Познаване на химическата нужда от кислород

Познаване на химическата нужда от кислород

1. Определение за COD.

ХПК (химическа потребност от кислород) е количеството окислител, изразходвано, когато водна проба се третира с определен силен окислител при определени условия. Това е показател за количеството редуциращи вещества във водата. Редуциращите вещества във водата включват различни органични вещества, нитрити, сулфиди, железни соли и др., Но основните са органични вещества. Поради това химическата нужда от кислород (COD) често се използва като индикатор за измерване на количеството органични вещества във водата. Колкото по-голяма е химическата нужда от кислород, толкова по-сериозно е замърсяването на водата с органични вещества. Определянето на химичната нужда от кислород (ХПК) варира в зависимост от определянето на редуциращите вещества във водните проби и метода на определяне. Най-често използваните методи са метод на окисляване с кисел калиев перманганат (KMnO4) и метод на окисляване с калиев дихромат (K2Cr2O7). Методът на окисляване на калиев перманганат има ниска степен на окисление, но е сравнително прост и може да се използва при определяне на относителната стойност за сравнение на органичното съдържание във водните проби. Методът на окисляване на калиев дихромат има висока степен на окисление и добра възпроизводимост и е подходящ за определяне на общото количество органични вещества във водни проби. Органичните вещества са много вредни за промишлените водни системи. Строго погледнато, химическата нужда от кислород включва и неорганични редуциращи вещества във водата. Обикновено, тъй като количеството органични вещества в отпадъчните води е много по-голямо от количеството неорганична материя, химическата нужда от кислород обикновено се използва за представяне на общото количество органична материя в отпадъчните води. При условията на измерване органичната материя без азот във вода лесно се окислява от калиев перманганат, докато органичната материя, съдържаща азот, е по-трудна за разлагане. Следователно нуждата от кислород е подходяща за определяне на естествена вода или общи отпадъчни води, съдържащи органични вещества, които лесно се окисляват, докато органичните промишлени отпадъчни води с по-сложни компоненти често се измерват за химическа нужда от кислород.

Водата, съдържаща голямо количество органични вещества, ще замърси йонообменните смоли при преминаване през системата за обезсоляване, особено анионообменните смоли, което ще намали обменния капацитет на смолата. Органичните вещества могат да бъдат намалени с около 50% след предварителна обработка (коагулация, избистряне и филтриране), но не могат да бъдат отстранени в системата за обезсоляване, така че често се вкарват в котела през захранващата вода, за да се намали стойността на рН на котелната вода. Понякога органичните вещества могат да бъдат внесени в парната система и кондензат, което води до намаляване на рН и корозия на системата. Високото съдържание на органични вещества в циркулационната водна система ще насърчи микробното размножаване. Следователно, независимо дали става въпрос за обезсоляване, котелна вода или система за циркулационна вода, колкото по-нисък е COD, толкова по-добре, но няма единен граничен индекс. Когато ХПК (метод KMnO4) е по-голям от 5 mg/L в циркулиращата система за охлаждаща вода, качеството на водата започва да се влошава.

В стандарта за питейна вода химическата нужда от кислород (COD) на вода от клас I и клас II е ≤15 mg/L, химическата нужда от кислород (COD) на вода от клас III е ≤20 mg/L, химическата нужда от кислород (COD) на вода от клас IV е ≤30 mg/L, а химическата нужда от кислород (COD) на вода от клас V е ≤40 mg/L. Колкото по-голяма е стойността на COD, толкова по-сериозно е замърсяването на водния обект.

2. Как се произвежда COD?

ХПК (химическа нужда от кислород) се извлича главно от вещества във водната проба, които могат да бъдат окислени от силни окислители, особено органични вещества. Тези органични вещества присъстват широко в отпадъчните води и замърсените води, включително, но не само, захари, масла и мазнини, амонячен азот и др. Окисляването на тези вещества консумира разтворения кислород във водата, като по този начин увеличава химическата нужда от кислород. Специално:

1. Захарни вещества: като глюкоза, фруктоза и др., обикновено се намират в отпадъчните води от хранително-вкусовата промишленост и биофармацевтичната промишленост и ще увеличат съдържанието на COD.

2. Масла и мазнини: Отпадъчните води, съдържащи масла и мазнини, изхвърляни по време на промишленото производство, също ще доведат до увеличаване на концентрацията на ХПК.

3. Амонячен азот: Въпреки че не влияе пряко върху определянето на COD, окисляването на амонячен азот също ще консумира кислород по време на пречистването на отпадъчните води, което косвено влияе върху стойността на COD.

