BOD5 là lượng oxi hòa tan bị tiêu thụ bởi vi sinh vật để ơxi hóa các chất hữu cơ và / hoặc chất vô cơ trong 5 ngày ở 20± 1oC. Nhu cầu oxygen bao gồm các loại sau:
+ Q trình ơxi hóa các chất hữu cơ dễ phân huỷ bởi vi sinh vật bao
gồm: cacbonhydrat (cellulose, tinh bột, đường), protein, hydrocacbon dầu mỏ…Thứ tự bị phân huỷ là đường, protein, sau đó là tinh bột, chất béo. Các chất như cellulose, tannin, lignin, kitin bền vững, khó phân hủy.
+ Q trình ơxi hóa hố học các hợp chất vơ cơ, thường gặp nhất là sunfua, Fe(II) góp phần vào giá trị BOD và ta không thể khắc phục được sai số này.
+ Q trình nitrat hố các dạng khử hợp chất nitrogen (amoni, các hợp chất hữu cơ N) gây tiêu hao oxygen, gọi chung là nhu cầu oxy sinh hóa hợp chất nitơ (Nitrogenous BOD). Ta có thể khắc phục bằng cách cho vào 1 hóa chất ức chế quá trình nitrat hóa. Lúc này phép đo là tổng nhu cầu oxy sinh hóa hợp chất cacbon
(Carbonaceous BOD).
Chất hữu cơ trong nước đóng vai trị là thức ăn cho các vi sinh vật dị dưỡng. Khi phân hủy chất hữu cơ thành các chất vô cơ không độc hại (CO2, NO3, SO4, PO4 - q trình khống hố) thì vi sinh vật hiếu khí cũng đồng thời tiêu thụ oxy hoà tan. Oxy hoà tan trong nước bị tiêu thụ quá nhanh trong khi oxy khơng khí khuếch tán vào chậm thì các sinh vật cần ơxy hơ hấp sẽ chết, kể cả vi sinh vật hiếu khí nói trên. Khi đó, vi sinh vật kỵ khí sẽ chiếm ưu thế và phân huỷ chất hữu cơ thành các hợp chất mùi thối hay độc hại như NH3, H2S, CH4, do đó, nước càng trở nên ơ nhiễm hơn. Tốc độ phân huỷ kỵ khí thường chậm và khơng hồn tồn.
Để ơxy hóa hết chất hữu cơ cần thời gian từ 21-28 ngày, theo quy ước 20 ngày là thời gian đủ để ơxy hóa hồn tồn (BODu). Như thế thời gian xác định quá dài. Trong thực tế, phép đo BOD thực hiện trong 5 ngày, quá trình oxy hóa chỉ đạt 60-70%. Ngồi ra, BOD 5 ngày sẽ tránh được sai số do q trình nitrat hóa vốn thường xảy ra từ ngày thứ 5 đến ngày thứ 7.
Phản ứng BOD xảy ra theo động học bậc 1 và được biểu diễn bằng phương trình:
3 1 3 2 6L k b= y = Lo (1 – e-kt) Trong đó:
Lo : giá trị BOD toàn phần (BODu) là lượng oxy tiêu thụ lớn nhất khi các chất hữu cơ trong nước thải bị phân huỷ sinh học hoàn toàn, mg/l.
y : BOD ở thời điểm ngày thứ t (BODt ), mg/l. k : hằng số tốc độ phản ứng BOD, ngày-1.
Đồ thị BOD trong 5 ngày có dạng hình hyperbol: BOD liên tục tăng nhưng mức tăng sẽ giảm dần. Đến đây, ta có nhiều phương pháp tính k, Lo khác nhau, trong đó phương pháp Thomas được dùng nhiều nhất. Qua nhiều thuật tốn biến đổi, ta có:
( ) t y k L k L t = + − 1 3 1 3 2 3 1 3 6
Vẽ đồ thị (t/BODt )1/3 theo t, đồ thị là đường thẳng với đoạn chắn b và hệ số góc a:
Suy ra: k = 6 b/a và L = 1/(ka)3
Vai trò của hằng số k rất quan trọng. Tỷ lệ BOD5 = 70% BODu cũng như BOD5:COD sẽ thay đổi nếu k thay đổi. Vì vậy khơng thể so sánh BOD5 nếu 2 mẫu giá trị k khác nhau. Khi mẫu chứa nhiều chất hữu cơ khó phân hủy và ở dạng lơ lửng thì k nhỏ (k=0,1) : BOD5 = 39% BODu , ngược lại khi k lớn (k=0,4) : BOD5 = 87% BODu
Bảng. Phân loại chất lượng nước theo BOD5
BOD5 (ppm) Chất lượng nước
1 - 2 Rất tốt
3 - 5 Tương đối sạch
6 - 9 Khá ô nhiễm
10+ Rất ơ nhiễm
Nước thải sinh hoạt có BOD5 khoảng 600 mg/l, sau khi xử lý là 20-100 mg/l. Phép thử BOD5 cũng như q trình phân huỷ hiếu khí có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ mặn, độ pH, vi khuẩn:
- Nhiệt độ: nhiệt độ tăng 10oC thì tốc độ phân huỷ tăng gấp đơi. Nhiệt độ tối ưu là từ 5 - 35oC. Khi nhiệt độ tăng từ 20o lên 30oC, tốc độ phân huỷ chất hữu cơ tăng 30%.
