Znajomość zapotrzebowania chemicznego na tlen

Znajomość zapotrzebowania chemicznego na tlen

1. Definicja COD.

ZBT (Zużycie Chemiczne Tlenku) to ilość utleniacza zużytego podczas obróbki próby wody za pomocą określonego mocnego utleniacza w określonych warunkach. Jest to wskaźnik ilości substancji utlenianych w wodzie. Substancje te obejmują różne związki organiczne, nitryty, siarczanowe, soli ferrozowych itp., ale główne składniki to związki organiczne. Dlatego zużycie chemiczne tlenku (ZBT) często stosuje się jako wskaźnik do pomiaru ilości związków organicznych w wodzie. Im większe zużycie chemiczne tlenku, tym poważniejsze jest zanieczyszczenie wody związkami organicznymi. Określanie zużycia chemicznego tlenku (ZBT) zależy od metody wyznaczania substancji utlenianych w próbkach wodnych i metody analizy. Najczęściej stosowane metody to metoda utleniania kwasem potasowym (KMnO4) oraz metoda utleniania dichromatem potasu (K2Cr2O7). Metoda utleniania kwasem potasowym ma niską efektywność utleniania, ale jest względnie prosta i może być stosowana przy określaniu wartości porównawczej zawartości organicznej w próbkach wodnych. Metoda utleniania dichromatem potasu charakteryzuje się wysoką efektywnością utleniania i dobrą powtarzalnością, co czyni ją odpowiednią do wyznaczania ogólnej ilości materii organicznej w próbkach wodnych. Związki organiczne są bardzo szkodliwe dla systemów wody przemysłowej. Ścisło mówiąc, zużycie chemiczne tlenku obejmuje również nieorganiczne substancje utleniane w wodzie. Zazwyczaj, ponieważ ilość związków organicznych w ściekach jest znacznie większa niż ilość związków nieorganicznych, zużycie chemiczne tlenku ogólnie reprezentuje łączną ilość materii organicznej w ściekach. W warunkach pomiarowych, związek organiczny bez azotu w wodzie łatwo ulega utlenianiu przez kwas potasiowy, podczas gdy związki organiczne zawierające azot są trudniejsze do rozkładu. Dlatego popyt na tlen jest odpowiedni do wyznaczania naturalnej wody lub ogólnych ścieków zawierających organiczne związki łatwe do utlenienia, podczas gdy ścieki przemysłowe o bardziej złożonym składzie są często badane pod kątem zużycia chemicznego tlenku.

Woda zawierająca dużą ilość materii organicznej zanieczyszcza resyny jonowe podczas przepływu przez system dezalkalizacji, zwłaszcza resyny anionowe, co zmniejsza ich zdolność wymiany jonów. Po wstępnym oczyszczaniu (koagulacji, clarifykacji i filtracji) zawartość substancji organicznych może być obniżona o około 50%, ale nie można jej usunąć w systemie dezalkalizacji, dlatego często jest ona przenoszona do kotła za pośrednictwem wody napędowej, co spowoduje obniżenie pH wody kotłowej. Substancje organiczne mogą również dostać się do układu pary i kondensatu, co spowoduje obniżenie pH i koryzję układu. Wysoka zawartość substancji organicznych w systemie wodociągowym cyrkulacyjnym sprzyja rozmnażaniu się mikroorganizmów. Dlatego, zarówno dla dezalkalizacji, jak i wody kotłowej czy systemu wodociągowego cyrkulacyjnego, im niższy COD, tym lepiej, ale nie ma jednolitego wskaźnika granicznego. Gdy COD (metoda KMnO4) w systemie wody chłodniczej cyrkulacyjnej przekracza 5 mg/L, jakość wody zaczyna się gorszyć.

W standardzie wody pitnej, zapotrzebowanie chemiczne na tlen (ZCT) dla wody klasy I i II wynosi ≤15mg/L, ZCT dla wody klasy III wynosi ≤20mg/L, ZCT dla wody klasy IV wynosi ≤30mg/L, a ZCT dla wody klasy V wynosi ≤40mg/L. Im większa jest wartość ZCT, tym poważniejsze jest zanieczyszczenie cieczy.

