水の生化学的酸素需要に関する知識

水の生化学的酸素需要に関する知識

1. BODの定義。

生化学的酸素要求量（BODと呼ばれることが多い）とは、一定の条件下で水中の分解可能な有機物を微生物が分解する生化学反応において消費される溶解酸素の量を指します。これはmg/Lまたはパーセント、ppmで表されます。これは、水中の有機汚染物質の含有量を反映する包括的な指標です。生物学的酸化時間が5日間の場合、それを5日間生化学的酸素要求量（BOD5）と呼び、それに応じてBOD10やBOD20もあります。

水中の有機物の分解は二段階で行われます。第一段階は炭素酸化段階であり、第二段階は硝化段階です。炭素酸化段階で消費される酸化量は、炭素化生化学的酸素要求量（CBOD）と呼ばれます。

微生物は、水中の有機化合物を分解する際に酸素を消費します。水中の溶解酸素が微生物の必要量を満たせない場合、その水域は汚染された状態にあります。したがって、BODは水の有機汚染度を間接的に示す重要な指標です。BODの測定により、廃水の生物分解性と水域の自浄能力を理解できます。値が高いほど、水中の有機汚染物質が多く、汚染が深刻であることを示します。

一般に、有機物の微生物による代謝における分解過程は2段階に分けられます。第1段階は有機物がCO2、NH3、およびH2Oに変換される過程です。第2段階はNH3がさらに硝酸塩および亜硝酸塩に変換される硝化過程です。NH3はすでに無機物であるため、排水の生化学的酸素要求量（BOD）は通常、有機物の段階的反応に必要な酸素量のみを指します。微生物による有機物の分解は温度と関係があり、BODを測定する際の標準温度は一般的に20°Cとされます。十分な酸素と一定の攪拌条件下では、有機物が基本的には20日で段階的な酸化分解プロセスを完了し、約99%が分解され、20日のBOD値はしばしば完全BOD値と見なされ、BOD20と呼ばれます。しかし、実際の業務では20日間待つのは困難であるため、規定された標準時間として通常5日間が設定され、これを五日間生化学的酸素要求量と呼び、BOD5と記録されます。BOD5はBOD20の約70%に相当します。

BODとCODの違いは、BODが生化学的酸素需要であり、CODが化学的酸素需要であることです。これは、特定の条件下で強力な酸化剤によって酸化される水中のすべての汚染物質（有機および無機物を含む）の量を指し、酸化に必要な酸素のmg/Lで表現されます。これは還元物質による水の汚染度を反映できます。一般的に言えば、排水のCODはBODよりも大きいです。これは前者がより完全に酸化されるためです。一部の揮発性有機化合物、アロマチック有機化合物、そして少数のアルカンを除き、これらは一般的に酸化され、無機物の一部の量も含まれます。一方、BODは微生物によって直接分解できる有機物のみを指し、水中の有毒物質や細菌に容易に干渉されます。生化学的酸素需要と化学的酸素需要の比率は、水中の有機汚染物質のうち、微生物が分解しにくいものの割合を示すことができます。微生物が分解しにくい有機汚染物質は環境にとってより害があります。

一般河川のBOD5は2mg/Lを超えないものとします。これが10mg/Lを超えると悪臭を放つことがあります。我が国の総合汚水排出基準では、工場排水口において、廃水のBOD二次基準の許容濃度は60mg/Lであり、地表水のBODは4mg/Lを超えてはならないと規定されています。

BOD5の伝統的な試験方法は接種希釈法です。具体的な方法は、20±1℃で5日間培養し、培養前後における試料の溶解酸素をそれぞれ測定します。その差が5日間の生化学的酸素要求量です。これが現在広く使用されている方法です。

蓮花テクノロジーが提供する生化学的酸素需要（BOD）アナライザーは、差圧法の測定原理に基づいて設計されています。この装置は、有機物の自然における生物分解プロセスを模倣します：試験瓶上の空気中の酸素が水中で消費された溶解酸素を継続的に補充し、有機物の分解時に生成されるCO2は密封蓋内の水酸化ナトリウムによって吸収され、圧力センサーが試験瓶内の酸素圧の変化を随時監視します。生化学的酸素需要BOD（つまり、試験瓶内で消費された酸素量）とガス圧の間の相関関係が確立され、その後、生化学的酸素需要BOD値が直接表示されます。

伝統的な希釈接種法は手間がかかり、時間もかかり、5日間の培養過程では専属の人員が必要です。それに比べて連華科技のBOD分析装置は操作が簡単で、試験が便利です。設定された培養時間（例えば5日、7日または30日）に達すると、試験システムが自動的にシャットダウンし、測定結果を保存します。一度に6または12個の水試料を処理でき、試験中に特別な監視員を必要とせず、希釈法よりも速いです。瓶を継続的に攪拌することで、水試料に追加の酸素を供給し、細菌が有機物とより多く接触できるようになります。これにより呼吸と酸素消費のプロセスが加速され、結果が早く得られます。希釈培養法に相当する測定結果を2〜3日以内に得ることができます。これらの測定結果はプロセス制御に使用できます。