Освен това има много видове вещества, които могат да произвеждат ХПК в канализацията, включително биоразградими органични вещества, промишлени органични замърсители, редуциращи неорганични вещества, някои органични вещества, които трудно се разграждат, и микробни метаболити. Окисляването на тези вещества изразходва разтворения кислород във водата, което води до генериране на COD. Следователно химическата нужда от кислород е важен показател за измерване на степента на замърсяване на органичните вещества и намаляване на неорганичните вещества във водата. Той отразява общото количество вещества във водата, които могат да бъдат окислени и разложени от окислители (обикновено калиев дихромат или калиев перманганат) при определени условия, тоест степента, до която тези вещества консумират кислород.

1. Органична материя: Органичната материя е един от основните източници на ХПК в отпадъчните води, включително биоразградима органична материя като протеини, въглехидрати и мазнини. Тези органични вещества могат да се разложат на въглероден диоксид и вода под действието на микроорганизми.

2. Фенолни вещества: Фенолните съединения често се използват като замърсители в отпадъчните води в някои промишлени процеси. Те могат да окажат сериозно въздействие върху водната среда и да увеличат съдържанието на COD.

3. Алкохолни вещества: Алкохолните съединения, като етанол и метанол, също са често срещани източници на ХПК в някои промишлени отпадъчни води.

4. Захарни вещества: Захарните съединения, като глюкоза, фруктоза и др., са често срещани компоненти в отпадъчните води от някои хранително-вкусови и биофармацевтични индустрии и също така ще увеличат съдържанието на COD.

5. Мазнини и мазнини: Мазнините и съдържащите мазнини отпадъчни води, изхвърляни по време на промишленото производство, също ще доведат до увеличаване на концентрацията на ХПК.

6. Амонячен азот: Въпреки че амонячният азот не влияе пряко върху определянето на COD, окисляването на амонячен азот също ще консумира кислород по време на процеса на пречистване на отпадъчните води, което косвено влияе върху стойността на COD.

Освен това си струва да се отбележи, че ХПК не само реагира на органични вещества във вода, но също така представлява неорганични вещества с редуциращи свойства във водата, като сулфид, железни йони, натриев сулфит и др. Ето защо при пречистването на отпадъчните води е необходимо цялостно да се разгледа приносът на различни замърсители към ХПК и да се предприемат подходящи мерки за пречистване за намаляване на стойността на ХПК.

Органичната материя е основният източник на ХПК. Те включват различни органични вещества, суспендирани вещества и трудно разлагащи се вещества в канализацията. Високото съдържание на ХПК в канализацията ще представлява голяма заплаха за водната среда. Третирането и мониторингът на ХПК е една от важните мерки за предотвратяване и контрол на замърсяването. Следователно определянето на ХПК е един от често използваните методи за изпитване при пречистването на отпадъчните води и мониторинга на околната среда.

Определянето на ХПК е лесен за работа процес с висока аналитична чувствителност. Определянето на ХПК може да бъде завършено чрез директно наблюдение на промяната на цвета на пробата или на тока или други сигнали след титрирането на химическия реагент за генериране на продукти на окисление. Когато стойността на COD надвишава стандарта, е необходимо да се извърши съответна обработка, за да се избегне замърсяването на околната среда. Накратко, разбирането на това какво означава COD играе жизненоважна роля за опазването на водната среда и извършването на контрол на замърсяването.

 

3. Въздействието на високата ХПК.

‌ХПК (химическа нужда от кислород) е важен показател за измерване на степента на органично замърсяване във водните тела. Прекомерното съдържание ще окаже сериозно влияние върху качеството на речната вода.‌

Измерването на ХПК се основава на количеството консумиран окислител, когато редуциращите вещества (главно органични вещества) се окисляват и разлагат в 1 литър вода при определени условия. Тези редуциращи вещества ще консумират голямо количество разтворен кислород по време на процеса на разлагане, причинявайки на водните организми липса на кислород, което от своя страна се отразява на нормалния им растеж и оцеляване и може да причини голям брой смъртни случаи в тежки случаи. Освен това намаляването на разтворения кислород ще ускори влошаването на качеството на водата, ще насърчи разлагането и разлагането на органичните вещества и ще произведе повече токсични и вредни вещества, като амонячен азот, което ще причини по-голяма вреда на водните организми и качеството на водата. Дългосрочното излагане на отпадъчни води, съдържащи високи концентрации на органични вещества, също може да причини сериозни вреди на човешкото здраве, като причиняване на стомашно-чревни заболявания, кожни заболявания и др. Следователно прекомерната ХПК не само представлява заплаха за водните организми, но и представлява потенциален риск за човешкото здраве.

