Kiến thức về nhu cầu oxy hóa học

Kiến thức về nhu cầu oxy hóa học

1. Định nghĩa của COD.

COD (Demand Oxi-gen Hóa học) là lượng chất oxi hóa bị tiêu thụ khi một mẫu nước được xử lý với một chất oxi hóa mạnh dưới các điều kiện nhất định. Nó là chỉ số cho lượng chất khử trong nước. Các chất khử trong nước bao gồm nhiều loại chất hữu cơ, nitrit, sunfua, muối sắt (II), v.v., nhưng chủ yếu là chất hữu cơ. Do đó, demand oxi-gen hóa học (COD) thường được sử dụng như một chỉ số để đo lường lượng chất hữu cơ trong nước. Càng có demand oxi-gen hóa học cao thì tình trạng ô nhiễm nước bởi chất hữu cơ càng nghiêm trọng. Việc xác định demand oxi-gen hóa học (COD) phụ thuộc vào việc xác định chất khử trong mẫu nước và phương pháp xác định. Phương pháp phổ biến nhất là phương pháp oxi hóa bằng kali permanganat (KMnO4) và phương pháp oxi hóa bằng dichromat kali (K2Cr2O7). Phương pháp oxi hóa bằng kali permanganat có tỷ lệ oxi 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 chất hữu cơ trong mẫu nước. Phương pháp oxi hóa bằng dichromat kali có tỷ lệ oxi hóa cao và tính tái hiện tốt, phù hợp để xác định tổng lượng chất hữu cơ trong mẫu nước. Chất hữu cơ rất có hại cho hệ thống nước công nghiệp. Nói một cách nghiêm ngặt, demand oxi-gen 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, nên demand oxi-gen hóa học thường được sử dụng để đại diện cho tổng lượng chất hữu cơ trong nước thải. Dưới điều kiện đo lường, chất hữu cơ không chứa nitơ trong nước dễ bị oxi hóa bởi kali permanganat, trong khi chất hữu cơ chứa nitơ khó phân hủy hơn. Vì vậy, demand oxi thích hợp để xác định nước tự nhiên hoặc nước thải thông thường chứa chất hữu cơ dễ bị oxi hóa, trong khi nước thải công nghiệp chứa chất hữu cơ phức tạp hơn thường được đo lường về demand oxi-gen hóa học.

Nước chứa một lượng lớn chất hữu cơ sẽ làm ô nhiễm các chất trao đổi ion khi đi qua hệ thống khử muối, đặc biệt là các chất trao đổi anion, điều này sẽ làm giảm khả năng trao đổi của chất liệu resin. Chất hữu cơ có thể giảm khoảng 50% sau xử lý tiền lọc (khuấy đông, làm trong và lọc), nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn trong hệ thống khử muối, vì vậy nó thường được đưa vào nồi hơi thông qua nước cấp, làm giảm giá trị pH của nước nồi hơi. Đôi khi chất hữu cơ cũng có thể xâm nhập vào hệ thống hơi và ngưng tụ, gây giảm pH và dẫn đến ăn mòn hệ thống. Hàm lượng chất hữu cơ cao trong hệ thống nước tuần hoàn sẽ thúc đẩy sự sinh sôi của vi sinh vật. Do đó, dù là cho hệ thống khử muối, nước nồi hơi hay hệ thống nước tuần hoàn, hàm lượng COD càng thấp 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 suy thoái.

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

2. COD được tạo ra như thế nào?

COD (nhu cầu ôxy hóa học) chủ yếu xuất phát từ các chất trong mẫu nước có thể bị oxy hóa bởi các chất oxy hóa mạnh, đặc biệt là chất hữu cơ. Các chất hữu cơ này tồn tại rộng rãi trong nước thải và nước bị ô nhiễm, bao gồm nhưng không giới hạn ở đường, dầu mỡ, amoniac đạm, v.v. Sự oxy hóa của các chất này tiêu thụ lượng ôxy hòa tan trong nước, từ đó làm tăng nhu cầu ôxy hóa học. Cụ thể:

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

2. Dầu và mỡ: Nước thải chứa dầu và mỡ thải ra trong quá trình sản xuất công nghiệp cũng sẽ dẫn đến việc tăng nồng độ COD.

