Chương 5: Nhu cầu oxy hóa

Chương 5: Nhu cầu oxy hóa

GREEN EYE ENVIRONMENT CễNG TY MễI TRNG TM NHèN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com ThS: Huyứnh Ngoùc Phửụng Mai â Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved. Xin ghi rừ ngun khi bn phỏt hnh li thụng tin t trang ny. 5-1 CHNG 5 NHU CU OXY SINH HểA 5.1 GII THIU CHUNG Nhu cu oxy sinh húa (BOD) l lng oxy cn thit vi sinh vt oxy húa cỏc cht hu c cú kh nng phõn hy sinh hc trong iu kin hiu khớ. Khỏi nim cú kh nng phõn hy cú ngha l cht hu c cú th dựng lm thc n cho vi sinh vt. BOD l mt trong nhng ch tiờu c dựng ỏnh giỏ mc gõy ụ nhim ca cỏc cht thi sinh hot, nc thi cụng nghip v kh nng t lm sch ca ngun nc. Ch tiờu BOD c xỏc nh bng cỏch o c lng oxy m vi sinh vt tiờu th trong quỏ trỡnh phõn hy cỏc cht hu c. Cỏc mu phi c bo qun trỏnh tip xỳc vi khụng khớ ngn cn oxy thụng khớ hũa tan vo nc khi hm lng oxy hũa tan trong mu gim. Do hm lng oxy hũa tan bóo hũa trong nc t khong 9 mg/L 20 0 C, nhng loi nc thi cú hm lng cht hu c cao phi c pha loóng thớch hp bo m lng oxy hũa tan phi tn ti trong sut quỏ trỡnh thớ nghim. Phõn tớch BOD ỏp dng quỏ trỡnh sinh hc nờn phi khng ch iu kin mụi trng thớch hp cho s sinh trng ca cỏc vi sinh vt. Cỏc cht c hi i vi vi sinh vt phi c loi khi dung dch. Tt c cỏc thnh phn dinh dng cn thit cho s phỏt trin ca vi sinh vt nh N, P v nhng nguyờn t vi lng phi c b sung. Quỏ trỡnh oxy húa hon ton cỏc cht hu c di tỏc dng ca vi sinh vt s to thnh CO 2 v H 2 O. Do ú, vi sinh vt c b sung trong phõn tớch BOD c gi l seed. Phng trỡnh phn ng tng quỏt cú th biu din nh sau: C n H a O b N c + (n + a/4 - b/2 - 3/4c)O 2 nCO 2 + (a/2 3/2c)H 2 O + NH 3 (5 - 1) Vn tc phn ng phõn hy cht hu c trong thớ nghim BOD ph thuc vo nhit v nng cht hu c cú trong mu phõn tớch. loi tr nh hng ca nhit , thớ nghim c tin hnh 20 0 C. Theo lý thuyt, phn ng cú th xem l hon ton trong vũng 20 ngy, õy l khong thi gian khỏ di. Kinh nghim cho thy, t l BOD 5 /BODtng cng tng i cao nờn thi gian 5 ngy l hp lý. T l ny cao hay thp tựy thuc vo c tớnh ca seed v bn cht ca cht hu c. Nc thi sinh hot v nhiu loi nc thi cụng nghip cú BOD 5 = 70 80% BOD tng. Thi gian 5 ngy cũn cú tỏc dng loi tr nh hng ca quỏ trỡnh oxy húa ammonia do Nitrosomonas v Nitrobacter gõy ra. 5.2 BN CHT CA PHN NG BOD Nhng nghiờn cu ng hc cho thy rng phn ng BOD l phn ng bc 1 cú ngha l vn tc phn ng t l thun vi lng cht hu c cú kh nng phõn hy sinh hc. Tc phn ng c biu din nh sau: GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRNG TM NHÌN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com ThS: Huyønh Ngoïc Phöông Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved. Xin ghi rõ ngun khi bn phát hành li thông tin t trang này. 5-2 Ck dt dC ' =− (5 - 2) C dt dC =− Trong đó, C đc trng cho nng đ ca cht hu c có kh nng oxy hóa, t là thi gian và k’ là hng s tc đ phn ng. Nh vy, vn tc phn ng gim khi nng đ cht hu c C gim. Trong phân tích BOD, L thng đc dùng thay cho C: -dL/dt biu din tc đ phân hy cht hu c. Ly tích phân hai v Phng trình (5 – 3) ta có: kttk t e L L −− ==− 10 ' Trong đó, k = k’/2,303, công thc này biu din lng cht hu c còn li sau khong thi gian