2. BODがどのように生成されるか

BODは主に水中の生分解性有機物から発生します。 ‌

生化学的酸素要求量（BOD）とは、特定の条件下で、水中の微生物が分解可能な有機物を分解する生化学的反応過程で消費される溶解酸素の量を指します。これらの有機物には、人や動物の排せつ物、食品廃棄物、工業廃棄物などが含まれます。これらは水中で微生物の作用によって分解され、その結果として水中の溶解酸素が消費されます。BODは通常、ミリグラム毎リットルまたはパーセンテージ、ppmで測定されます。これは、水質評価において、水域における有機汚染の程度を評価するための重要な指標です。下水に含まれるほとんどの汚染物質は有機物であり、既知の数千万種および無数の未知の種が含まれます。BODと別の指標である化学的酸素要求量（COD）は、一緒に使用されて水域の汚染状況を評価します。BODは微生物によって分解可能な有機物の量を測定することに焦点を当てていますが、CODはすべての形態の有機物および無機物の酸化を含んでいます。要するに、BODは主に水中の生物分解可能な有機物から来ます。これらの有機物は水中で微生物によって分解され、それにより水体の自己浄化能力や生態系バランスに影響を与えます。生化学的酸素要求量は重要な水質汚染パラメーターです。廃水、処理場からの放流水、汚染された水中では、微生物が有機物を利用して増殖し繁殖するために必要な酸素量が、分解可能（微生物が利用可能な）有機物の酸素相当量となります。表面水の汚染物質は微生物による酸化の過程で溶解酸素を消費します。消費された溶解酸素の量は生化学的酸素要求量と呼ばれ、間接的に水中の生物分解可能な有機物の量を反映しています。これは、水中の有機物が微生物の生化学的作用によって酸化・分解され、無機物または気体になる際に消費される溶解酸素の総量を示します。値が高いほど、水中の有機汚染物質が多く、汚染が深刻であることを意味します。家庭排水や製糖、食品、紙パルプ、繊維などの工業廃水中に懸濁または溶解状態で存在する炭化水素、タンパク質、油、リグニンなどはすべて有機汚染物質であり、好気性細菌の生化学的作用によって分解されます。分解過程で酸素が消費されるため、これらはまた好気性汚染物質とも呼ばれます。この種の汚染物質が過剰に水域に放出されると、水中の溶解酸素が不足します。同時に、水中の嫌気性細菌による分解によって有機物が腐敗し、メタン、硫化水素、メルカプタン、アンモニアなどの悪臭ガスが発生し、水質が悪化して悪臭を放つ原因となります。

廃水内のすべての有機物が完全に酸化分解されるには約100日かかります。検出時間を短縮するために、一般的に生化学的酸素需要（BOD）は、20°Cでの5日間の試験水標本の酸素消費量で表され、これを5日間生化学的酸素需要（BOD5）と呼びます。家庭排水の場合、これは完全酸化分解時の酸素消費量のおよそ70%に相当します。

3. BODの影響。

水質検査におけるBODは生化学的酸素需要計の略で、水中の酸素を消費する汚染物質の含有量を示す総合的な指標です。BOD過多の危険性は主に以下の側面に現れます：

1. 水中の溶解酸素の消費：過剰なBOD含量は好気性細菌や好気性生物の増殖速度を加速し、水中の酸素が急速に消費されることで、水生生物が死滅する原因となります。

水質の悪化：水中に大量に繁殖する酸素を消費する微生物は、溶解酸素を消費し、有機汚染物を自らの生命成分に合成します。これが水域の自己浄化特性です。BODが高すぎると、好気性細菌、好気性原生動物、好気性藻類が大量に増殖し、急速に酸素を消費し、魚やエビ類が死に、多くの嫌気性細菌が増殖します。

水域の自己浄化能力に影響を与える：水域中の溶解酸素の含有量は、水域の自己浄化能力と密接な関係があります。溶解酸素の含有量が低いほど、水域の自己浄化能力は弱くなります。

臭気を発生させる：BOD含有量が高すぎると、水域で臭気が発生し、水質に影響を与えるだけでなく、周辺環境や人間の健康にも脅威を与えます。

5. 赤潮と藻華の原因: 過剰なBODは水体の富栄養化を引き起こし、赤潮や藻華を発生させ、これは水中生態系のバランスを破壊し、人間の健康と飲料水を脅かします。

したがって、過剰なBODは非常に重要な水質汚染パラメーターであり、これにより水中の生物分解性有機物の含有量を間接的に反映できます。過剰なBODを持つ廃水が川や海洋などの自然水域に排出されると、水中の生物の死を招くだけでなく、食物連鎖を通じて蓄積し、人体に侵入して慢性中毒を引き起こし、神経系に影響を与え、肝臓の機能を破壊します。そのため、Shenchanghong BOD計を購入して測定する必要があります。試験に合格した後でなければ、廃水を水体に放出できません。

5. BODの処理方法

水中の過剰なBOD（生化学的酸素要求量）の問題に対処するには、物理的、生物学的、化学的方法など、さまざまな方法を使用する必要があります。以下はいくつかの有効な方法です：

