید. دو سوم بطری را از نمونه و آب رقیق‌سازی پر نموده، مقدار مناسب از سوسپانسیون بذرافشانی میکروبی و بازدارنده اکسایش نیتروژن را اضافه نموده و در نهایت با آب رقیق‌کننده (مغذی) به حجم برسانید. مخلوط را به خوبی هم زده و از ورود هوا به درون بطری ممانعت نمایید. اگر بعد از رقیق سازی، بیشتر از 67% حجم بطری نمونه را تشکیل داده باشد، بایستی به ازاء هر لیتر بطری BOD، مقدار 1 ml مواد مغذی شامل بافر و مواد معدنی به آن اضافه شود.

کنترل گلوکز – گلوتامیک اسید (GGA) برای بررسی صحت و دقت آزمایش BOD و کیفیت بذرافشانی و روش کار می‌باشد. برای تهیه گلوکز – گلوتامیک اسید (GGA) مقدار مناسبی از محلول‌های استاندارد گلوکز و گلوتامیک اسید را به سه بطری افزوده و به گونه‌ای که غلظت هر کدام 3/0 mg/L شود. متوسط نتایج BOD₅ برای سه بطری باید در گستره ppm O₂ (167/5  تا 228/5) باشد.

غلظت اولیه DO (DO_initial) هر کدام از نمونه‌ها، شاهد آب رقیق‌کننده و کنترل بذرافشانی را در کمتر از 30 دقیقه به یکی از روش‌های یدومترثی، الکترود غشایی و یا پراب نوری اندازه‌گیری نمایید. بعد از 5 روز، غلظت نهایی DO (DO_final) را برای هر کدام از نمونه‌ها، شاهد آب رقیق‌کننده و کنترل بذرافشانی و کنترل گلوکز – گلوتامیک اسید اندازه‌گیری نمایید.

نحوه محاسبه BOD₂ به شرح زیر می‌باشد:

S، جذب اکسیژن توسط کنترل بذرافشانی، V_s، حجم بذر و dilute. fac.، ضریب رقیق‌سازی می‌باشند.

داده‌هایی قابل اطمینان هستند که مقدار DO مصرف شده (DO_initial – DO_final) بیشتر از 0/2 ppm و مقدار اکسیژن باقی‌مانده (DO_final) بیشتر از 1/0 ppm باشد.

مشخصات اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی

اندازه گیری اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی بر اساس استاندارد متد به روش respirometric بر اساس شماره روش 5210D قابل انجام است. البته بسیاری از فرمت های اکسیژن خواهی نیز وجود دارد که قابل اندازه گیری است. انواع رده بندی نمونه، میزان رقیق کردن نمونه و شرایط انکوباتور BOD است که مقدار حجم نمونه دریافتی را برای اندازه گیری BOD مشخص می کند.به طور مثال UBOD میزان اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی است که برای تخریب تمام مواد آلی و همچنین اکسیژن مورد نیاز برای اکسیداسیون ترکیبات نیتروژن مورد استفاده قرار می گیرد.

تعدادی از فاکتور ها مانند میزان انحلال ترکیبات آلی ، ته نشینی و جامدات شناور و معلق ، اکسیداسیون ترکیبات آهن و سولفور یا فقدان اختلاط ممکن است بر دقت و صحت اندازه گیری های BOD تاثیر بگذارد. در حال حاضر روی برای اندازه گیری BOD وجود ندارد که تاثیر این پارامترها را حذف کند.

از لحاظ تاریخی، نیتروژن خواهی بعنوان یک شاخص در تعیین BOD در نظر گرفته شده است. اما هم اکنون می‌توان تداخل نیتروژن خواهی را با یک ماده شیمیایی محدود کننده از بین برد.  اگر ماده شیمیایی محدودکننده استفاده نشود، اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی BOD میزان جمع میزان نیتروزن خواهی و کربن خواهی را نمایش خواهد داد.

نیتروژن خواهی را می‌توان دقیقا بر اساس نیتروژن آمونیاکی حدس زد و کربن خواهی را بر اساس سوبسترای که از لحاظ تئوریکی معادل با اکسیداسیون نیتروژن.