t bt k. Nu gi y là BOD ti thi đim t và L là lng BOD tng hoc BOD cc đi: y = L (1 – 10 -kt ) Giá tr k phi đc xác đnh bng thc nghim. Vì phn ng phân hy cht hu c BOD là phn ng bc 1, đ th biu din lng cht hu c còn li theo thi gian có dng parabol tng t đng cong phân rã ca mt nguyên t phóng x. Do đó, đ th mô t lng cht hu c b oxy hóa theo thi gian s là đng parabol đi xng (Hình 5.1). Vì lng oxy đc dùng t l thun vi lng cht hu c b oxy hóa, đ th biu din lng oxy s dng theo thi gian cng có dng parabol nh đng mô t lng cht hu c b oxy hóa  Hình 5.1. Hình 5.2 biu din đng cong BOD hay oxy tiêu th theo thi gian. Lk dt dC ' =− (5 - 3) (5 - 4) GREEN EYE ENVIRONMENT CƠNG TY MƠI TRNG TM NHÌN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved. Xin ghi rõ ngun khi bn phát hành li thơng tin t trang này. 5-3 Chất hữu cơ Chất hữu cơ oxy hóa Chất hữu cơ còn lại -dC/dt = k ’ C Thời gian (ngày) Hình 5.1 Cht hu c b oxy hố Hình 5.2 ng cong BOD (a) ng cong chun đi vi q trình oxy hóa cht hu c. (b) nh hng ca s nitrat hóa. Trong mt s trng hp cn dùng “seed” trong phân tích BOD. “Seed” có th cha vi khun nitrat hóa có kh nng oxy hóa cht khơng cha carbon ch o nng lng. Vi khun nitrat hóa thng tn ti vi lng tng đi nh trong nc thi sinh hot cha x lý và điu may mn là tc đ tái sinh ca chúng  20 0 C ca chúng khơng q ln đ dùng mt lng đáng k oxy trong vòng 8 – 10 ngày đu trong thí nghim BOD. Khi các sinh vt này phát trin, chúng oxy hóa nit  dng ammonia thành các acid HNO 2 và acid HNO 3 gây sai s đáng k cho thí nghim BOD. nitrosomonat 2NH 3 + 3O 2 2NO 2 - + 2H + + 2H 2 O (5 - 5) nitrobacter 2NO 2 - + 3O 2 2NO 3 - + 2H + (5 - 6) Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) Thời gian (ngày) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 (b) (a) Đường cong đối với nhu cầu liên kết (carbonate ceous + sự nitrat hóa) Đường cong đối với nhu cầu có carbon ở 20 o C y = L (1-10 -kt ) Giá trò L GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRNG TM NHÌN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com ThS: Huyønh Ngoïc Phöông Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved. Xin ghi rõ ngun khi bn phát hành li thông tin t trang này. 5-4 Không th dùng ch tiêu BOD đ xác đnh lng nit có trong mu vì nit đc thêm vào nc pha loãng đ cung cp cht dinh dng cn thit cho vi sinh vt nên s dn đn sai s cho kt qu thí nghim.  loi tr nh hng do quá trình nitrat hóa gây ra, thi gian  trong thí nghim BOD đc qui đnh là 5 ngày. i vi nc thi có cha nhiu nitrat nh nc thi sau x lý sinh hc, nh hng ca vi khun nitrat hóa đc ngn chn bng nhng tác nhân c ch nh methylene blue hoc allylthourea (ATU). Mc đ nitrat hóa cng có th đc làm gim đáng k nh quá trình kh trùng bng clo. Mu nc sông và ca sông thng cha lng đáng k vi sinh vt nitrat hóa. Hn na, s phát trin ca to cng gây ra sai s cho giá tr BOD. 5.3 PHNG PHÁP XÁC NH BOD Ch tiêu BOD đc xác đnh bng cách phân tích hàm lng oxy hòa tan. Thng mu phân tích có hàm lng cht hu c cao nên cn phi pha loãng. Tuy nhiên, khi hàm lng cht hu c trong mu thp, có th tin hành phân tích trc tip, không phi pha loãng mu. Phng pháp trc tip Vi mu có BOD5 không vt quá 7 mg/L, không pha loãng, ch