1. 物理的方法：

A. 沈殿、ろ過または遠心分離などの物理的方法を通常使用して、廃水を前処理し、懸濁物質や沈殿物を取り除きます。

B. スクリーニングと沈殿。物理的なスクリーニングと沈殿を通じて下水から懸濁物質を取り除きます。これらの固体は通常、高いBODを含んでいます。

2. 生物学的方法：

A. 生物学的処理は、廃水中的BODを除去するための主要なステップの一つです。これは微生物の代謝能力を利用して有機物を分解し、BOD含有量を減らす方法です。一般的な方法には活性汚泥法と生物膜法があります。

B. 活性汚泥法：攪拌、曝気などの方法で適切な環境条件を作り出し、微生物が有機物を分解できるようにします。

C. 生物膜法：微生物を固定膜に付着させ、廃水が膜を通る際に微生物によって有機物が除去されます。

D. pH値の調整：廃水のpH値は微生物の活動やBOD除去効果に一定の影響を与えるため、特定の廃水の特性に基づいて調整する必要があります。

E. 曝気による溶解酸素の増加：酸素供給を増やすことで、微生物の活動と廃水中的BODの除去効率が向上します。

F. 残渣汚泥の処理：生物処理過程で発生する汚泥はさらに処理が必要であり、 anaerobic digestion, aerobic digestion, 脱水, 干燥などが含まれます。

3. 化学的方法：

A. 化学的酸化：オゾン、塩素、過硫酸塩などの酸化剤を使用して、下水中有機物を酸化し、BODを低減します。

B. 凝集と浮上：凝集体を添加して懸濁粒子と有機物を大きなフロックに凝集させ、その後浮上によって除去します。

4. 高度処理技術：

A. 厌気性窒素酸化技術：特定の条件下で、厌気性窒素酸化細菌を使用して下水からアンモニア窒素を除去し、同時にBODを低減します。

B. 製造湿地システム：製造湿地内の植物と微生物の協働効果により、有機物や窒素、リンなどの汚染物質を除去します。

5. プロセス最適化：

A. SBR（シーケンシャルバッチアクティベーテッドスラッジプロセス）：定期的な給水、曝気、沈殿、排水の工程を通じて、下水処理の効率を向上させます。

B. CAST（サーキュレーティングアクティベーテッドスラッジプロセス）：曝気と攪拌の周期的運転を組み合わせて、有機物の除去効率を向上させます。

6. 前処理と後処理：

A. 粗格栅、細格栅および沈砂槽などの前処理は、有機物の大きな粒子を除去し、その後の生物処理の負担を軽減します。

B. 後処理：生物処理後、BODはさらにフィルタリング、吸着などの方法で低下させます。

総じて、処理水における過剰なBODの問題は、廃水の性質、処理要件、経済状況などを総合的に考慮し、適切な処理方法を選択し、処理過程でのエネルギー消費と排出物に注意を払い、処理プロセスが環境保護要件を満たすことを確保する必要があります。

5. BOD分析方法。

BODの分析方法には、主に五日培養法、圧力測定法、微生物電極法、BOD5法、BOD20法、バイオセンサ法、光学酸素センサ法、化学分析法などがあります。 1, ‌  5日間のトレーニング法は一般的に使用されるBOD測定方法です。この方法は、水試料を（20±1℃）の条件下で5日間培養し、その後、水試料の前後での酸素濃度の変化を決定することによってBOD値を計算します。これは閉鎖系における変化を測定することでBOD値を算出する方法であり、微生物の代謝活動によって引き起こされる電気信号の変化を用いてBOD値を決定します。この方法は高い感度と精度を持っています。BOD5法はシンプルで経済的であり、水質監視の分野で広く使用されていますが、BOD20規則は水体中の有機物の分解をより包括的に評価でき、より正確なBOD評価が必要な場面に適しています。迅速な応答、操作の簡便さ、高い感度などの利点があります。化学試薬と有機物の反応に基づいてBOD値を計算する方法もあります。この方法は通常、長い操作時間と複雑な実験手順を必要としますが、特定の状況では依然としてBOD値を決定するための効果的な方法です。さらに、異なる国や地域には異なる基準や要件がある場合があるため、BOD測定时には該当地域に適用される関連方法や基準を参照することが重要です。これにより測定結果の正確性と比較可能性が確保されます。

蓮花テクノロジーの生化学的酸素要求量（BOD5）アナライザーは、差圧測定原理に基づいて設計されています。これは自然界における有機物の生物分解プロセスを模倣します。密封された培養瓶において、培養瓶上部の空気中の酸素が、試料中の有機物の分解に消費される溶解酸素を継続的に補充します。有機物の分解時に発生するCO2は除去され、これにより培養瓶内の気圧が変化します。培養瓶内の気圧の変化を検出し、試料の生化学的酸素要求量（BOD）値を計算します。広い検出範囲で、4000mg/L以下の直接試験が可能で、結果は自動印刷され、1〜30日の測定サイクルが選択でき、操作が簡単です。