2. Skąd pochodzi ZCT?

ZCT (zapotrzebowanie chemiczne na tlen) pochodzi przede wszystkim z substancji w próbkach wodnych, które mogą być utleniane przez silne utleniacze, zwłaszcza organiczne. Tesubstancje organiczne występują powszechnie w ściekach i zanieczyszczonych wodach, w tym między innymi cukry, tłuszcze oraz azot amonowy itp. Utlenianie tych związków spowodowanie zużycie rozpuszczonego tlenku w wodzie, co zwiększa zapotrzebowanie chemiczne na tlen. Specyficznie:

1. Substancje cukrowe: takie jak glukozę, fruktozę itp., występują powszechnie w ściekach z przemysłu przetwórstwa żywnościowego i biotechnologicznego, a zwiększają one zawartość COD.

2. Tłuszcze i oleje: Ścieki zawierające tłuszcze i oleje wydzielane podczas produkcji przemysłowej mogą również prowadzić do zwiększenia stężenia COD.

3. Azot amonowy: Choć nie wpływa bezpośrednio na okréślenie COD, to oxidacja azotu amonowego podczas oczyszczania ścieków zużywa tlen, co pośrednio wpływa na wartość COD.

Ponadto istnieje wiele rodzajów substancji, które mogą generować COD w ściekach, w tym organiczne związk biodegradowalne, przemysłowe organiczne zanieczyszczenia, redukujące się nieorganiczne substancje, niektóre trudne do biodegradacji związki organiczne oraz metaboliczne produkty mikroorganizmów. Oksydacja tych substancji spowodowywuje zużycie roztworzonego tlenu w wodzie, co prowadzi do powstania COD. Dlatego zapotrzebowanie chemiczne na tlen jest ważnym wskaźnikiem mierzącym stopień zanieczyszczenia organicznego i redukujących się nieorganicznych związków w wodzie. Odzwierciedla ona łączną ilość substancji w wodzie, które mogą zostać utlenione i rozłożone przez utleniacze (zwykle chromian potasu lub permanganian potasu) w określonych warunkach, czyli stopień, w jakim te substancje zużywają tlen.

1. Materię organiczną: Materią organiczną jest jednym z głównych źródeł DTW w ściekach, w tym biodegradowalną materię organiczną, taką jak białka, węglowodany i tłuszcze. Te materiały organiczne mogą być rozkładane na dwutlenek węgla i wodę pod wpływem mikroorganizmów.

2. Związki fenolowe: Związki fenolowe są często wykorzystywane jako zanieczyszczenia w ściekach w niektórych procesach przemysłowych. Mogą one mieć poważny wpływ na środowisko wodne i zwiększać zawartość DTW.

3. Związki alkoholowe: Związki alkoholowe, takie jak etanol i metanol, są również częstymi źródłami DTW w niektórych ściekach przemysłowych.

4. Związki cukrowe: Związki cukrowe, takie jak glukoza, fruktoza itp., są powszechnymi składnikami w ściekach z niektórych przemyków spożywczych i biotechnologicznych, a także zwiększają zawartość DTW.

5. Tłuszcze i oleje: Ścieki zawierające tłuszcze i oleje wydzielane podczas produkcji przemysłowej mogą również prowadzić do zwiększenia stężenia DTW.

6. Azot amonowy: Choć azot amonowy nie wpływa bezpośrednio na wyznaczanie WZ, jego utlenianie spowoduje również zużycie tlenku w trakcie procesu oczyszczania ścieków, co pośrednio wpływa na wartość WZ.

Ponadto warto zauważyć, że WZ reaguje nie tylko na substancje organiczne w wodzie, ale także reprezentujesubstancje nieorganiczne o właściwościach redukujących obecnych w wodzie, takie jak siarczek, jon ferrozowy, natriowe soli sulfitytu itp. Dlatego podczas oczyszczania ścieków należy uwzględnić wpływ różnych zanieczyszczeń na WZ i podjąć odpowiednie działania czynne, aby zmniejszyć wartość WZ.

Materię organiczną jest głównym źródłem DTW. Obejmuje ona różne rodzaje materii organicznej, zawiesiny oraz trudnoodwracalnych substancji w ściekach. Wysoka zawartość DTW w ściekach stanowi wielkie zagrożenie dla środowiska wodnego. Traktowanie i monitorowanie DTW jest jedną zważnych miar zapobiegania i kontrolowania zanieczyszczeń. Dlatego też wyznaczanie DTW jest jedną z powszechnie stosowanych metod badawczych w oczyszczaniu ścieków i monitoringu środowiskowego.