За да се защити водната среда и човешкото здраве, трябва да се предприемат ефективни мерки за предотвратяване и контрол на прекомерния ХПК. Това включва намаляване на изхвърлянето на органични вещества в промишлени и селскостопански дейности, както и засилване на пречистването и мониторинга на отпадъчните води, за да се гарантира, че качеството на изхвърлените води отговаря на стандартите, като по този начин се поддържа добра водна екологична среда.

ХПК е показател за съдържанието на органични вещества във водата. Колкото по-висок е COD, толкова по-сериозно водният обект е замърсен от органични вещества. Когато токсичната органична материя попадне във водното тяло, тя не само вреди на организмите във водното тяло като риба, но също така може да се обогати в хранителната верига и да попадне в човешкото тяло, причинявайки хронично отравяне. .

ХПК оказва голямо влияние върху качеството на водата и екологичната среда. След като органичните замърсители с повишено съдържание на ХПК навлязат в реки, езера и резервоари, ако не бъдат третирани навреме, много органични вещества могат да се адсорбират от почвата на дъното на водата и да се натрупват в продължение на много години. Тези организми ще причинят увреждане на различни организми във водата и могат да продължат да бъдат токсични в продължение на няколко години. Този токсичен ефект има два ефекта:

От една страна, това ще причини смъртта на голям брой водни организми, ще наруши екологичното равновесие на водния обект и дори директно ще унищожи цялата речна екосистема.

От друга страна, токсините бавно ще се натрупват във водни организми като риби и скариди. След като хората консумират тези токсични водни организми, токсините ще навлязат в човешкото тяло и ще се натрупват в продължение на много години, което ще доведе до непредсказуеми сериозни последици като рак, деформации и генни мутации. По същия начин, ако хората използват замърсена вода за напояване, посевите също ще бъдат засегнати, а хората също ще вдишват голямо количество вредни вещества в процеса на хранене.

Когато ХПК е много висока, това ще доведе до влошаване на естественото качество на водата. Причината е, че самопречистването на водата изисква разграждането на тези органични вещества. Разграждането на ХПК задължително изисква консумация на кислород, а капацитетът за реоксигенация във водата не отговаря на изискванията. DO ще падне директно до 0 и ще стане анаеробно. В анаеробно състояние той ще продължи да се разлага (анаеробно третиране на микроорганизми), а водата ще стане черна и миризлива (анаеробните микроорганизми изглеждат много черни и съдържат сероводород).

 

4. Методи за лечение на ХПК

Първата точка

Физически метод: Той използва физическо действие за отделяне на суспендирани вещества или мътност в отпадъчните води, което може да премахне ХПК в отпадъчните води. Често срещаните методи включват предварително пречистване на отпадъчните води чрез утаителни резервоари, филтърни решетки, филтри, капани за мазнини, масло-водни сепаратори и т.н., за просто отстраняване на ХПК от прахови частици в канализацията.

Втора точка

Химичен метод: Той използва химични реакции за отстраняване на разтворени вещества или колоидни вещества в отпадъчните води и може да премахне ХПК в отпадъчните води. Често срещаните методи включват неутрализация, утаяване, окисление-редукция, каталитично окисление, фотокаталитично окисление, микроелектролиза, електролитна флокулация, изгаряне и др.

Трета точка

Физико-химичен метод: Използва физични и химични реакции за отстраняване на разтворени вещества или колоидни вещества в отпадъчните води. Той може да премахне COD в отпадъчните води. Често срещаните методи включват решетка, филтриране, центрофугиране, избистряне, филтриране, отделяне на масло и др.

Четвърта точка

Биологичен метод на пречистване: Той използва микробен метаболизъм за превръщане на органични замърсители и неорганични микробни хранителни вещества в отпадъчните води в стабилни и безвредни вещества. Често срещаните методи включват метод на активна утайка, метод на биофилм, метод на анаеробно биологично разграждане, стабилизиращо третиране на езера и влажни зони и др.

5. Метод за анализ на COD.

Метод на дихромат

Стандартният метод за определяне на химическата нужда от кислород е представен от китайския стандарт GB 11914 "Определяне на химическата нужда от кислород за качеството на водата чрез метод на дихромат" и международния стандарт ISO6060 "Определяне на химическата нужда от кислород за качеството на водата". Този метод има висока степен на окисляване, добра възпроизводимост, точност и надеждност и се превърна в класически стандартен метод, общопризнат от международната общност.

