اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی
اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی (BOD) یک آزمون تجربی است که با استفاده از روش‌های استاندارد آزمایشگاهی، میزان تقاضای اکسیژن فاضلاب‌ها، پساب‌های آلاینده و آب‌های آلوده را تعیین می‌کند. این آزمون در اندازه‌گیری بار آلایندگی در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب کاربرد فراوانی دارد. BOD به اندازه‌گیری مولکول‌های اکسیژنی می‌پردازد که در طول یک دوره مشخص رشد بیولوژیکی، برای مصرف مواد آلی (کربن) استفاده می‌شود. همچنین، این آزمون اکسیژنی را که برای اکسیداسیون مواد غیرآلی مانند سولفید و ترکیباتی نظیر آهن نیاز است، اندازه‌گیری می‌کند. علاوه بر این، BOD ممکن است مقدار اکسیژنی را که برای اکسید کردن فرم‌های نیتروژن (نیتروژن خواهی) لازم است، نیز محاسبه کند. روش‌های راهنما برای اندازه‌گیری BOD معمولاً تخمینی از BOD در pH بین 6.5 تا 7.5 ارائه می‌دهند.
آزمایش اکسیژن‌خواهی بیو شیمیایی (BOD)
آزمایش اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی (BOD) به منظور اندازه‌گیری میزان اکسیژن لازم برای 1- تجزیه بیوشیمیایی مواد آلی، 2- اکسایش مواد معدنی نظیر سولفیدها و یون آهن (II) و 3- اکسایش فرم‌های کاهشی نیتروژن مانند آمونیاک و نیتروژن آلی در پساب‌ها و آب‌های آلوده انجام می‌شود. اکسایش فرم‌های کاهشی نیتروژن به عنوان یک عامل مزاحم در تعیین BOD شناخته می‌شود و برای حذف آن باید از یک عامل پوشاننده شیمیایی مناسب استفاده کرد. در غیر این صورت، اکسیژن مصرف شده شامل مجموع واکنش‌های اکسایش مواد آلی و نیتروژنی خواهد بود.
اکسیژن‌خواهی بیوشیمیایی 5 روزه (BOD5):
در واقع، BOD یک آزمایش است که به طور غیرمستقیم غلظت اکسیژن محلول (DO) را در اثر تجزیه مواد آلی توسط میکروارگانیسم‌ها در یک بطری دربسته اندازه‌گیری می‌کند. این بطری به مدت 5 روز در دمای 20 درجه سانتی‌گراد و در تاریکی در انکوباتور قرار می‌گیرد. در تصویر زیر، بطری‌های مخصوص اندازه‌گیری BOD که به DO متر مجهز هستند، نمایش داده شده است.
پژوهشگر مقدار DO نمونه را قبل و بعد از قرارگیری در انکوباتور اندازه‌گیری کرده و بر اساس اختلاف این مقادیر، BOD را محاسبه می‌کند. از آنجایی که DO اولیه (DOinitial) پس از رقیق‌سازی اندازه‌گیری می‌شود، کل اکسیژن مصرف شده در مرحله رقیق‌سازی نیز در محاسبه BOD لحاظ می‌شود.
اگر فاصله زمانی بین نمونه‌گیری و اندازه‌گیری BOD طولانی باشد، ممکن است مقداری از مواد آلی تجزیه شده و نتیجه آزمایش کمتر از حد واقعی به‌دست آید. همچنین، مقدار pH تمامی نمونه‌ها باید بین 6/0 تا 8/0 در دمای 20 درجه سانتی‌گراد باشد. برای تنظیم pH، می‌توان از اسید سولفوریک یا سود استفاده کرد، به شرطی که غلظت محلول بیشتر از 0/5 درصد رقیق نشود.
