Wiedza o biochemicznych zapotrzebowaniach na tlen w wodzie

Wiedza o biochemicznych zapotrzebowaniach na tlen w wodzie

1. Definicja BOD.

Biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (często nazywane BOD) odnosi się do ilości rozpuszczonych cząsteczek tlenu zużytych w reakcji biochemicznej, podczas której mikroorganizmy rozkładają biodegradowalne substancje organiczne w wodzie w określonych warunkach. Wyrażane jest w mg/L lub procentach, ppm. Jest to wskaźnik ogólny, który odzwierciedla zawartość zanieczyszczeń organicznych w wodzie. Jeśli czas biologicznej oxidacji wynosi pięć dni, nazywa się to pięciodniowym biochemicznym zapotrzebowaniem na tlen (BOD5), a odpowiednio istnieją również BOD10 i BOD20.

Rozkład materii organicznej w wodzie odbywa się w dwóch etapach. Pierwszym etapem jest fazę oxidacji węglowej, a drugim - fazę nitryfikacji. Ilość tlenu zużyta w fazie oxidacji węglowej nazywana jest biochemicznym zapotrzebowaniem na tlen w procesie węglowym (CBOD).

Mikroorganizmy potrzebują tlenku do rozkładu związków organicznych w wodzie. Jeślirozpuszczony tlen w wodzie nie wystarcza do zażyczeń mikroorganizmów, ciało wodne znajduje się w stanie zanieczyszczenia. Dlatego BOD jest ważnym wskaźnikiem, który pośrednio wskazuje stopień zanieczyszczenia organicznego wody. Dzięki wyznaczeniu BOD możemy zrozumieć biodegradowalność ścieków i zdolność samooczyszczania się ciał wodnych. Im wyższa wartość, tym więcej związków organicznych znajduje się w wodzie i tym poważniejsze jest zanieczyszczenie.

Ogólnie rzecz biorąc, proces degradacji materii organicznej w wyniku metabolizmu mikroorganizmów można podzielić na dwie fazy. Pierwsza faza to proces przekształcania się materii organicznej w CO2, NH3 i H2O. Druga faza to proces nitracji, podczas którego NH3 jest dalej konwertowany na nitryt i nitrat. Ponieważ NH3 jest już substancją nieorganiczną, biochemiczne zapotrzebowanie na tlen ścieków odnosi się zazwyczaj tylko do ilości tlenu niezbędnego do reakcji fazowej przez materię organiczną. Degradacja materii organicznej przez mikroorganizmy zależy od temperatury, a 20°C jest ogólnie używana jako standardowa temperatura do pomiaru biochemicznego zapotrzebowania na tlen. W warunkach pomiarowych z dostateczną ilością tlenu i stałym mieszaniem, zazwyczaj trwa 20 dni, aby materia organiczna podległa podstawowemu procesowi oksydacyjnemu rozkładowi, około 99%, a wartość BOD za 20 dni jest często uważana za pełną wartość BOD, czyli BOD20. Jednak 20 dni jest trudne do zrealizowania w praktyce. Dlatego określono standardowy czas, zazwyczaj 5 dni, co nazywane jest pięciodniowym zapotrzebowaniem biochemicznym na tlen, zapisywanym jako BOD5. BOD5 stanowi około 70% BOD20.

Różnica między BOD a COD polega na tym, że BOD to biochemiczne zapotrzebowanie na tlen; COD to chemiczne zapotrzebowanie na tlen, co odnosi się do ilości wszystkich zanieczyszczeń (w tym substancji organicznych i nieorganicznych) w wodzie, które mogą zostać utlenione przez mocne utleniacze w określonych warunkach, wyrażane w mg/L tlenu niezbędnego do utlenienia. Może to odzwierciedlać stopień zanieczyszczenia wody przezsubstancje redukujące. Ogólnie rzecz biorąc, COD ścieków jest większy niż BOD. Jest tak dlatego, że pierwszy proces utleniania jest bardziej kompletny. Z wyjątkiem kilku związków organicznych lotnych, związków aromatycznych organicznych oraz kilku łańcuchów węglowodorów, większość z nich może zostać utleniona, a także uwzględniono pewną ilość substancji nieorganicznych; natomiast BOD dotyczy wyłącznie materii organicznej, która może być bezpośrednio rozkładana przez mikroorganizmy, łatwo podlegającą zakłóceniom wynikającym z obecności toksycznych substancji i bakterii w wodzie. Stosunek biochemicznego zapotrzebowania na tlen do chemicznego zapotrzebowania na tlen może wskazywać, jak duża część związków organicznych w wodzie jest trudna do rozkładu przez mikroorganizmy. Związki organiczne trudne do rozkładu przez mikroorganizmy są bardziej szkodliwe dla środowiska.

