Kiến thức về nhu cầu oxy hóa học

Kiến thức về nhu cầu oxy hóa học

1. Định nghĩa COD.

COD (Nhu cầu oxy hóa học) là lượng chất oxy hóa tiêu thụ khi một mẫu nước được xử lý bằng một chất oxy hóa mạnh nhất định trong một số điều kiện nhất định. Nó là một chỉ số về lượng chất khử trong nước. Các chất khử trong nước bao gồm các chất hữu cơ khác nhau, nitrit, sunfua, muối màu, v.v., nhưng những chất chính là các chất hữu cơ. Do đó, nhu cầu oxy hóa học (COD) thường được sử dụng như một chỉ số để đo lượng chất hữu cơ trong nước. Nhu cầu oxy hóa học càng lớn, ô nhiễm nước bởi các chất hữu cơ càng nghiêm trọng. Việc xác định nhu cầu oxy hóa học (COD) thay đổi theo việc xác định các chất khử trong mẫu nước và phương pháp xác định. Các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp oxy hóa kali permanganat axit (KMnO4) và phương pháp oxy hóa kali dicromat (K2Cr2O7). Phương pháp oxy hóa kali permanganat có tốc độ oxy hóa thấp, nhưng tương đối đơn giản và có thể được sử dụng khi xác định giá trị so sánh tương đối của hàm lượng hữu cơ trong các mẫu nước. Phương pháp oxy hóa kali dicromat có tốc độ oxy hóa cao và khả năng tái tạo tốt, và phù hợp để xác định tổng lượng chất hữu cơ trong các mẫu nước. Chất hữu cơ rất có hại cho hệ thống nước công nghiệp. Nói một cách chính xác, nhu cầu oxy hóa học cũng bao gồm các chất khử vô cơ trong nước. Thông thường, vì lượng chất hữu cơ trong nước thải lớn hơn nhiều so với lượng chất vô cơ, nhu cầu oxy hóa học thường được sử dụng để đại diện cho tổng lượng chất hữu cơ trong nước thải. Trong điều kiện đo, chất hữu cơ không có nitơ trong nước dễ bị oxy hóa bởi kali permanganat, trong khi chất hữu cơ chứa nitơ khó phân hủy hơn. Do đó, nhu cầu oxy phù hợp để xác định nước tự nhiên hoặc nước thải nói chung có chứa chất hữu cơ dễ bị oxy hóa, trong khi nước thải công nghiệp hữu cơ có thành phần phức tạp hơn thường được đo theo nhu cầu oxy hóa học.

Nước chứa một lượng lớn chất hữu cơ sẽ làm ô nhiễm nhựa trao đổi ion khi đi qua hệ thống khử muối, đặc biệt là nhựa trao đổi anion sẽ làm giảm khả năng trao đổi của nhựa. Chất hữu cơ có thể giảm khoảng 50% sau khi tiền xử lý (đông tụ, làm sạch và lọc), nhưng nó không thể được loại bỏ trong hệ thống khử muối, vì vậy nó thường được đưa vào lò hơi qua nước cấp để giảm giá trị pH của nước lò hơi. Đôi khi chất hữu cơ cũng có thể được đưa vào hệ thống hơi nước và ngưng tụ, làm cho độ pH giảm và gây ăn mòn hệ thống. Hàm lượng chất hữu cơ cao trong hệ thống nước tuần hoàn sẽ thúc đẩy sự sinh sản của vi sinh vật. Do đó, dù để khử muối, nước lò hơi hay hệ thống nước tuần hoàn, COD càng thấp thì càng tốt, nhưng không có chỉ số giới hạn thống nhất. Khi COD (phương pháp KMnO4) lớn hơn 5mg / L trong hệ thống nước làm mát tuần hoàn, chất lượng nước đã bắt đầu xấu đi.