برای رقیق‌سازی نمونه‌های BOD، از آب مرجع استفاده می‌شود که می‌تواند شامل آب مقطر یا آب شهری باشد. با این حال، غلظت مس نباید از 0.05 ppm و غلظت کلر از 0.10 ppm بیشتر باشد. استفاده از آب بدون یون برای این منظور توصیه نمی‌شود، زیرا ممکن است حاوی مقداری مواد آلی و میکروارگانیسم‌ها باشد.
برای تهیه آب رقیق‌کننده، لازم است که به آب مرجع مواد مغذی افزوده شود. این مواد مغذی شامل محلول‌های بافر فسفات، منیزیم سولفات، کلسیم کلرید و آهن (III) کلرید هستند که به مقدار مشخصی به آب اضافه می‌شوند. پس از این مرحله، نمونه‌ها با آب مغذی تهیه شده، رقیق خواهند شد. برای به‌دست آوردن جمعیت میکروبی، می‌توان از لجن فعال و عمل بذرافشانی استفاده کرد. در این روش، در مرحله رقیق‌سازی، مقدار مناسبی از سوسپانسیون بذرافشانی میکروبی و بازدارنده اکسایش نیتروژن به نمونه افزوده می‌شود. در جدول زیر، قوانین سرانگشتی برای رقیق‌سازی نمونه‌های مختلف ارائه شده است.
آب مرجع مغذی را می‌توان تا زمانی نگهداری کرد که کیفیت آن با آب رقیق‌کننده مطابقت داشته باشد. هرچند بهتر است آب مرجع حاوی مواد مغذی، معدنی و بافر بیش از 24 ساعت نگهداری نشود. آب رقیق‌کننده از آب مغذی بدون بذر و بازدارنده اکسایش نیتروژن تهیه شده است. اگر آب رقیق‌کننده نشان‌دهنده غلظتی بیش از 0.2 ppm DO باشد، باید آب مرجع مغذی را دور بریزید. رقیق‌سازی می‌تواند با استفاده از ظروف حجم‌سنجی یا بطری‌های BOD انجام شود.
رقیق‌سازی به روش حجم‌سنجی:
نمونه‌ای که به خوبی مخلوط شده است را با استفاده از پیپت به داخل بالن ژوژه منتقل کنید. در صورتی که نسبت رقیق‌سازی بیشتر از 1:300 باشد، این فرآیند را در چند مرحله انجام دهید. دو سوم بالن را با نمونه و آب رقیق‌سازی پر کنید، سپس مقدار مناسبی از سوسپانسیون بذرافشانی میکروبی و بازدارنده اکسایش نیتروژن را به آن اضافه کنید و در نهایت با آب رقیق‌کننده (مغذی) به حجم مورد نظر برسانید. مخلوط را به خوبی هم بزنید و از ورود هوا به داخل بالن جلوگیری کنید. سپس محتویات بالن را به بطری مخصوص BOD منتقل کنید. اگر پس از رقیق‌سازی، بیش از 67% حجم بالن ژوژه را نمونه تشکیل دهد، باید به ازای هر لیتر بطری BOD، 1 میلی‌لیتر مواد مغذی شامل بافر و مواد معدنی به آن اضافه شود.
رقیق‌سازی مستقیم در بطری:
نمونه‌ای که به خوبی مخلوط شده است را با استفاده از پیپت به داخل بطری BOD منتقل کنید. در صورتی که نسبت رقیق‌سازی بیشتر از 1:300 باشد، رقیق‌سازی را در چند مرحله انجام دهید. دو سوم بطری را با نمونه و آب رقیق‌کننده پر کنید، سپس مقدار مناسبی از سوسپانسیون بذرافشانی میکروبی و بازدارنده اکسایش نیتروژن را به آن اضافه کنید و در نهایت با آب رقیق‌کننده (مغذی) حجم را به حد مطلوب برسانید. مخلوط را به خوبی هم بزنید و از ورود هوا به داخل بطری جلوگیری کنید. اگر پس از رقیق‌سازی، بیش از 67% حجم بطری را نمونه تشکیل دهد، باید به ازای هر لیتر بطری BOD، 1 میلی‌لیتر مواد مغذی شامل بافر و مواد معدنی به آن اضافه شود.