Zawartość BOD5 w ogólnej rzeczy nie przekracza 2mg/L. Jeśli jest wyższa niż 10mg/L, wydaje nieprzyjemny zapach. Standard ogólny dla odpadów wody w naszym kraju przewiduje, że przy wylocie fabrycznym dozwolona koncentracja BODII standardu ścieków wynosi 60mg/L, a BOD wód powierzchniowych nie może przekroczyć 4mg/L.

Tradycyjna metoda badania BOD5 to metoda rozmieszczania z nasionem. Konkretne podejście polega na kultywacji przez 5 dni przy temperaturze 20±1℃, a następnie pomiarze tlenku rozpuszczonego w próbie przed i po kultywacji. Różnica między nimi to popyt biochemiczny na tlen w ciągu 5 dni. Jest to metoda obecnie szeroko stosowana.

Analizator zapotrzebowania biochemicznego na tlen (BOD) oferowany przez Lianhua Technology został zaprojektowany na podstawie zasady pomiaru metodą różnic ciśnień. Przyrząd symuluje proces biodegradacji materii organicznej w przyrodzie: tlen z powietrza nad probówką uzupełnia ciągle zużywany tlen rozpuszczony w wodzie, CO2 wydzielany podczas degradacji materii organicznej jest absorbowany przez hydroksyd sodu w zakrętce, a czujnik ciśnienia monitoruje zmiany ciśnienia tlenu w probówce w dowolnym momencie. Ustanawiana jest korelacja między zapotrzebowaniem biochemicznym na tlen BOD (tj. ilością zużytego tlenu w probówce) a ciśnieniem gazu, a następnie bezpośrednio wyświetlane jest wartość zapotrzebowania biochemicznego na tlen BOD.

Tradycyjna metoda rozcieńczania i nasiewu jest kłopotliwa i czasochłonna, a podczas pięciodniowego procesu kultury potrzebny jest poświęcony człowiek do nadzoru. W porównaniu z nią, analizator BOD firmy Lianhua Technology jest łatwy w obsłudze i wygodny w testowaniu. Gdy osiągnięto ustaloną czas kultury (taki jak 5 dni, 7 dni lub 30 dni), system testowy automatycznie wyłącza się i przechowuje wyniki pomiarów. Może przetestować 6 lub 12 próbek wody jednocześnie, a podczas testu nie potrzeba specjalnej osoby do obserwacji. Jest szybszy niż metoda rozcieńczania. Trzymanie butelki w stanie ciągłego mieszania może dostarczać dodatkowego tlenku dla próbki wodnej i pozwala bakteriom na większy kontakt z materią organiczną. Przez przyspieszenie procesu oddychania i zużycia tlenu, wyniki można uzyskać szybciej. Wyniki pomiarów równoważne metodzie kultury rozcieńczonej mogą zostać otrzymane w ciągu 2 do 3 dni. Te wyniki pomiarów mogą być wykorzystane do sterowania procesem.