Trong tiêu chuẩn nước uống, nhu cầu oxy hóa học (COD) của nước loại I và loại II là ≤15mg / L, nhu cầu oxy hóa học (COD) của nước loại III là ≤20mg / L, nhu cầu oxy hóa học (COD) của nước loại IV là ≤30mg / L và nhu cầu oxy hóa học (COD) của nước loại V là ≤40mg / L. Giá trị COD càng lớn, ô nhiễm của vùng nước càng nghiêm trọng.

2. COD được sản xuất như thế nào?

COD (nhu cầu oxy hóa học) chủ yếu có nguồn gốc từ các chất trong mẫu nước có thể bị oxy hóa bởi các chất oxy hóa mạnh, đặc biệt là chất hữu cơ. Những chất hữu cơ này có mặt rộng rãi trong nước thải và nước bị ô nhiễm, bao gồm nhưng không giới hạn ở đường, dầu và chất béo, nitơ amoniac, v.v. Quá trình oxy hóa của các chất này tiêu thụ oxy hòa tan trong nước, do đó làm tăng nhu cầu oxy hóa học. Đặc biệt:

1. Các chất đường: chẳng hạn như glucose, fructose, v.v., thường được tìm thấy trong nước thải từ ngành chế biến thực phẩm và công nghiệp dược phẩm sinh học, và chúng sẽ làm tăng hàm lượng COD.

2. Dầu và chất béo: Nước thải có chứa dầu và chất béo thải ra trong quá trình sản xuất công nghiệp cũng sẽ dẫn đến sự gia tăng nồng độ COD.

3. Nitơ amoniac: Mặc dù không ảnh hưởng trực tiếp đến việc xác định COD, nhưng quá trình oxy hóa nitơ amoniac cũng sẽ tiêu tốn oxy trong quá trình xử lý nước thải, gián tiếp ảnh hưởng đến giá trị COD.

Ngoài ra, có nhiều loại chất có thể tạo ra COD trong nước thải, bao gồm chất hữu cơ phân hủy sinh học, chất ô nhiễm hữu cơ công nghiệp, khử các chất vô cơ, một số chất hữu cơ khó phân hủy sinh học và các chất chuyển hóa vi sinh vật. Quá trình oxy hóa của các chất này tiêu thụ oxy hòa tan trong nước, dẫn đến việc tạo ra COD. Do đó, nhu cầu oxy hóa học là một chỉ số quan trọng để đo lường mức độ ô nhiễm chất hữu cơ và giảm chất vô cơ trong nước. Nó phản ánh tổng lượng chất trong nước có thể bị oxy hóa và phân hủy bởi các chất oxy hóa (thường là kali dicromat hoặc kali permanganat) trong một số điều kiện nhất định, nghĩa là mức độ tiêu thụ oxy của các chất này.

1. Chất hữu cơ: Chất hữu cơ là một trong những nguồn COD chính trong nước thải, bao gồm các chất hữu cơ phân hủy sinh học như protein, carbohydrate và chất béo. Những chất hữu cơ này có thể bị phân hủy thành carbon dioxide và nước dưới tác động của vi sinh vật.

2. Các chất phenolic: Các hợp chất phenolic thường được sử dụng làm chất ô nhiễm trong nước thải trong một số quy trình công nghiệp. Chúng có thể có tác động nghiêm trọng đến môi trường nước và tăng hàm lượng COD.

3. Các chất có cồn: Các hợp chất có cồn, chẳng hạn như ethanol và metanol, cũng là nguồn COD phổ biến trong một số nước thải công nghiệp.

4. Các chất đường: Các hợp chất đường, chẳng hạn như glucose, fructose, v.v., là thành phần phổ biến trong nước thải từ một số ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và công nghiệp dược phẩm sinh học, và chúng cũng sẽ làm tăng hàm lượng COD.

5. Mỡ và mỡ: Mỡ và nước thải chứa chất béo thải ra trong quá trình sản xuất công nghiệp cũng sẽ dẫn đến sự gia tăng nồng độ COD.