کنترل گلوکز – گلوتامیک اسید (GGA) به منظور ارزیابی دقت و صحت آزمایش BOD و کیفیت بذرافشانی و همچنین روش‌های اجرایی آن استفاده می‌شود. برای تهیه GGA، مقادیر مناسبی از محلول‌های استاندارد گلوکز و گلوتامیک اسید به سه بطری اضافه می‌شود تا غلظت هر یک به 3/0 mg/L برسد. میانگین نتایج BOD5 برای این سه بطری باید در محدوده ppm O2 (167/5 تا 228/5) قرار گیرد.
غلظت اولیه DO (DOinitial) هر یک از نمونه‌ها، شامل شاهد آب رقیق‌کننده و کنترل بذرافشانی، باید در کمتر از 30 دقیقه با استفاده از یکی از روش‌های یدومترثی، الکترود غشایی یا پراب نوری اندازه‌گیری شود. پس از گذشت 5 روز، غلظت نهایی DO (DOfinal) برای هر یک از نمونه‌ها، شاهد آب رقیق‌کننده و کنترل بذرافشانی و همچنین کنترل گلوکز – گلوتامیک اسید اندازه‌گیری گردد.
روش محاسبه BOD2 به صورت زیر است:
S به معنای جذب اکسیژن از طریق کنترل بذرافشانی، Vs به حجم بذر و dilute. fac. به عنوان ضریب رقیق‌سازی اشاره دارد. داده‌ها زمانی قابل اعتماد هستند که مقدار اکسیژن مصرف شده (DOinitial – DOfinal) بیشتر از 0.2 ppm و مقدار اکسیژن باقی‌مانده (DOfinal) بیشتر از 0.1 ppm باشد..
مشخصات اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی
اندازه‌گیری اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی (BOD) بر اساس استاندارد متد به روش رسپیرومتریک و با استفاده از شماره روش 5210D انجام می‌شود. همچنین، انواع مختلفی از فرمت‌های اکسیژن‌خواهی وجود دارد که قابلیت اندازه‌گیری دارند. دسته‌بندی نمونه‌ها، میزان رقیق‌سازی نمونه و شرایط انکوباتور BOD، حجم نمونه‌ای که برای اندازه‌گیری BOD مورد نیاز است را تعیین می‌کند. به عنوان مثال، UBOD نشان‌دهنده میزان اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی برای تجزیه تمامی مواد آلی و همچنین اکسیژن لازم برای اکسیداسیون ترکیبات نیتروژن است.
عوامل متعددی مانند میزان انحلال ترکیبات آلی، ته‌نشینی و وجود جامدات معلق و شناور، اکسیداسیون ترکیبات آهن و سولفور، و همچنین عدم اختلاط می‌توانند بر دقت و صحت اندازه‌گیری‌های BOD تأثیر بگذارند. در حال حاضر، هیچ روشی برای اندازه‌گیری BOD وجود ندارد که بتواند تأثیر این پارامترها را به طور کامل حذف کند.
از نظر تاریخی، نیتروژن‌خواهی به عنوان یک معیار برای تعیین BOD در نظر گرفته شده است. اما امروزه می‌توان با استفاده از یک ماده شیمیایی محدودکننده، تداخل نیتروژن‌خواهی را برطرف کرد. در صورت عدم استفاده از این ماده شیمیایی، اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی BOD نشان‌دهنده مجموع نیتروژن‌خواهی و کربن‌خواهی خواهد بود. نیتروژن‌خواهی را می‌توان به طور دقیق بر اساس نیتروژن آمونیاکی تخمین زد و کربن‌خواهی را نیز بر اساس سوبسترا که به طور تئوریکی معادل با اکسیداسیون نیتروژن است، تعیین کرد.