Принципът на определяне е: в средата на сярна киселина калиевият дихромат се използва като окислител, сребърният сулфат се използва като катализатор, а живачният сулфат се използва като маскиращ агент за хлоридни йони. Киселинността на сярната киселина на течността за реакция на храносмилане е 9 mol/L. Течността за реакция на храносмилане се загрява до кипене, а температурата на кипене от 148°C±2°C е температурата на храносмилане. Реакцията се охлажда с вода и се рефлуксира за 2 часа. След като храносмилателната течност се охлади естествено, тя се разрежда до около 140 мл с вода. Като индикатор се използва ферохлорин, а останалият калиев дихромат се титрува с разтвор на амониев железен сулфат. Стойността на ХПК на водната проба се изчислява въз основа на консумацията на разтвор на амониев железен сулфат. Използваният окислител е калиев дихромат, а окислителят е шествалентен хром, така че се нарича дихроматен метод.

Този класически стандартен метод обаче все още има недостатъци: рефлуксното устройство заема голямо експериментално пространство, консумира много вода и електричество, използва голямо количество реагенти, неудобно е за работа и е трудно да се измери бързо в големи количества.

Метод на калиев перманганат

ХПК се измерва с помощта на калиев перманганат като окислител, а измереният резултат се нарича калиев перманганат индекс.

Спектрофотометрия

Въз основа на класическия стандартен метод, калиевият дихромат окислява органичните вещества, а шествалентният хром генерира тривалентен хром. Стойността на ХПК на водната проба се определя чрез установяване на връзка между стойността на абсорбция на шествалентен хром или тривалентен хром и стойността на ХПК на водната проба. Използвайки горния принцип, най-представителните методи в чужбина са EPA. Метод 0410.4 "Автоматична ръчна колориметрия", ASTM: D1252-2000 "Метод Б за определяне на химическата нужда от кислород при хидрофотофотометрия с водно запечатано разграждане" и ISO15705-2002 г. "Метод с малка запечатана тръба за определяне на химическата нужда от кислород (COD) на качеството на водата". Единният метод на моята страна е "Метод за бързо запечатано каталитично разграждане (включително спектрофотометрия)" на Държавната администрация за опазване на околната среда.

Метод на бързо храносмилане

Класическият стандартен метод е 2-часовият рефлуксен метод. За да се увеличи скоростта на анализа, хората предлагат различни методи за бърз анализ. Има два основни метода: единият е да се увеличи концентрацията на окислителя в системата за реакция на храносмилането, да се повиши киселинността на сярната киселина, да се увеличи температурата на реакцията и да се увеличи катализаторът, за да се увеличи скоростта на реакцията. Домашният метод е представен от GB/T14420-1993 "Анализ на котелната вода и охлаждащата вода, химическо определяне на нуждата от кислород, калиев дихромат, бърз метод" и унифицираните методи, препоръчани от Държавната администрация за опазване на околната среда "Кулометричен метод" и "Метод на бързо затворено каталитично разграждане (включително фотометричен метод)". Чуждестранният метод е представен от немския стандартен метод DIN38049 T.43 "Бърз метод за определяне на химическата нужда от кислород на водата".

В сравнение с класическия стандартен метод, горният метод увеличава киселинността на сярната киселина на храносмилателната система от 9,0 mg/L на 10,2 mg/L, температурата на реакцията от 150°C до 165°C и времето за разграждане от 2 часа до 10 минути ~ 15 минути. Вторият е да се промени традиционният метод на храносмилане чрез нагряване с топлинно излъчване и да се използва микровълнова технология за разграждане, за да се подобри скоростта на реакцията на храносмилането. Поради голямото разнообразие от микровълнови фурни и различни мощности е трудно да се тества унифицираната мощност и време, за да се постигне най-добрият ефект на храносмилане. Цената на микровълновите фурни също е много висока и е трудно да се формулира единен стандартен метод.

През 1982 г. Lianhua Technology разработва спектрофотометричен метод за бързо разграждане за химическа нужда от кислород (COD), който постига бързо определяне на ХПК в отпадъчните води с метода "10 минути храносмилане, 20 минути стойност". През 1992 г. този резултат от изследванията и разработките е включен в американския "CHEMICAL ABSTRACTS" като нов принос към световната химическа област. Този метод се превърна в стандарт за изпитване на индустрията за опазване на околната среда на Китайската народна република през 2007 г. (HJ/T399-2007). Този метод успешно постига точна стойност на ХПК в рамките на 20 минути. Той е лесен за работа, удобен и бърз, изисква малко количество реагенти, значително намалява замърсяването, генерирано в експеримента, и намалява различни разходи. Принципът на този метод е да се смила водната проба, добавена с реагента COD на Lianhua Technology при 165 градуса за 10 минути при дължина на вълната 420 или 610nm, след това да се охлади за 2 минути и след това да се добави 2,5 ml дестилирана вода. Резултатът от ХПК може да бъде получен с помощта на инструмента за бързо определяне на ХПК на Lianhua Technology.