2. Jak powstaje BOD

BOD pochodzi przede wszystkim z biodegradowalnej materii organicznej w wodzie. ‌

Zapotrzebowanie biochemiczne na tlen (BOD) odnosi się do ilości rozpuszczonyego tlenu zużywanego w procesie reakcji biochemicznej, podczas której mikroorganizmy rozkładają biodegradowalne substancje organiczne w wodzie w określonych warunkach. Te substancje organiczne mogą pochodzić z odchodów ludzkich i zwierzęcych, odpadów spożywczych i przemysłowych itp. Są one rozkładane w wodzie przez działanie mikroorganizmów, co powoduje zużycie rozpuszczonych w wodzie cząsteczek tlenu. BOD jest zwykle mierzony w miligramach na litr lub wyrażany w procentach lub w ppm. Jest to ważny wskaźnik jakości wody, który służy do oceny stopnia zanieczyszczenia organicznego ciał wodnych. Większość zanieczyszczeń w ściekach to materiały organiczne, w tym setki milionów znanych gatunków oraz niezliczone nieznane gatunki. BOD i inny wskaźnik, zapotrzebowanie chemiczne na tlen (COD), są używane razem do oceny stanu zanieczyszczenia ciał wodnych. BOD koncentruje się na pomiarze ilości materii organicznej, którą mogą rozkładać mikroorganizmy, podczas gdy COD obejmuje utlenianie wszystkich form materii organicznej i nieorganicznej. W rezultacie, BOD pochodzi przede wszystkim od biodegradowalnych związków organicznych w wodzie. Te związki organiczne są rozkładane w wodzie przez mikroorganizmy, co wpływa na zdolność samoczyszczania się i równowagę ekologiczną ciał wodnych. Zapotrzebowanie biochemiczne na tlen jest istotnym parametrem zanieczyszczenia jakości wody. W ściekach, efluencie oczyszczalni ścieków i zanieczyszczonych wodach, ilość tlenu potrzebna do wzrostu i rozmnażania się mikroorganizmów przy użyciu materii organicznej jest równoważna ilości degradowalnej (dostępnej dla mikroorganizmów) materii organicznej. Zanieczyszczenia w wodach powierzchniowych zużywają rozpuszczony tlen w procesie utleniania mediatowanym przez mikroorganizmy. Ilość zużytego rozpuszczonego tlenu nazywana jest zapotrzebowaniem biochemicznym na tlen, co pośrednio odzwierciedla ilość materii organicznej biodegradowalnej w wodzie. Wskazuje ona łączną ilość tlenu rozpuszczanego w wodzie, która jest zużywana w wyniku utleniania i rozkładu materii organicznej w procesie działania biochemicznego mikroorganizmów, aby stała się ona nieorganiczna lub gazem. Im wyższa wartość, tym więcej związków organicznych zanieczyszcza wodę, a zanieczyszczenie jest bardziej poważne. Węglowodany, białka, oleje, lignina itp., które występują w stanie zawieszonym lub rozpuszczonym w ściekach domowych i przemysłowych, takich jak cukrowe, spożywcze, papierowe i włókiennicze, są wszystkie zanieczyszczeniami organicznymi, które mogą być rozkładane przez biochemiczne działanie bakterii tlenowych. Ponieważ podczas procesu rozkładu zużywany jest tlen, nazywane są one również zanieczyszczeniami tlenowymi. Jeśli do ciał wodnych trafia zbyt duża ilość tego rodzaju zanieczyszczeń, może to spowodować niedobór tlenu rozpuszczanego w wodzie. W tym samym czasie organiczne zanieczyszczenia będą gnicły poprzez rozkład przez bakterie beztlenowe w wodzie, produkując smrodliwe gazy, takie jak metan, siarczanek wodoru, merkaptany i amoniak, co prowadzi do pogorszenia się jakości wody i wywoływania zgniłych zapachów.

Zajmuje to około 100 dni, aby cała organiczna masa w ściekach została całkowicie utleniona i zdekomponowana. Aby skrócić czas pomiaru, popyt biochemiczny na tlen jest ogólnie reprezentowany przez zużycie tlenu w próbie wodnej przy 20°C w ciągu pięciu dni, co nazywamy pięciodniowym popytem biochemicznym na tlen, skrótowo BZT5. Dla ścieków domowych wynosi on około 70% zużycia tlenu niezbędnego do pełnej utlenianiny i dekompozycji.

3. Wpływ BZT.

Wykrywanie jakości wody BZT to skrót od popytu biochemicznego na tlen, który jest wskaźnikiem kompleksowym zawartości zanieczyszczeń zużywających tlen w wodzie. Nadmierne wartości BZT przekształcają się w następujące zagrożenia:

1. Zużycie rozpuszczonого tlenu w wodzie: Nadmierne zawartości BZT przyspieszają tempo rozmnażania bakterii i organizmów aerobicznych, powodując szybkie zużycie tlenu w wodzie, co prowadzi do śmierci organizmów wodnych.

gorszenie jakości wody: Rozmnażanie się dużej liczby mikroorganizmów zużywających tlen w cielesie wodnym spowoduje zużycie rozpuszczonyego tlenu oraz przekształcenie zanieczyszczeń organicznych w własne składniki życiowe. Jest to cecha samoczyszczania się cielesa wodnego. Zbyt wysokie BOD spowoduje masowe rozmnażanie bakterii tlenowych, pierwotniaków tlenowych i glonów tlenowych, szybko zużywając tlen, co spowoduje śmierć ryb i krewetek oraz masowe rozmnażanie się bakterii beztlenowych.

wpływ na zdolność samoczyszczania się cieles wodnych: Zawartość tlenu rozpuszczony w cielesach wodnych jest ściśle związana z ich zdolnością do samoczyszczania. Im niższa jest zawartość tlenu rozpuszczony, tym słabsza jest zdolność samoczyszczania się cieles wodnych.

wytworzenie zapachu: Zbyt wysoka zawartość BOD spowoduje wytworzenie zapachu w cielesach wodnych, co nie tylko wpłynie negatywnie na jakość wody, ale również zagrozi otaczającemu środowisku i zdrowiu człowieka.