6. Nitơ amoniac: Mặc dù nitơ amoniac không ảnh hưởng trực tiếp đến việc xác định COD, nhưng quá trình oxy hóa nitơ amoniac cũng sẽ tiêu tốn oxy trong quá trình xử lý nước thải, gián tiếp ảnh hưởng đến giá trị COD.

Ngoài ra, điều đáng chú ý là COD không chỉ phản ứng với chất hữu cơ trong nước mà còn đại diện cho các chất vô cơ có đặc tính khử trong nước, chẳng hạn như sunfua, ion sắt, natri sunfat, v.v. Do đó, khi xử lý nước thải, cần xem xét toàn diện sự đóng góp của các chất ô nhiễm khác nhau vào COD và có biện pháp xử lý thích hợp để giảm giá trị COD.

Chất hữu cơ là nguồn COD chính. Chúng bao gồm các chất hữu cơ khác nhau, chất lơ lửng và các chất khó phân hủy trong nước thải. Hàm lượng COD cao trong nước thải sẽ gây ra mối đe dọa lớn cho môi trường nước. Việc xử lý và giám sát COD là một trong những biện pháp quan trọng để ngăn ngừa và kiểm soát ô nhiễm. Do đó, xác định COD là một trong những phương pháp thử nghiệm thường được sử dụng trong xử lý nước thải và quan trắc môi trường.

Việc xác định COD là một quy trình dễ vận hành với độ nhạy phân tích cao. Việc xác định COD có thể được hoàn thành bằng cách quan sát trực tiếp sự thay đổi màu sắc của mẫu hoặc dòng điện hoặc các tín hiệu khác sau khi thuốc thử hóa học được chuẩn độ để tạo ra các sản phẩm oxy hóa. Khi giá trị COD vượt quá tiêu chuẩn, cần tiến hành xử lý tương ứng để tránh ô nhiễm môi trường. Nói tóm lại, hiểu COD có nghĩa là gì đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường nước và tiến hành kiểm soát ô nhiễm.

 

3. Tác động của COD cao.

‌COD (nhu cầu oxy hóa học) là một chỉ số quan trọng để đo mức độ ô nhiễm hữu cơ trong các vùng nước. Hàm lượng quá cao sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nước sông.‌

Việc đo COD dựa trên lượng chất oxy hóa tiêu thụ khi các chất khử (chủ yếu là chất hữu cơ) bị oxy hóa và phân hủy trong 1 lít nước trong một số điều kiện nhất định. Các chất khử này sẽ tiêu thụ một lượng lớn oxy hòa tan trong quá trình phân hủy, khiến các sinh vật dưới nước thiếu oxy, từ đó ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và sinh tồn bình thường của chúng, và có thể gây ra một số lượng lớn tử vong trong các trường hợp nghiêm trọng. Ngoài ra, việc giảm oxy hòa tan sẽ đẩy nhanh sự suy giảm chất lượng nước, thúc đẩy sự hư hỏng và phân hủy chất hữu cơ, đồng thời tạo ra nhiều chất độc hại và có hại hơn, chẳng hạn như nitơ amoniac, sẽ gây hại lớn hơn cho các sinh vật dưới nước và chất lượng nước. Tiếp xúc lâu dài với nước thải có chứa nồng độ chất hữu cơ cao cũng có thể gây hại nghiêm trọng cho sức khỏe con người, chẳng hạn như gây ra các bệnh về đường tiêu hóa, bệnh ngoài da, v.v. Do đó, COD quá mức không chỉ gây ra mối đe dọa cho các sinh vật dưới nước mà còn tiềm ẩn nguy cơ đối với sức khỏe con người.

Để bảo vệ môi trường nước và sức khỏe con người, phải có biện pháp hữu hiệu để ngăn chặn và kiểm soát COD quá mức. Điều này bao gồm giảm xả thải chất hữu cơ trong các hoạt động công nghiệp và nông nghiệp, cũng như tăng cường xử lý và giám sát nước thải để đảm bảo chất lượng nước thải đạt tiêu chuẩn, từ đó duy trì môi trường sinh thái nước tốt.