Wyznaczanie DTW to łatwy w wykonaniu proces o wysokiej czułości analitycznej. Wyznaczenie DTW można dokonać poprzez bezpośredni obserwacji zmiany koloru próbki lub prądu lub innych sygnałów po dotytrowaniu reagentem chemicznym produkujących produkty utlenienia. Gdy wartość DTW przekracza normy, konieczne jest przeprowadzenie odpowiedniej procedury oczyszczania, aby uniknąć zanieczyszczenia środowiska. W skrócie, zrozumienie znaczenia DTW odgrywa kluczową rolę w ochronie środowiska wodnego i prowadzeniu działań antyzagonycznych.

3. Wpływ wysokiego COD.

‌ COD (chemiaż tlenkowy) jest ważnym wskaźnikiem do mierzenia stopnia zanieczyszczenia organicznego wód. Przekroczony poziom może mieć poważny wpływ na jakość wód rzecznych. ‌

Pomiar COD opiera się na ilości tlenku zużytego podczas utleniania i rozkładu związków wodorotlenowych (głównie materii organicznej) w 1 litrze wody w określonych warunkach. Te związki wodorotlenowe zużywają dużą ilość tlenku rozpuszczonego podczas procesu rozkładu, co powoduje niedobór tlenu u organizmów wodnych, wpływając na ich normalne rozwijanie się i przetrwanie, a w ciężkich przypadkach może spowodować masowe umieranie. Ponadto, zmniejszenie zawartości tlenu rozpuszczonego przyspieszy pogorszenie jakości wody, sprzyjać będzie zgniliznie i rozkładowi substancji organicznych oraz wytworzeniu większej ilości toksycznych i szkodliwych związków, takich jak azotek amonowy, co spowoduje większe szkody dla organizmów wodnych i jakości wody. Długotrwałe narażenie na ścieki zawierające wysokie stężenie związków organicznych może również poważnie zagrozić zdrowiu człowieka, np. prowadząc do chorób jelitowych, skórnych itp. Dlatego nadmiarowy COD stanowi nie tylko zagrożenie dla organizmów wodnych, ale także potencjalne ryzyko dla zdrowia człowieka.

Aby ochronić środowisko wodne i zdrowie człowieka, należy podjąć skuteczne działania mające na celu zapobieganie i kontrolowanie nadmiernego COD. Obejmuje to redukcję wydzielania organicznych związków w działalności przemysłowej i rolniczej oraz wzmocnienie oczyszczania ścieków i monitoringu, aby upewnić się, że jakość wypuszczanej wody odpowiada standardom, co pozwoli utrzymać zdrowe warunki ekologiczne wód.

COD jest wskaźnikiem zawartości materii organicznej w wodzie. Im wyższy jest COD, tym większym stopniem zanieczyszczenia organicznego ulega ciało wodne. Gdy trujące związki organiczne trafiają do wody, szkodzą one organizmom w środowisku wodnym, takim jak ryby, a ponadto mogą się akumulować w łańcuchu pokarmowym i docierać do ludzkiego organizmu, powodując chroniczne otrucia. .

COD ma duży wpływ na jakość wody i środowisko ekologiczne. Gdy organiczne zanieczyszczenia o wysokiej zawartości COD trafiają do rzek, jezior i zbiorników, jeśli nie zostaną one szybko oczyszczone, wiele organicznych związków może zostać adsorbowanych przez grunt na dnie wód i akumulować się przez lata. Te związkowanie mogą powodować szkody u różnych organizmów wodnych i mogą być toksyczne przez kilka lat. Ten efekt toksyczny ma dwa aspekty:

Z jednej strony, spowoduje to śmierć licznych organizmów wodnych, zniszczy równowagę ekologiczną wód, a nawet bezpośrednio unicestwi całą ekosystemy rzeki.

Z drugiej strony, toksyny będą powoli się gromadzić w organizmach wodnych, takich jak ryby i krewety. Gdy ludzie spożywają te trujące organizmy wodne, toksyny trafiają do ciała człowieka i gromadzą się przez wiele lat, prowadząc do nieprzewidywalnych poważnych skutków, takich jak raka, wad rozwijania się i mutacji genetycznych. W ten sam sposób, jeśli ludzie używają zanieczyszczonej wody do nawadniania, rośliny również będą dotknięte, a ludzie będą wdychali dużą ilość szkodliwych substancji podczas jedzenia.