5. Wywołują czerwone przypływy i rozwój planktonu: Przekroczony BOD spowoduje zbytnie obfitowanie wodorostów w cielesach wodnych, wywołując czerwone przypływy i rozwój planktonu, co zniszczy ekologiczny balans wód i zagrozi zdrowiu człowieka oraz wodzie pitnej.

Dlatego przekroczony BOD jest bardzo ważnym parametrem zanieczyszczenia wód, który może pośrednio odzwierciedlać zawartość biodegradowalnych związków organicznych w wodzie. Jeśli ścieki o przekroczonym BOD są wpuszczane do naturalnych cieles wodnych, takich jak rzeki i oceany, spowodują one nie tylko śmierć organizmów w wodzie, ale również będą się gromadzić w łańcuchu pokarmowym i docierać do ludzkiego organizmu, powodując chroniczne otrucia, wpływając na układ nerwowy i niszcząc funkcje wątroby. Dlatego konieczne jest zakupienie przyrządu do pomiaru BOD marki Shenchanghong. Dopiero po pomyślnym przeprowadzeniu testu ścieki mogą zostać wpuszczone do cielesa wodnego.

5. Metody usuwania BOD

Aby rozwiązać problem zbyt wysokiej ZChO (zakwaszenie chemiczne organiczne) w wodzie, konieczne jest zastosowanie różnych metod, takich jak metody fizyczne, biologiczne i chemiczne. Oto niektóre skuteczne metody:

1. Metoda fizyczna:

A. Wstępne oczyszczanie ścieków w celu usunięcia zawiesin i osadów, zwykle stosując metody fizyczne, takie jak osadzanie, filtracja lub odśrodkowywanie.

B. Siewienie i osadzanie. Usuwanie zawiesin w ściekach za pomocą fizycznego siewienia i osadzania. Te zawiesiny zazwyczaj zawierają wysoką ZChO.

2. Metoda biologiczna:

A. Biologiczne oczyszczanie jest jednym z kluczowych etapów usuwania ZChO ze ścieków. Wykorzystuje zdolność metaboliczną mikroorganizmów do rozkładu materii organicznej i zmniejszania zawartości ZChO. Powszechne metody obejmują metodę szlamu aktywnego i metodę bioplenki.

B. Metoda szlamu aktywnego: Tworzenie odpowiednich warunków środowiskowych za pomocą mieszania, wentylacji i innych metod, aby umożliwić mikroorganizmom rozkładanie materii organicznej.

C. Metoda biofilmu: Przymocuj mikroorganizmy do stałej membrany, a organiczne związkowiny w ściekach będą usuwane przez mikroorganizmy podczas przepływu przez membranę.

D. Doprowadzenie wartości pH: Wartość pH w ściekach ma wpływ na aktywność mikroorganizmów i efektywność usuwania BOD, dlatego należy ją dostosować zgodnie z charakterystyką konkretnych ścieków.

E. Nawietrzenie w celu zwiększenia rozpuszczonego tlenku: Poprzez zwiększenie dostarczania tlenu poprawia się aktywność mikroorganizmów oraz efektywność usuwania BOD w ściekach.

F. Obróbka osadu resztkowego: W trakcie procesu biologicznego powstałego osadu wymaga dalszego przetwarzania, w tym trawienia bezpowietrznego, trawienia powietrznego, odwodniania, suszenia itp.

3. Metoda chemiczna:

A. Oksydacja chemiczna: Użyj oksydantów takich jak ozon, chlor lub persulfat do oksydacji związków organicznych w ściekach i zmniejszenia BOD.

B. Flokulacja i flotacja: Dodawanie flokulantów, aby cząstki zawieszające się i organiczne skondensowały w większe stęczki, a następnie usunięcie ich przez flotację.

4. Zaawansowana technologia oczyszczania:

A. Technologia anammoks: W określonych warunkach wykorzystywane są bakterie anammoks do usuwania azotu amoniakowego z ścieków oraz jednoczesnego obniżania BOD.

