7. 8.2 Phương pháp xác định quá trình lũ
11.2.2. Nhu cầu oxy sinh học BOD
1. Khái niệm
Các chất bẩn trong nước phần lớn là các chất hữu cơ, chúng không phải là những chất độc cho các sinh vật sống. Chúng không ảnh hưởng đến độ pH. Trong nước, hầu hết các chất hữu cơ bị tác động phân huỷ của các vi sinh vật thành các hợp chất đơn giản. Trong quá trình đó vi sinh vật cần ôxy. Nếu lượng chất hữu cơ trong nước càng lớn và mật độ vi sinh vật càng cao thì lượng ôxy cần thiết cho quá trình phân huỷ
yêu cầu càng nhiều. Lượng ôxy cần thiết để các vi sinh vật phân huỷ các chất hữu cơ trong một đơn vị mẫu nước là nhu cầu ôxy sinh học BOD. Đơn vị của BOD là mg/l. Thông thường để xác định BOD người ta phân tích mẫu nước trong điều kiện nhiệt độ 200 C trong thời gian 5 ngày. BOD đo được gọi là BOD5.
Phân tích BOD trong một mẫu nước thí nghiệm chứa trong một bình thủy tinh có thể thấy quá trình sử
dụng ôxy của tế bào vi sinh vật chia thành hai giai đoạn. Đầu tiên nhân của tế bào vi sinh vật dùng ôxy để
phân huỷ các chất hữu cơ, lấy năng lượng cho nó lớn lên. Giai đoạn này diễn ra trong khoảng từ 18 đến 36 giờ. Tiếp theo là giai đoạn các tế bào vi sinh vật dùng ôxy để ôxy hoá hay cho quá trình trao đổi chất bên trong các tế bào vi sinh vật. Giai đoạn này không dài hơn 20 ngày. Tốc độ của phản ứng trong giai đoạn
đầu thường gấp từ 10 đến 20 lần tốc độ của giai đoạn sau, nên đường cong BOD trong giai đoạn đầu cũng rất dốc, sau thoải dần.
178
2. Công thức BOD
Quá trình sử dụng ôxy trong thí nghiệm trên có thể biểu thị dưới dạng công thức toán học như sau: Gọi L là lượng ôxy hòa tan trong nước. Trong quá trình sử dụng ôxy của vi sinh vật, sự biến đổi của L
theo thời gian có dạng:
KL dt
dL =− (11.1) trong đó: K- hệ số tốc độ trung bình của phản ứng trung bình BOD.
Tích phân ta được:
Lt = L0e-Kt (11.2) trong đó L0- tổng số lượng ôxy sử dụng trong phản ứng, Lt - BOD còn lại thời điểm t.
Đặt y = L0- Lt thì y là tổng số ôxy đã sử dụng hoặc BOD đã sử dụng sau thời gian t, thì phương trình (11.2) có thể viết thành:
y = L0(1- e -Kt) (11.3) hoặc
y = L0(1 - 10K't) (11.4) trong đó: K' - hệ số tốc độ trung bình của phản ứng trên cơ sở cơ số 10. Quan hệ giữa K và K' như sau:
K = 2,303K'
Loại nước thải K'(1/ ngày) Nước thải chưa xử lý 0,15- 0.28
Nước thải đã qua bộ phận lọc 0,12 - 0,22 Nước thải đã xử lý vi sinh vật 0,06 - 0,10
Nước sông ít nhiễm bẩn 0,04 - 0,08
Trong phương trình (11.3) hệ sốK phụ thuộc số lượng và đặc tính tự nhiên của những chất hữu cơ có trong nguồn nước thải. Đối với dòng nước thải giàu chất hữu cơ, tốc độ sử dụng ôxy trong giai đoạn một rất nhanh nên hệ sốK lớn. Đối với dòng nước thải đã xử lý, lượng chất hữu cơ còn thấp, cho nên hầu hết lượng ôxy dùng trong giai đoạn 2. Hệ sốK trong trường hợp này thấp hơn ở trường hợp trên nhiều.
Hai hệ sốK, K'đều là ẩn số trong phương trình BOD, chúng có thể tính toán gián tiếp dựa vào số liệu thực đo.
3. Sự ôxy hoá trong phản ứng BOD.
Sự ôxy hoá trong thí nghiệm BOD như trên xảy ra thành hai giai đoạn:
Ôxy hoá các hợp chất chứa các bon (các bon nát hoá) và ôxy hoá các hợp chất chứa nitơ (nitơ rát hoá). Sự ôxy hoá các hợp chất chứa các bon xảy ra đầu tiên và được thể hiện như phương trình BOD (11.3)
) 1 ( 0 Kt e L y= − − và theo quá trình CxHyOz ™ CO2 + H2O
Sự ôxy hoá hợp chất chứa ni tơ tiếp sau quá trình các bô nát hoá theo quá trình: NH3 ™ NO2™ NO3
với tốc độ chậm hơn.
Trong một sốđiều kiện, có thể cả hai quá trình ôxy hoá trên xảy ra đồng thời. Nhưng nói chung, sự ni tơ rát hoá chỉ bắt đầu khi nhu cầu các bon đã thoả mãn. Biểu thức toán học của phản ứng sẽ gồm hai phần.
) 1 ( ) 1 ( 1 2 0 t K N t K L e e L y = − − + − − trong đó:
L0 - nhu cầu ôxy hoá tối đa cho các bon nát nát hoá;
LN - nhu cầu ôxy hoá tối đa cho ni tơ rát hoá
K1 - hệ số tốc độ của sự các bon nát hoá;
K2- hệ số tốc độ của sự ni tơ rát hoá.