Gdy COD jest bardzo wysoki, spowoduje to pogorszenie jakości wód naturalnych. Powodem jest to, że samoczyszczenie się wody wymaga zdegradowania tych związków organicznych. Zdegradowanie COD koniecznie wiąże się ze zużyciem tlenu, a zdolność reoksygenacji wody nie spełnia wymagań. DO (rozpuszczony tlen) spadnie bezpośrednio do 0 i stanie się bezpowietrznym. W stanie bezpowietrznym procesy dekompozycji będą kontynuowane (bezpowietrzne przetwarzanie przez mikroorganizmy), a woda stanie się czarna i śmierdząca (mikroorganizmy bezpowietrzne wyglądają bardzo ciemno i zawierają gaz siarkowodorowy).

4. Metody usuwania COD

Pierwszy punkt

Metoda fizyczna: Wykorzystuje działanie fizyczne do oddzielenia zawiesin lub mętności w ściekach, co pozwala usunąć COD z wody odpadowej. Powszechne metody obejmują wstępną oczyszczanie ścieków za pomocą zbiorników osadowczych, siatek filtracyjnych, filtrów, zbiorników tłuszczowych, separatorów oleju-wody itp., aby prosto usunąć COD cząsteczkowego materiału w ściekach.

Drugi punkt

Metoda chemiczna: Wykorzystuje reakcje chemiczne do usuwania rozpuszczonych substancji lub koloidów w ściekach oraz może usuwać ZDT z ścieków. Powszechne metody obejmują neutralizację, utlenianie, redukcję, utlenianie katalizowane, fotokatalizę, mikroelektrolizę, elektrolityczną koagulację, spalanie itp.

Trzeci punkt

Metoda fizykochemiczna: Wykorzystuje reakcje fizyczne i chemiczne do usuwania rozpuszczonych substancji lub koloidów w ściekach. Może usuwać ZDT z ścieków. Powszechne metody obejmują siatki, filtrację, odśrodkowywanie, clarifyng, filtrowanie, oddzielenie oleju itp.

Czwarty punkt

Metoda biologiczna: Wykorzystuje metabolizm mikroorganizmów do przekształcania organicznych zanieczyszczeń i nieorganicznych składników pokarmowych dla mikroorganizmów w ściekach w stabilne i nieszkodliwe substancje. Powszechne metody obejmują metodę baktérii aktywnych, metodę bioplenki, anaerobiczną metodę trawienia biologicznego, baseny stabilizacyjne i oczyszczanie na torfowiskach itp.

5. Metoda analizy ZDT.

Metoda dichromatu

Standardowa metoda wyznaczania zapotrzebowania chemicznego na tlen opisana jest w chińskim standardzie GB 11914 „Wyznaczanie zapotrzebowania chemicznego na jakość wody metodą dichromatową” oraz międzynarodowmiernym standardzie ISO6060 „Wyznaczanie zapotrzebowania chemicznego na jakość wody”. Ta metoda charakteryzuje się wysokim stopniem utleniania, dobrym powtarzalnością, dokładnością i niezawodnością, stając się klasyczną metodą standardową powszechnie uznawaną przez społeczność międzynarodową.

Zasada wyznaczania to: w środowisku kwasowym siarkowym, jako utleniacz stosowany jest potas dwuchromianowy, srebro siarczan jako katalizator, a rtęci siarczan jako środek maskujący jonów chlorkowych. Kwasowość siarkowa roztworu reakcji wynosi 9 mol/L. Roztwór reakcji trawienny jest nagrzewany do wrzenia, a temperatura wrzenia 148℃±2℃ jest temperaturą trawienia. Reakcja jest chłodzona wodą i odparowana przez 2 godziny. Po naturalnym ochłodzeniu roztworu trawienia, rozcieńcza się go wodą do około 140 ml. Jako wskaźnik stosowany jest ferrochlor, a pozostały potas dwuchromianowy tytrymuje się roztworem siarczanu żelaza amonowego. Wartość COD próby wodnej oblicza się na podstawie zużycia roztworu siarczanu żelaza amonowego. Używanym utleniaczem jest potas dwuchromianowy, a czynnikem utlenniającym jest chrom w stanie +6, dlatego metoda ta nazywa się metodą dwuchromianową.

Jednakże, ta klasyczna metoda standardowa nadal ma wady: urządzenie do odparowywania zajmuje duży przestrzenny obszar doświadczalny, zużywa dużo wody i energii, wymaga dużych ilości reagentów, jest niezwykle kłopotliwe w obsłudze oraz trudne do szybkiej pomiaru w dużych ilościach.