COD là một chỉ số về hàm lượng chất hữu cơ trong nước. COD càng cao, vùng nước càng bị ô nhiễm nghiêm trọng bởi chất hữu cơ. Khi chất hữu cơ độc hại xâm nhập vào vùng nước, nó không chỉ gây hại cho các sinh vật trong vùng nước như cá mà còn có thể được làm giàu trong chuỗi thức ăn và xâm nhập vào cơ thể con người, gây ngộ độc mãn tính. .

COD có tác động lớn đến chất lượng nước và môi trường sinh thái. Một khi các chất ô nhiễm hữu cơ có hàm lượng COD tăng cao xâm nhập vào sông, hồ và hồ chứa, nếu chúng không được xử lý kịp thời, nhiều chất hữu cơ có thể bị hấp phụ bởi đất dưới đáy nước và tích tụ trong nhiều năm. Những sinh vật này sẽ gây thiệt hại cho các sinh vật khác nhau trong nước, và có thể tiếp tục độc hại trong vài năm. Tác dụng độc hại này có hai tác dụng:

Một mặt, nó sẽ gây ra cái chết của một số lượng lớn sinh vật dưới nước, phá hủy cân bằng sinh thái của vùng nước và thậm chí trực tiếp phá hủy toàn bộ hệ sinh thái sông.

Mặt khác, độc tố sẽ tích tụ từ từ trong các sinh vật dưới nước như cá và tôm. Một khi con người tiêu thụ các sinh vật thủy sinh độc hại này, các độc tố sẽ xâm nhập vào cơ thể con người và tích tụ trong nhiều năm, dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng khó lường như ung thư, dị tật và đột biến gen. Tương tự như vậy, nếu con người sử dụng nguồn nước ô nhiễm để tưới tiêu, cây trồng cũng sẽ bị ảnh hưởng, và con người cũng sẽ hít phải một lượng lớn các chất có hại trong quá trình ăn uống.

Khi COD rất cao sẽ gây suy giảm chất lượng nước tự nhiên. Lý do là việc tự làm sạch nước đòi hỏi sự phân hủy của các chất hữu cơ này. Sự xuống cấp của COD nhất thiết đòi hỏi phải tiêu thụ oxy và khả năng tái oxy hóa trong nước không đáp ứng yêu cầu. DO sẽ giảm trực tiếp về 0 và trở thành kỵ khí. Ở trạng thái yếm khí, nó sẽ tiếp tục phân hủy (xử lý kỵ khí của vi sinh vật) và nước sẽ trở nên đen và có mùi (vi sinh vật kỵ khí trông rất đen và chứa khí hydro sunfua).

 

4. Phương pháp xử lý COD

Điểm đầu tiên

Phương pháp vật lý: Nó sử dụng hành động vật lý để tách vật chất lơ lửng hoặc độ đục trong nước thải, có thể loại bỏ COD trong nước thải. Các phương pháp phổ biến bao gồm tiền xử lý nước thải qua bể lắng, lưới lọc, bộ lọc, bẫy mỡ, thiết bị tách dầu-nước, v.v., để loại bỏ COD của các hạt vật chất trong nước thải.

Điểm thứ hai

Phương pháp hóa học: Nó sử dụng các phản ứng hóa học để loại bỏ các chất hòa tan hoặc chất keo trong nước thải, và có thể loại bỏ COD trong nước thải. Các phương pháp phổ biến bao gồm trung hòa, kết tủa, oxy hóa-khử, oxy hóa xúc tác, oxy hóa quang xúc tác, vi điện phân, keo tụ điện phân, đốt, v.v.