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

Ngoài ra, có nhiều loại chất có thể tạo ra COD trong nước thải, bao gồm chất hữu cơ phân huỷ sinh học, chất ô nhiễm hữu cơ công nghiệp, chất vô cơ khử, một số chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học và sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật. Sự oxy hoá của các chất này tiêu thụ lượng oxy hoà tan trong nước, dẫn đến sự hình thành COD. Do đó, nhu cầu oxy hóa học là một chỉ số quan trọng để đo mức độ ô nhiễm của chất hữu cơ và chất vô cơ khử trong nước. Nó phản ánh tổng lượng chất trong nước có thể bị oxy hoá và phân giải bởi các chất oxy hoá (thường là crôm sunfat hoặc mangan sunfat) dưới điều kiện nhất định, tức là mức độ mà các chất này tiêu thụ oxy.

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

2. Chất phenol: Các hợp chất phenol thường được sử dụng làm chất gây 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 làm tăng hàm lượng COD.

3. Chất cồn: Các hợp chất chứa cồn, như ethanol và methanol, cũng là nguồn phổ biến của COD trong một số nước thải công nghiệp.

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

5. Dầu mỡ và chất béo: Nước thải chứa dầu mỡ và 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直接影响 đến việc xác định COD, quá trình oxy hóa nitơ amoniac cũng sẽ tiêu thụ oxy trong quá trình xử lý nước thải, ảnh hưởng gián tiếp đến giá trị COD.

Ngoài ra, cần lưu ý rằng COD không chỉ phản ứng với chất hữu cơ trong nước mà còn đại diện cho các chất vô cơ có tính khử trong nước, chẳng hạn như sunfua, ion sắt (II), natri sulfite, v.v. Do đó, khi xử lý nước thải, cần phải xem xét toàn diện sự đóng góp của các loại ô nhiễm khác nhau vào COD và áp dụng các biện pháp xử lý phù hợp để giảm giá trị COD.

Chất hữu cơ là nguồn chính của COD. Chúng bao gồm các loại 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 đối với môi trường nước. Việc xử lý và giám sát COD là một trong những biện pháp quan trọng để phòng ngừa và kiểm soát ô nhiễm. Do đó, việc xác định COD là một trong những phương pháp thử nghiệm phổ biến trong xử lý nước thải và giám sát môi trường.

Việc xác định COD là một quy trình dễ thực hiện 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 thêm vào 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. Tóm lại, việc hiểu rõ ý nghĩa của COD đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường nước và thực hiện kiểm soát ô nhiễm.

3. Tác động của COD cao.

‌ COD (lượng tiêu hao oxy hóa học) là chỉ số quan trọng để đo lường mức độ ô nhiễm hữu cơ trong nguồn nước. Nội dung quá cao sẽ có tác động nghiêm trọng đến chất lượng nước sông. ‌

Việc đo lường COD dựa trên lượng chất oxi hóa bị tiêu thụ khi các chất khử (chủ yếu là chất hữu cơ) bị oxi hóa và phân hủy trong 1 lít nước dưới điều kiện nhất định. Các chất khử này sẽ tiêu thụ một lượng lớn oxy hòa tan trong quá trình phân giải, khiến sinh vật thủy sinh thiếu oxy, từ đó ảnh hưởng đến sự phát triển và sống sót của chúng, và có thể gây ra nhiều cái chết trong trường hợp nghiêm trọng. Ngoài ra, việc giảm oxy hòa tan sẽ làm gia tăng sự suy thoái chất lượng nước, thúc đẩy sự phân hủy và腐败 của chất hữu cơ, và tạo ra nhiều chất độc hại hơn, như nitơ amoniac, gây ra tác hại lớn hơn đối với sinh vật thủy sinh và chất lượng nước. Tiếp xúc lâu dài với nước thải chứa nồng độ cao chất hữu cơ cũng có thể gây hại nghiêm trọng cho sức khỏe con người, chẳng hạn như gây bệnh đường tiêu hóa, bệnh da liễu, v.v. Do đó, COD quá cao không chỉ đe dọa sinh vật thủy sinh mà còn tiềm ẩn nguy cơ đối với sức khỏe con người.

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

COD là chỉ số về hàm lượng chất hữu cơ trong nước. COD càng cao, nước càng bị ô nhiễm nặng bởi chất hữu cơ. Khi chất hữu cơ độc hại xâm nhập vào nguồn nước, nó không chỉ gây hại cho sinh vật trong nước như cá, mà còn có thể tích lũy trong chuỗi thức ăn và xâm nhập vào cơ thể người, gây ngộ độc mãn tính. .