cn sc khí đ đt oxy bão hòa thích hp lúc bt đu thí nghim. Trng hp này thng thy đi vi nc sông. Hai hoc nhiu chai BOD đng đy mu. Mt chai đc dùng đ phân tích ngay hàm lng oxy hòa tan (DO 0 ) và nhng chai còn đc  5 ngày  20 0 C. Sau 5 ngày, xác đnh hàm lng oxy hòa tan còn li (DO 5 ). BOD 5 = DO 0 – DO 5 . Phng pháp trc tip xác đnh BOD không bin đi mu, do đó cho kt qu  điu kin gn nh tng t vi môi trng t nhiên. Phng pháp pha loãng Phng pháp pha loãng đ xác đnh BOD da trên c s tc đ phân hy sinh hóa cht hu c t l thun vi lng cht hu c cha b oxy hóa tn ti  mt thi đim nào đó. Trong thí nghim phân tích ch tiêu BOD cn (1) tránh các cht đc hi đi vi vi sinh vt, (2) pH và điu kin thm thu phi thích hp, (3) cht dinh dng, (4) nhit đ tiêu chun và (5) seed. Nhiu nc thi công nghip có BOD5 rt cao nên phi pha loãng nhiu ln do kh nng hòa tan gii hn oxy trong nc. Nc thi sinh hot cha nhiu cht dinh dng GREEN EYE ENVIRONMENT CễNG TY MễI TRNG TM NHèN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com ThS: Huyứnh Ngoùc Phửụng Mai â Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved. Xin ghi rừ ngun khi bn phỏt hnh li thụng tin t trang ny. 5-5 nh N v P, trong khi ú nhiu cht thi cụng nghip thiu mt hoc ụi khi c hai nguyờn t ny. Do ú, vic s dng nc pha loóng l cn thit. Nc pha loóng Nhiu loi nc c th dựng lm nc pha loóng trong thớ nghim BOD. Nc thiờn nhiờn cú th cha to v vi khun nitrat húa, hm lng khoỏng thay i, . nờn khụng thớch hp. Nc mỏy cng chu hu ht nhng hn ch ca cỏc dng nc b mt thờm vo ú l tớnh kh ca phn clo cũn li. Kinh nghim cho thy dựng nc pha loóng tng hp iu ch t nc ct hoc nc ó kh khoỏng l tt nht. pH ca nc pha loóng cú th thay i t 6,5 n 8,5 khụng gõy nh hng n hot ng ca vi khun saprophytic. Thng m dung dch bng hn hp phosphate pH 7,0. Dung dch m dựng duy trỡ pH thớch hp. iu kin thm thu thớch hp c duy trỡ bng K 3 PO 4 v Na 3 PO 4 . Cỏc mui K, Na, Ca v Mg thờm vo to kh nng m v thm thu thớch hp cng gúp phn cung cp cn thit cho s sinh trng v trao i cht ca vi sinh vt. FeCl 3 , MgSO 4 v NH 4 Cl cung cp Fe, S v N. Dung dch m phosphate nhm cung cp P. Trong trng hp nhu cu oxy cú cha nit phi c o, cn phi loi nit. Nc pha loóng cha tt c nhng cht ch yu xỏc nh BOD tr vi sinh vt cn thit. Nhiu cht ó c dựng lm seed. Kinh nghim cho thy rng nc thi sinh hot, c bit l nc t h thng cng chung l thớch hp, thng dựng 2 mL nc thi cho mt lớt nc pha loóng. Mt s loi nc sụng cng tha yờu cu, nhng phi cn thn trỏnh dựng nc cú cha nit phi c o, cn phi loi nit. Trong trng hp phi cung cp seed, nc pha loóng cn phi c hũa trn vi seed v cỏc cht dinh dng trc khi thớ nghim bo m tớnh ng nht ca nc pha loóng s dng. Cui cựng, nc pha loóng phi c sỳc khớ n khi t bóo hũa oxy trc khi s dng. S pha loóng nc thi Ngi phõn tớch t quyt nh mc pha loóng mu, thụng thng nờn pha loóng 3 t l khỏc nhau. Khi nng ca mu trong khong c bit, ch cn pha loóng 2 t l khỏc nhau l . i vi mu khụng bit trc nng , trong nhiu trng hp cn phi pha loóng 4 t l khỏc nhau. Mu phõn tớch phi m bo cú ớt nht 0,5 mg/L oxy hũa tan thi im cui ca giai on . Bng 5.1 biu din t l pha loóng cn thit tớnh theo % hoc ly trc tip vo chai BOD (dung tớch 300 mL) bng pipet. GREEN EYE