Điểm thứ ba

Phương pháp vật lý và hóa học: Nó sử dụng các phản ứng vật lý và hóa học để loại bỏ các chất hòa tan hoặc chất keo trong nước thải. Nó có thể loại bỏ COD trong nước thải. Các phương pháp phổ biến bao gồm lưới, lọc, ly tâm, làm rõ, lọc, tách dầu, v.v.

Điểm thứ tư

Phương pháp xử lý sinh học: Nó sử dụng chuyển hóa vi sinh vật để chuyển đổi các chất ô nhiễm hữu cơ và các chất dinh dưỡng vi sinh vật vô cơ trong nước thải thành các chất ổn định và vô hại. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp bùn hoạt tính, phương pháp màng sinh học, phương pháp tiêu hóa sinh học kỵ khí, ao ổn định và xử lý đất ngập nước, v.v.

5. Phương pháp phân tích COD.

Phương pháp dichromate

Phương pháp tiêu chuẩn để xác định nhu cầu oxy hóa học được thể hiện bằng tiêu chuẩn GB 11914 của Trung Quốc "Xác định nhu cầu oxy hóa học về chất lượng nước bằng phương pháp dicromate" và tiêu chuẩn quốc tế ISO6060 "Xác định nhu cầu oxy hóa học về chất lượng nước". Phương pháp này có tốc độ oxy hóa cao, khả năng tái tạo tốt, độ chính xác và độ tin cậy, và đã trở thành một phương pháp tiêu chuẩn cổ điển thường được cộng đồng quốc tế công nhận.

Nguyên tắc xác định là: trong môi trường axit sunfuric, kali dicromat được sử dụng làm chất oxy hóa, bạc sunfat được sử dụng làm chất xúc tác và sunfat thủy ngân được sử dụng làm chất che cho các ion clorua. Độ axit sulfuric của chất lỏng phản ứng tiêu hóa là 9 mol / L. Chất lỏng phản ứng tiêu hóa được đun nóng để đun sôi và nhiệt độ điểm sôi 148 ° C ± 2 ° C là nhiệt độ tiêu hóa. Phản ứng được làm mát bằng nước và trào ngược trong 2h. Sau khi chất lỏng tiêu hóa được làm lạnh tự nhiên, nó được pha loãng đến khoảng 140ml với nước. Ferrochlorine được sử dụng như một chất chỉ thị, và dicromat kali còn lại được chuẩn độ bằng dung dịch sắt sunfat amoni. Giá trị COD của mẫu nước được tính dựa trên mức tiêu thụ dung dịch sắt sunfat amoni. Chất oxy hóa được sử dụng là kali dicromat, và tác nhân oxy hóa là crom hóa trị sáu, vì vậy nó được gọi là phương pháp dicromate.

Tuy nhiên, phương pháp tiêu chuẩn cổ điển này vẫn còn những thiếu sót: thiết bị trào ngược chiếm không gian thí nghiệm lớn, tiêu thụ nhiều nước và điện, sử dụng một lượng lớn thuốc thử, bất tiện khi vận hành và khó đo nhanh với số lượng lớn.

Phương pháp kali permanganat

COD được đo bằng cách sử dụng kali permanganat làm chất oxy hóa và kết quả đo được gọi là chỉ số kali permanganat.

Quang phổ

Dựa trên phương pháp tiêu chuẩn cổ điển, kali dicromat oxy hóa chất hữu cơ và crom hóa trị sáu tạo ra crom hóa trị ba. Giá trị COD của mẫu nước được xác định bằng cách thiết lập mối quan hệ giữa giá trị hấp thụ của crom hóa trị sáu hoặc crom hóa trị ba và giá trị COD của mẫu nước. Sử dụng nguyên tắc trên, các phương pháp đại diện nhất ở nước ngoài là EPA. Phương pháp 0410.4 "Đo màu bằng tay tự động", ASTM: D1252-2000 "Phương pháp B để xác định nhu cầu oxy hóa học của quang phổ tiêu hóa kín nước" và ISO15705-2002 "Phương pháp ống kín nhỏ để xác định nhu cầu oxy hóa học (COD) về chất lượng nước". Phương pháp thống nhất của nước ta là "Phương pháp tiêu hóa xúc tác kín nhanh (bao gồm cả phương pháp quang phổ)" của Cục Bảo vệ môi trường Nhà nước.