اهمیت سیستم هوادهی در تصفیه فاضلاب
از منظر تاریخی، نیتروژن‌خواهی به عنوان معیاری برای تعیین BOD شناخته شده است. اما امروزه می‌توان با استفاده از یک ماده شیمیایی محدودکننده، اثر نیتروژن‌خواهی را کاهش داد. در صورت عدم استفاده از این ماده، اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی BOD نشان‌دهنده مجموع نیتروژن‌خواهی و کربن‌خواهی خواهد بود. نیتروژن‌خواهی را می‌توان به دقت بر اساس نیتروژن آمونیاکی تخمین زد و کربن‌خواهی را نیز می‌توان بر اساس سوبسترا که به طور تئوریکی معادل با اکسیداسیون نیتروژن است، تعیین کرد.
سیستم هوادهی چه زمانی استفاده می‌شود؟
در فرآیند تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی، هوادهی بخشی از مرحله‌ای است که به عنوان تصفیه ثانویه شناخته می‌شود. یکی از رایج‌ترین روش‌ها در این مرحله، فرآیند لجن فعال است. در این روش، هوا به داخل مخزن پمپاژ می‌شود که موجب رشد میکروبی در فاضلاب می‌گردد. میکروب‌ها از مواد آلی تغذیه کرده و گله‌هایی را تشکیل می‌دهند که به راحتی ته‌نشین می‌شوند. پس از آنکه این میکروب‌ها در یک مخزن ته‌نشینی جداگانه مستقر شدند، باکتری‌های تشکیل‌دهنده گله‌های “لجن فعال” به طور مداوم به حوضه هوادهی بازگردانده می‌شوند تا سرعت تجزیه افزایش یابد. سیستم هوادهی اکسیژن لازم را برای باکتری‌ها فراهم می‌کند تا فرآیند تثبیت و تصفیه فاضلاب به درستی انجام شود، زیرا اکسیژن یکی از نیازهای اساسی باکتری‌ها برای تجزیه بیولوژیکی است.
اکسیژن تولید شده توسط باکتری‌های موجود در فاضلاب برای تجزیه مواد آلی حاوی کربن و تولید دی‌اکسید کربن و آب به کار می‌رود. در صورت عدم وجود اکسیژن کافی، باکتری‌ها نمی‌توانند مواد آلی ورودی را در زمان مناسب به‌طور بیولوژیکی تجزیه کنند. در غیاب اکسیژن محلول، تجزیه باید در شرایط سپتیک انجام شود که این فرآیند به‌طور کندی صورت می‌گیرد و منجر به تبدیل ناقص آلاینده‌ها می‌شود. در شرایط سپتیک، برخی از فرآیندهای بیولوژیکی هیدروژن و گوگرد را تبدیل کرده و سولفید هیدروژن تولید می‌کنند و کربن را به متان تبدیل می‌نمایند. کربن همچنین به اسیدهای آلی تبدیل می‌شود که باعث کاهش pH در حوضچه می‌گردد و تصفیه آب را دشوارتر کرده و بوی نامطبوعی ایجاد می‌کند.
تخریب زیستی مواد آلی در شرایط بدون اکسیژن یک فرآیند بیولوژیکی بسیار کند است که به نام فرآیند بی‌هوازی شناخته می‌شود. این روش به دلیل نوع فاضلاب، در برخی صنایع مانند صنایع لبنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
چرا سیستم هوادهی برای تصفیه فاضلاب مهم است؟
سیستم هوادهی، اصلی‌ترین جزء یک سیستم تصفیه آب و فاضلاب مبتنی بر فرآیند لجن فعال به شمار می‌آید. طراحی مناسب این سیستم تأثیر مستقیمی بر کیفیت تصفیه فاضلاب دارد. تأمین و توزیع یکنواخت اکسیژن در سیستم هوادهی، عامل کلیدی در دستیابی به تصفیه سریع، اقتصادی و مؤثر فاضلاب است. علاوه بر این، فرآیندهای بیولوژیکی مانند MBR، MBBR، SBR و RBC نیز به حضور اکسیژن برای تصفیه مؤثر نیاز دارند.