ENVIRONMENT CễNG TY MễI TRNG TM NHèN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com ThS: Huyứnh Ngoùc Phửụng Mai â Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved. Xin ghi rừ ngun khi bn phỏt hnh li thụng tin t trang ny. 5-6 Bng 5.1 T l pha loóng mu da trờn nng BOD d oỏn % hn hp Dựng pipet ly mu vo chai BOD 300 mL % hn hp Khong BOD mL Khong BOD 0,01 20.000 70.000 0,02 30.000 105.000 0,02 10.000 35.000 0,05 12.000 42.000 0,05 4.000 14.000 0,10 6.000 21.000 0,1 2.000 7.000 0,20 3.000 10.500 0,2 1.000 3.500 0,50 1.200 4.200 0,5 400 1.400 1,0 600 2.100 1,0 200 700 2,0 300 420 2,0 100 350 5,0 60 210 5,0 40 140 10,0 30 105 10,0 20 70 20,0 12 42 20,0 10 35 50,0 6 21 50,0 4 14 100 0 7 100 0 - 4 300 Trong quỏ trỡnh phi niờm ming chai BOD bng mt mng khớ ngn khụng khớ hũa tan vo chai. Chai BOD phi c ra sch dung dch acid chromic hoc nc ty ra. Nu dựng nc ty ra, chai phi c ra li bng nc núng dit vi khun nitrat húa. Sau ú ra li tht k bng nc mỏy v trỏng ln cui bng nc ct hoc nc ó kh khoỏng. Oxy hũa tan ban u Vi nhng mu cú BOD < 200 mg/L, lng mu > 1,0%, kt qu phõn tớch s sai s ỏng k nu oxy hũa tan ca mu khỏc vi oxy hũa tan ca nc pha loóng v khụng th hiu chnh c. Nu t l pha loóng < 20%, mu c n nh nhit 20 0 C, sc khớ n bóo hũa, khi ú xem nh mu cú cựng nng oxy hũa tan vi nc pha loóng. Do ú, khụng cn phi xỏc nh nng oxy hũa tan ca mu. Nu t l pha loóng > 20%, cn phi xỏc nh nng oxy hũa tan ca mu. Trong phõn tớch BOD, gim nng oxy hũa tan sau 5 ngy phi hn 2 mg/L v nng oxy hũa tan cũn li phi ln hn 0,5 mg/L, sai s thớ nghim khong 5%. 5.4 VN TC CA QU TRèNH OXY HểA SINH HểA Hng s tc ca phn ng phõn hy cht hu c BOD c xem l k =0,10/ngy 20 0 C. Giỏ tr ny cú c t nhiu nghiờn cu v nc sụng b ụ nhim v nc thi sinh hot M v Anh. Kt qu thớ nghim i vi nc thi cụng nghip s dng nc pha loóng tng hp cho thy k > 0,10/ngy v giỏ tr k ca cỏc loi nc thi khỏc nhau. Giỏ tr k ca nc thi sinh hot thay i ỏng k mi ngy v giỏ tr trung bỡnh l 0,17/ngy, khỏc vi giỏ tr 0,10/ngy nh ó xỏc nh trc õy. Cỏc giỏ tr k ca nc thi ó qua x lý sinh hc s thp hn nc thi cha x lý. Yu t khỏc nh hng n kt qu o c BOD l nhit . Bin thiờn BOD theo thi gian c biu din Bng 5.2. GREEN EYE ENVIRONMENT CễNG TY MễI TRNG TM NHèN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com ThS: Huyứnh Ngoùc Phửụng Mai â Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved. Xin ghi rừ ngun khi bn phỏt hnh li thụng tin t trang ny. 5-7 Bng 5.2 í ngha quan trng ca hng s tc phn ng k i vi BOD % BOD tng s dng Thi gian (ngy) k = 0,05 k = 0,10 k = 0,15 k = 0,20 k = 0,25 1 10,9 20,6 29,2 36,9 43,8 2 20,6 37 50 60 68 3 29 50 64 75 82 4 37 60 75 84 90 5 44 68 82 90 94 6 50 75 87 94 97 7 55 80 91 96 98 10 68 90 97 99 99 20 90 99 99 99 99 Bng 5.2 cho thy phn ng BOD thay i rt ln tựy thuc vo tc phn ng. Cỏc giỏ tr BOD 5 bng khong 68% BOD tng k = 0,1/ngy v bng 94% khi k = 0,25%/ngy. í ngha quan trng ca k trong vic xỏc nh hng phỏt trin phn ng BOD c minh ha Hỡnh 5.3. i vi mt cht thi cú giỏ tr L cho trc, giỏ tr BOD 5 s thay i ỏng k trong vũng 15 ngy. Trc õy, thng biu din BOD 5 ngy theo L bng cỏch cho k = 0,10/ngy. Hỡnh 5.4 cho thy giỏ tr L ca mt mu vi BOD 5 = 200 thay i theo giỏ tr k. Hỡnh5.3 nh hng ca hng s tc i vi BOD ( mt giỏ tr L cho trc). 