COD có tác động lớn đến chất lượng nước và môi trường sinh thái. Khi các chất ô nhiễm hữu cơ có hàm lượng COD cao xâm nhập vào sông, hồ và thủy điện, nếu không được xử lý kịp thời, nhiều chất hữu cơ có thể bị hấp thụ bởi đất ở đáy nước và tích lũy trong nhiều năm. Những chất này sẽ gây hại cho các sinh vật khác nhau trong nước và có thể tiếp tục gây độc trong vài năm. Tác động độc hại này có hai ảnh hưởng:

Mặt khác, nó sẽ gây ra cái chết của một lượng lớn sinh vật thủy sinh, phá hủy cân bằng sinh thái của nguồn nước, thậm chí có thể trực tiếp phá hủy toàn bộ hệ sinh thái sông ngòi.

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

Khi COD rất cao, nó sẽ gây ra sự suy thoái chất lượng nước tự nhiên. Lý do là quá trình tự làm sạch của nước yêu cầu phân hủy các chất hữu cơ này. Việc phân hủy COD chắc chắn cần tiêu thụ oxy, và khả năng tái oxi hóa trong nước không đáp ứng được yêu cầu. DO sẽ giảm trực tiếp xuống 0 và trở nên thiếu khí. Trong trạng thái thiếu khí, nó sẽ tiếp tục phân giải (xử lý thiếu khí bởi vi sinh vật), và nước sẽ trở nên đen và hôi thối (vi sinh vật thiếu khí có màu đen rất đặc trưng và chứa khí sulfua hydro).

4. Phương pháp xử lý COD

Điểm đầu tiên

Phương pháp vật lý: Nó sử dụng tác động vật lý để tách 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 thông qua bể lắng, lưới lọc, bộ lọc, bẫy dầu, máy tách dầu-nước, v.v., để đơn giản loại bỏ COD của chất rắn颗 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, oxi hóa-khử, oxi hóa xúc tác, oxi hóa quang xúc tác, điện phân vi điện giải, điện phân tạo bông, đốt cháy, v.v.

Điểm thứ ba

Phương pháp vật lý-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. Có thể loại bỏ COD trong nước thải. Các phương pháp phổ biến bao gồm lưới lọc, lọc, ly tâm, làm trong, lọc, tách dầu, v.v.

Điểm thứ tư

Phương pháp xử lý sinh học: Nó sử dụng sự chuyển hóa của vi sinh vật để chuyển đổi các chất ô nhiễm hữu cơ và 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湿地, v.v.

5. Phương pháp phân tích COD.

Phương pháp crôm dicromate

Phương pháp tiêu chuẩn để xác định nhu cầu oxy hóa học được thể hiện bởi tiêu chuẩn Trung Quốc GB 11914 "Xác định Nhu cầu Oxy Hóa học của Chất Lượng Nước bằng Phương pháp Dichromate" và tiêu chuẩn quốc tế ISO6060 "Xác định Nhu cầu Oxy Hóa học của Chất Lượng Nước". Phương pháp này có tỷ lệ oxi hóa cao, tính tái hiện tốt, độ chính xác và tin cậy cao, và đã trở thành phương pháp tiêu chuẩn cổ điển được cộng đồng quốc tế công nhận rộng rãi.

Nguyên tắc xác định là: trong môi trường axit sunfuric, kali crômát được sử dụng làm chất oxi hóa, bạc sunfat được dùng làm chất xúc tác, và thuỷ ngân sunfat được dùng làm chất che chắn cho ion clorua. Độ axit của dung dịch phản ứng tiêu hoá là 9 mol/L. Dung dịch phản ứng tiêu hoá được đun sôi, nhiệt độ tiêu hoá ở điểm sôi là 148℃±2℃. Phản ứng được làm mát bằng nước và chưng cất ngược trong 2 giờ. Sau khi dung dịch tiêu hoá nguội tự nhiên, nó được pha loãng đến khoảng 140ml bằng nước. Ferroclorin được dùng làm chỉ thị, và kali crômát còn lại được titrat với dung dịch sunfat sắt (II) amoni. Giá trị COD của mẫu nước được tính toán dựa trên lượng dung dịch sunfat sắt (II) amoni đã tiêu thụ. Chất oxi hóa được sử dụng là kali crômát, và chất oxi hóa là crôm hexavalent, do đó phương pháp này được gọi là phương pháp crômát.