چگونه می توان سیستم هوادهی مناسب برای تصفیه فاضلاب را انتخاب کرد؟
زمانی که قصد دارید سیستم هوادهی مناسبی برای نیازهای تصفیه فاضلاب خود انتخاب کنید، عوامل زیر می‌توانند در تعیین بهترین گزینه تأثیرگذار باشند:
- هزینه‌های نگهداری، مصرف انرژی و اهداف سرمایه‌گذاری شما
- حجم کلی فاضلاب
- نیاز به اکسیژن برای تصفیه فاضلاب
- شرایط جوی و موقعیت جغرافیایی تأسیسات
- الزامات کارایی
- ابعاد مخزن
اهداف کاهش تعمیر و نگهداری سیستم هوادهی
هنگام بررسی تمامی گزینه‌های موجود، مهم است که تأثیر سیستم بر روی اندازه‌های مختلف مخزن را ارزیابی کنید. به عنوان مثال، هواده‌های حباب پراکنده در مخازن کوچک کارایی کمتری دارند. همچنین باید مشخص کنید که در هر زمان مشخص چه مقدار فاضلاب را تصفیه می‌کنید. به عنوان نمونه، هوادهی نوع اسپری معمولاً نمی‌تواند به اندازه هواده‌های حباب پراکنده و برج‌های بسته، فاضلاب را تصفیه کند. ممکن است بخواهید پس از تصفیه پساب، به اندازه‌گیری آن نیز توجه کنید که این کار می‌تواند با استفاده از انواع حسگرها انجام شود. همچنین، حسگرهای مختلفی وجود دارند که برای تعیین کیفیت آب به کار می‌روند، از جمله سنسورهای pH و حسگرهای هدایت الکتریکی.
شما همچنین می‌توانید از حسگر اکسیژن محلول بهره‌برداری کنید، زیرا هوادهی به‌طور مستقیم میزان اکسیژن محلول در آب را افزایش می‌دهد. برای نیازهای پکیج تصفیه فاضلاب، توصیه می‌شود که یک سنسور با عمر طولانی انتخاب کنید که دقت بالایی در عملکرد داشته باشد. یکی دیگر از سنسورهای مهم در فرآیند تصفیه، سنسورهای BOD و COD هستند.
تعمیر و نگهداری سیستم هوادهی
پس از انتخاب سیستم هوادهی مناسب با نیازهای خود، احتمالاً تمایل دارید که به‌طور منظم به تعمیر و نگهداری آن بپردازید. حفظ یک سیستم هوادهی اهمیت زیادی دارد، زیرا عدم توجه به تعمیر و نگهداری می‌تواند منجر به کاهش کارایی و اثر بخشی سیستم شود و در نتیجه هزینه‌های عملیاتی شما را افزایش دهد. در صورتی که از سیستم هوادهی حباب پراکنده یا هوادهی برج بسته استفاده می‌کنید، باید دمنده را با تعویض فیلترهای هوای قدیمی و روغن‌کاری موتور به‌خوبی نگهداری کنید.
زمانی که از یکی از سه نوع سیستم هوادهی موجود استفاده می‌کنید، تهویه مناسب در منطقه نیز اهمیت زیادی دارد. همچنین، سینی‌ها و مخازن موجود در سیستم هوادهی باید به‌طور دوره‌ای تمیز شوند تا از تجمع زنگ‌زدگی، جلبک‌ها و گوگرد جلوگیری شود. این کار برای حفظ کارایی سیستم شما ضروری است، زیرا این مواد می‌توانند عملکرد آن را کاهش دهند.