Metoda potasu kmnatanowego

Wymiar COD jest mierzony za pomocą potasu kmnatanowego jako utleniacza, a otrzymany wynik nazywany jest indeksem potasu kmnatanowego.

Spektrofotometria

Na podstawie klasycznego standardowego metodu, potas dwuchromianowy utlenia materię organiczną, a chrom w stanie +6 tworzy chrom w stanie +3. Wartość DTCh próby wodnej wyznaczana jest poprzez ustalenie związku między wartością pochłaniania chromu w stanie +6 lub chromu w stanie +3 a wartością DTCh próbki wodnej. Korzystając z powyższego zasady, najbardziej reprezentatywne metody za granicą to EPA.Method 0410.4 „Kolorimetria Automatyczna Ręczna”, ASTM: D1252-2000 „Metoda B do wyznaczenia zapotrzebowania chemicznego na tlen wodny – spektrofotometria trawienia hermetycznego” oraz ISO15705-2002 „Metoda małych hermetycznych rurek do wyznaczenia zapotrzebowania chemicznego na tlen (DTCh) jakości wody”. Jednolita metoda naszego kraju to „Szybka Metoda Trawienia Zabiegowa z Katalizatorem (Wliczając Spektrofotometrię)” Ministerstwa Ochrony Środowiska.

Szybka Metoda Trawienia

Klasyczną standardową metodą jest metoda refluksu 2h. Aby zwiększyć prędkość analizy, zaproponowano różne szybkie metody analizy. Istnieją dwie główne metody: jedna polega na zwiększeniu stężenia utleniacza w systemie reakcji przetrząsania, zwiększeniu kwasistości kwasu siarkowego, podniesieniu temperatury reakcji oraz zastosowaniu katalizatora w celu przyspieszenia reakcji. Krajowa metoda reprezentowana jest przez GB/T14420-1993 „Analiza wody kotłowej i chłodniczej – Określanie zapotrzebowania chemicznego na tlen – Szybka metoda potasowokrômowa” oraz jednolite metody zalecane przez Państwowe Biuro Ochrony Środowiska „Metoda kulometryczna” i „Szybka zamknięta katalizowana metoda trawienia (w tym metoda fotometryczna)”. Zagraniczna metoda reprezentowana jest przez niemiecki standard DIN38049 T.43 „Szybka metoda określania zapotrzebowania chemicznego na tlen wody”.

W porównaniu z klasyczną metodą standardową, powyższa metoda zwiększa kwaśność siarkowodorową układu trawienia z 9,0 mg/L do 10,2 mg/L, temperaturę reakcji z 150℃ do 165℃, a czas trawienia z 2h do 10min~15min. Drugim aspektem jest zmiana tradycyjnej metody trawienia opartej na grzaniu przez promieniowanie cieplne, wykorzystując technologię trawienia mikrofalowego w celu poprawy prędkości reakcji trawienia. Ze względu na szeroki wybór mikrofalówek oraz różniące się mocowości, trudno jest przeprowadzić testy jednolitej mocy i czasu, aby osiągnąć optymalny efekt trawienia. Cena mikrofalówek jest również bardzo wysoka, a utworzenie jednolitej metody standardowej okazuje się trudne.

Lianhua Technology opracowała w 1982 roku szybką metodę spektrofotometryczną do wyznaczania zapotrzebowania chemicznego na tlen (COD), która umożliwiała szybkie określenie COD w ściekach za pomocą metody „10-minutowe trawienie, 20-minutowa wartość”. W 1992 roku ten wynik badań i rozwoju został uwzględniony w amerykańskim „CHEMICAL ABSTRACTS” jako nowy wkład w rozwój chemii na świecie. Ta metoda została standardem testowym przemysłu ochrony środowiska Chińskiej Republiki Ludowej w 2007 roku (HJ/T399-2007). Ta metoda pomyślnie umożliwia uzyskanie dokładnej wartości COD w ciągu 20 minut. Jest łatwa w obsłudze, wygodna i szybka, wymaga małej ilości reagentów, znacząco zmniejsza zanieczyszczenia powstające podczas eksperymentu i obniża różne koszty. Zasada tej metody polega na trawieniu próby wodnej z dodanym reagentem COD firmy Lianhua Technology przy temperaturze 165 stopni przez 10 minut na długości fali 420 lub 610nm, następnie ochładzaniu przez 2 minuty i dodaniu 2,5ml wody destylowanej. Wynik COD można uzyskać za pomocą szybkiego aparatu do pomiaru COD firmy Lianhua Technology.