Tuy nhiên, phương pháp chuẩn cổ điển này vẫn còn những nhược điểm: thiết bị chưng cất ngược chiếm nhiều không gian thí nghiệm, tiêu thụ nhiều nước và điện, sử dụng một lượng lớn chất thử, không thuận tiện khi thao tác, và khó đo nhanh với số lượng lớn.

Phương pháp kali permanganat

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

Quang phổ kế

Dựa trên phương pháp tiêu chuẩn cổ điển, kali crôm ate oxy hóa chất hữu cơ, và crôm hexavalent tạo ra crôm trivalent. Giá trị COD của mẫu nước được xác định bằng cách thiết lập mối quan hệ giữa giá trị hấp thụ của crôm hexavalent hoặc crôm trivalent và giá trị COD của mẫu nước. Sử dụng nguyên lý trên, các phương pháp đại diện nhất ở nước ngoài là EPA.Method 0410.4 "Phép đo màu tự động thủ công", ASTM: D1252-2000 "Phương pháp B để xác định nhu cầu ôxy hóa học của nước - quang phổ sau tiêu hóa kín" và ISO15705-2002 "Phương pháp ống nhỏ kín để xác định nhu cầu ôxy hóa học (COD) của chất lượng nước". Phương pháp thống nhất của đất nước chúng ta là "Phương pháp Tiêu hóa Kín Catalytic Nhanh (Bao gồm Quang phổ)" của Cục Bảo vệ Môi trường Quốc gia.

Phương pháp Tiêu hóa Nhanh

Phương pháp tiêu chuẩn cổ điển là phương pháp sôi ngược trong 2 giờ. 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 oxi hóa trong hệ thống phản ứng tiêu hóa, tăng độ axit của axit sunfuric, tăng nhiệt độ phản ứng và tăng cường chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng. Phương pháp trong nước được đại diện bởi GB/T14420-1993 "Phân tích nước hơi và nước làm mát của lò hơi - Xác định nhu cầu oxy hóa học bằng phương pháp nhanh với kali crôm ate" và các phương pháp thống nhất do Bộ Bảo vệ Môi trường đề xuất như "Phương pháp coulometric" và "Phương pháp tiêu hóa kín xúc tác nhanh (bao gồm phương pháp quang kế)". Phương pháp nước ngoài được đại diện bởi phương pháp tiêu chuẩn Đức DIN38049 T.43 "Phương pháp nhanh để xác định nhu cầu oxy hóa học của nước".

So với phương pháp chuẩn cổ điển, phương pháp trên tăng độ axit của hệ thống tiêu hóa từ 9,0 mg/L lên 10,2 mg/L, nhiệt độ phản ứng từ 150℃ lên 165℃ và thời gian tiêu hóa từ 2 giờ xuống còn 10~15 phút. Thứ hai là thay đổi phương pháp truyền thống tiêu hóa bằng cách làm nóng với 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 về loại lò vi sóng và công suất khác nhau, rất khó để kiểm tra công suất và thời gian thống nhất nhằm đạt được hiệu quả tiêu hóa tốt nhất. Giá của lò vi sóng cũng khá cao, và việc xây dựng một phương pháp chuẩn thống nhất gặp nhiều khó khăn.

Công nghệ Lianhua đã phát triển phương pháp quang phổ tiêu hóa nhanh để đo nhu cầu oxy hóa học (COD) vào năm 1982, đạt được việc xác định nhanh COD trong nước thải với phương pháp "tiêu hóa 10 phút, giá trị sau 20 phút". Năm 1992, kết quả nghiên cứu và phát triển này đã được đưa vào "CHEMICAL ABSTRACTS" của Mỹ như một đóng góp mới cho lĩnh vực hóa học thế giới. Phương pháp này đã trở thành tiêu chuẩn kiểm tra của ngành công nghiệp bảo vệ môi trường Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa vào năm 2007 (HJ/T399-2007). Phương pháp này đã thành công trong việc cung cấp giá trị COD chính xác trong vòng 20 phút. Nó dễ dàng vận hành, thuận tiện và nhanh chóng, cần ít chất thử, giảm đáng kể ô nhiễm phát sinh trong thí nghiệm và hạ thấp các loại chi phí. Nguyên lý của phương pháp này là tiêu hóa mẫu nước được thêm chất thử COD của Lianhua Technology ở 165 độ trong 10 phút tại bước sóng 420 hoặc 610nm, sau đó làm nguội trong 2 phút, rồi thêm 2,5ml nước cất. Kết quả COD có thể được lấy bằng máy đo COD nhanh của Lianhua Technology.