300 250 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 Thụứi gian (ngaứy) BOD (mg/L) k = 0,30 k = 0,15 k = 0,10 k = 0,08 GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRNG TM NHÌN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com ThS: Huyønh Ngoïc Phöông Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved. Xin ghi rõ ngun khi bn phát hành li thông tin t trang này. 5-8 Tc đ phn ng thay đi theo (1) bn cht ca cht hu c và (2) kh nng các sinh vt hin có s dng cht hu c. 5.5 S KHÁC NHAU GIA CÁC GIÁ TR L VÀ NHNG GIÁ TR NHU CU OXY THEO LÝ THUYT Trc đây, giá tr BOD tng cng hay L ca các cht hu c đc xem bng nhu cu oxy theo lý thuyt khi đc tính t Phng trình hóa hc tng ng (xem Phng trình 5.10). Ví d, s oxy hóa glucose thành CO 2 và nc cn 192 gO 2 /mol hoc 1,065 mLO 2 /mol glucose. C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O (5 - 10) BOD ca dung dch glucose có nng đ 300 mg/L theo lý thuyt là 320 mg/L. Thc t, BOD 20 dao đng t 250 đn 285. Nh vy, không phi tt c glucose đc chuyn thành CO 2 và H 2 O.  vi sinh vt oxy hóa cht hu c, cht hu c phi là thc n cn thit cho s sinh trng và phát trin ca vi sinh vt. Nh vy, mt phn cht hu c đc chuyn vào mô t bào và di trì không b oxy hóa cho đn khi vi sinh vt s dng các cht hu c này trong quá trình hô hp ni bào. Khi vi sinh vt cht chúng tr thành thc n cho vi sinh vt khác và bin thành carbonic và nc. Vi sinh vt sng cng nh cht, dùng làm thc n cho nhng sinh vt cao cp hn chng hn nguyên sinh đng vt. Lng cht hu c còn li không b phân hy sinh hc là bùn. 5.6 S KHÁC NHAU GIA TC  QUAN SÁT C VÀ TC  BC I Kho sát giá tr BOD ca các cht hu c hòa tan vi gi thit phn ng “bc 1”. Trong nhiu trng hp, bin thiên BOD xy ra theo hai pha tng t nh Hình 5.2. Tuy nhiên, pha th hai không phi do s nitrat hóa mà do tác dng bc 2 ca protozoa: trong mt hoc hai ngày đu ca giai đon , cht hu c hòa tan b tiêu th nhanh, khong 30% đn 50% b oxy hóa và phn còn li đc chuyn vào t bào vi sinh vt. Khi s chuyn hóa này đc hoàn thành, tc đ oxy hóa gim do quá trình hô hp ni bào ca vi sinh vt. Mt hoc hai ngày sau tc đ oxy hóa tng lên bc hai do s tng mt đ protozoa – dùng vi sinh vt làm thc n. Nh vy, protozoa cng đóng vai trò rt quan trng trong thí nghim BOD. 5.7 NG DNG CA S LIU BOD S liu BOD đc dùng rng rãi trong thc t k thut môi trng. BOD là ch tiêu quan trng đ đánh giá tính cht nc thi sinh hot và nc thi công nghip. BOD là ch tiêu duy nht đ xác đnh lng cht hu c có kh nng phân hy sinh hc. BOD còn là ch tiêu đánh giá làm t sch các ngun nhn và là tiêu chun đ kim tra cht lng ca các dòng thi vào ngun nc này. BOD là c s đ chn phng pháp x lý và xác đnh kích thc ca nhng thit b và đ đánh giá hiu qu ca tng đn v trong h thng x lý. . thụng tin t trang ny. 5-1 CHNG 5 NHU CU OXY SINH HểA 5.1 GII THIU CHUNG Nhu cu oxy sinh húa (BOD) l lng oxy cn thit vi sinh vt oxy húa cỏc cht hu c cú kh nng. - + 2H + (5 - 6) Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) Thời gian (ngày) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 (b) (a) Đường cong đối với nhu cầu liên kết (carbonate