B. Skonstruowany system torfowiskowy: Poprzez wspólne działanie roślin i mikroorganizmów w skonstruowanych torfowiskach usuwa się zanieczyszczenia, takie jak substancje organiczne, azot i fosfor.

5. Optymalizacja procesu:

A. SBR (Sequencing Batch Activated Sludge Process): Poprawa efektywności oczyszczania ścieków za pomocą okresowych procesów napełniania wodą, wentylacji, osadzania i odprowadzania.

B. CAST (Circulating Activated Sludge Process): Łączy okresowe działanie wentylacji i mieszania, aby poprawić efektywność usuwania materii organicznej.

6. Wstępne i końcowe oczyszczanie:

A. Wstępną oczyszczanie, taką jak grube i drobne sita oraz zbiorniki ciężkiej, usuwa duże cząstki materii organicznej i zmniejsza obciążenie kolejnego etapu biologicznego oczyszczania.

B. Poostępowa oczyszczanie: Po oczyszczaniu biologicznym, BOD jest dalej obniżany przez filtrowanie, adsorpcję i inne metody.

Podsumowując, problem nadmiernego BOD w oczyścionej wodzie wymaga kompleksowego rozważenia czynników takich jak charakter odpadów, wymagania dotyczące oczyszczania i warunki ekonomiczne, wyboru odpowiednich metod oczyszczania, oraz uwzględnienia zużycia energii i emisji podczas procesu oczyszczania, aby zapewnić, że proces oczyszczania spełnia wymagania ochrony środowiska.

5. Metoda analizy BOD.

Metody analizy BOD obejmują przede wszystkim metodę pięciodniową inkubacji, metodę pomiaru ciśnienia, metodę elektrod mikrobiologicznych, metodę BOD5, metodę BOD20, metodę biosensoryczną, metodę optycznego czujnika tlenu, metodę analizy chemicznej, itp. 1, ‌  Pięciodniowa metoda szkoleniowa jest powszechnie stosowaną metodą pomiaru BOD. Oblicza wartość BOD poprzez zmianę próbek wodnych w warunkach (20 ± 1 °C) przez pięć dni, a następnie ustalenie zmian zawartości tlenku w próbie wodnej przed i po próbie wodnej. Polega na obliczeniu wartości BOD poprzez pomiar zmian w zamkniętym systemie poprzez pomiar zmian w zamkniętym systemie. Zmiany sygnału elektrycznego spowodowane aktywnością metaboliczną mikroorganizmów służą do wyznaczenia wartości BOD. Ta metoda charakteryzuje się wysoką czułością i dokładnością. Metoda BOD5 jest prosta i ekonomiczna oraz szeroko stosowana w dziedzinie monitorowania jakości wody, podczas gdy reguła BOD20 umożliwia bardziej kompleksową ocenę zdegradowania organicznego w ciele wodnym i jest odpowiednia dla okoliczności wymagających dokładniejszej oceny BOD. Ma zalety szybkiej reakcji, prostych operacji i wysokiej czułości. Reakcja między reagentami chemicznymi a materią organiczną służy do obliczenia wartości BOD. Ta metoda zazwyczaj wymaga dłuższego czasu działania i skomplikowanych kroków laboratoryjnych, ale w niektórych szczególnych przypadkach nadal jest efektywną metodą określania wartości BOD. Ponadto różne kraje i regiony mogą mieć różne normy i wymagania. Dlatego podczas wykonywania BOD konieczne jest posługiwanie się odpowiednimi metodami i normami obowiązującymi w danym regionie, aby zapewnić dokładność i porównywalność wyników pomiarowych.

Analizator biochemical oxygen demand (BOD5) firmy Lianhua Technology został zaprojektowany na podstawie zasady pomiaru różnic ciśnienia. Symuluje on proces biodegradacji organicznych związków w przyrodzie. W hermetycznej butelce kulturowej tlen z powietrza nad próbką stale uzupełnia zużywany tlen rozpuszczony podczas rozkładu organicznego materiału w próbce. CO2 wydzielany podczas degradacji organicznego materiału jest usuwany, co powoduje zmianę ciśnienia powietrza w butelce kulturowej. Wykrywając zmiany ciśnienia powietrza w butelce kulturowej, obliczana jest wartość biochemical oxygen demand (BOD) próbki. Szeroki zakres pomiarowy, bezpośredni pomiar poniżej 4000mg/L, automatyczne drukowanie wyników, opcjonalny cykl pomiarowy od 1 do 30 dni, proste obsługa.