Phương pháp tiêu hóa nhanh

Phương pháp tiêu chuẩn cổ điển là phương pháp trào ngược 2h. Để tăng tốc độ phân tích, người ta đã đề xuất nhiều phương pháp phân tích nhanh khác nhau. Có hai phương pháp chính: một là tăng nồng độ chất oxy hóa trong hệ thống phản ứng tiêu hóa, tăng độ axit của axit sunfuric, tăng nhiệt độ phản ứng và tăng chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng. Phương pháp trong nước được thể hiện bằng GB / T14420-1993 "Phân tích nước lò hơi và nước làm mát, Xác định nhu cầu oxy hóa học, Phương pháp nhanh chóng kali dicromat" và các phương pháp thống nhất được khuyến nghị bởi Cơ quan Bảo vệ Môi trường Nhà nước "Phương pháp Coulometric" và "Phương pháp tiêu hóa xúc tác khép kín nhanh (Bao gồm cả phương pháp trắc quang)". Phương pháp nước ngoài được thể hiện bằng phương pháp tiêu chuẩn của Đức DIN38049 T.43 "Phương pháp nhanh chóng để xác định nhu cầu oxy hóa học của nước".

So với phương pháp tiêu chuẩn cổ điển, phương pháp trên làm tăng độ axit sunfuric của hệ thống tiêu hóa từ 9,0 mg / L lên 10,2 mg / L, nhiệt độ phản ứng từ 150 ° C đến 165 ° C và thời gian tiêu hóa từ 2 giờ đến 10 phút ~ 15 phút. Thứ hai là thay đổi phương pháp tiêu hóa truyền thống bằng cách đun nóng bằng bức xạ nhiệt, và sử dụng công nghệ tiêu hóa vi sóng để cải thiện tốc độ phản ứng tiêu hóa. Do sự đa dạng của lò vi sóng và công suất khác nhau, rất khó để kiểm tra công suất và thời gian thống nhất để đạt được hiệu quả tiêu hóa tốt nhất. Giá lò vi sóng cũng rất cao, và rất khó để xây dựng một phương pháp tiêu chuẩn thống nhất.

Lianhua Technology đã phát triển một phương pháp quang phổ tiêu hóa nhanh cho nhu cầu oxy hóa học (COD) vào năm 1982, đạt được sự xác định nhanh chóng COD trong nước thải với phương pháp "tiêu hóa 10 phút, giá trị 20 phút". Năm 1992, kết quả nghiên cứu và phát triển này đã được đưa vào "TÓM TẮT HÓA HỌC" của Mỹ như một đóng góp mới cho lĩnh vực hóa học của thế giới. Phương pháp này đã trở thành tiêu chuẩn thử nghiệm của ngành bảo vệ môi trường của Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa vào năm 2007 (HJ / T399-2007). Phương pháp này đã đạt được thành công giá trị COD chính xác trong vòng 20 phút. Nó rất đơn giản để vận hành, thuận tiện và nhanh chóng, đòi hỏi một lượng nhỏ thuốc thử, làm giảm đáng kể ô nhiễm được tạo ra trong thí nghiệm và giảm các chi phí khác nhau. Nguyên tắc của phương pháp này là tiêu hóa mẫu nước được thêm thuốc thử COD của Lianhua Technology ở 165 độ trong 10 phút ở bước sóng 420 hoặc 610nm, sau đó làm nguội trong 2 phút, sau đó thêm 2,5ml nước cất. Kết quả COD có thể thu được bằng cách sử dụng công cụ xác định nhanh COD của Lianhua Technology.