- Các yếu tố như độ mặn cao, độ pH quá axit hay quá kiềm, chất độc đối với sinh vật như các chất diệt khuẩn, các kim loại nặng, clorin tự do... gây ức chế, thậm
( )−13 = kL a
chí tiêu diệt vi khuẩn. Theo một nghiên cứu, các mẫu độ mặn cao có tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm đi 30%.
- Tảo trong bóng tối sẽ tiêu thụ ơxy. Khi tảo chết đi, vi khuẩn tiếp tục tiêu thụ ôxy để phân huỷ chất hữu cơ được giải phóng. Do đó phải lọc mẫu trước khi cho mẫu vào tủ ủ.
Với nước sông, giá trị BOD5 bằng khoảng 70% COD. Nước thải công nghiệp thường có giá trị BOD5 thấp hơn nhiều lần COD, cá biệt có trường hợp bằng khoảng 15% COD do:
• Chất hữu cơ nằm ở dạng khó phân hủy sinh học (chất hữu cơ tổng hợp, lignin, tanin, cellulose), hàm lượng C lớn nhưng chất dinh dưỡng N, P thấp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Chất hữu cơ nằm ở dạng chất rắn lơ lửng. Trên thực tế, quá trình BOD5 chủ yếu phân hủy chất hữu cơ nằm ở dạng hịa tan.
• Các yếu tố gây ức chế, tiêu diệt vi khuẩn như pH quá thấp hay quá cao, kim loại nặng và chất sát trùng, các chất độc hại.
So với COD, phép đo BOD mất thời gian hơn nhiều, độ đúng và độ lặp lại kém hơn (hệ số biến động CV khoảng 12% so với COD khoảng 6%), phụ thuộc nhiều vào hằng số tốc độ k, hoạt tính của vi khuẩn trong nước pha loãng. Phép đo COD cịn có ưu điểm thao tác đơn giản nếu sử dụng các ống có sẵn hóa chất. Tuy nhiên, BOD đặc trưng hơn do chỉ bao gồm các chất hữu cơ phân hủy sinh học, thích hợp cho nước thải sinh họat. Phép đo BOD mơ phỏng theo q trình phân hủy tự nhiên, tuy nhiên phép đo này không cho số liệu sớm để có thơng tin kịp thời. Khi có đủ số lượng đo đạc BOD, COD kéo dài qua một thời gian, ta có thể tìm ra và chứng minh mối tương quan BOD:COD, từ đó có thể thay BOD bằng COD.
* Những nhiệt độ và thời gian ủ khác với tiêu chuẩn:
Phép đo BOD 3 ngày ở 30oC có một mối tương quan với BOD 5 ngày ở
20oC. Hệ số tương quan giữa chúng thay đổi theo từng nhóm nước mặt và chỉ xác định được qua thực nghiệm.
Với mẫu nước BOD cao, chứa chất thải khó phân huỷ, BOD3/30 ≈ 70% BOD5/20. Với mẫu nước mặn, BOD3/30 ≈ 120% BOD5/20
13.1 Nguyên tắc phương pháp chuẩn độ iod
Phương pháp tiêu chuẩn là xác định DO của mẫu trước và sau khi ủ trong 5 ngày ở 20± 1 oC. Mẫu được để chỗ tối trong bình hồn tồn đầy mẫu và nút kín nhằm ngăn ngừa sự quang hợp của tảo và tiếp xúc khơng khí. Để đảm bảo tối ưu cho q trình oxy hóa sinh học của mẫu, ta hịa lỗng mẫu với nước cất đã bão hịa ơxy, thêm một lượng cố định vi sinh vật mầm giống, pH thích hợp, cung cấp chất dinh dưỡng nitơ, phospho, muối khoáng.
BOD5= F (D0 - D5) - (F - 1)(T0 - T5)
D0, D5 : nồng độ ôxy hoà tan của mẫu ngày đầu và sau 5 ngày.
T0, T5 : nồng độ ơxy hồ tan của nước pha loãng ngày đầu và sau 5 ngày. Trong thời gian 5 ngày, vi khuẩn oxy hóa các chất hữu cơ chủ yếu là dạng tan, chỉ 1 phần nhỏ chất hữu cơ dạng rắn lơ lửng bị oxy hóa. Kết quả được coi là đáng tin cậy khi:
- DO ngày thứ 5 lớn hơn 1 mg/l và chênh lệch DO giữa ngày 1 và 5 ít nhất 2 mg/l.
- Nồng độ DO dư nằm trong khoảng 1/3 và 2/3 nồng độ DO ban đầu 3 2C ) C (C 3 C 1 2 1 1 ≤ − ≤
* Khi làm nhiều thang pha lỗng, có thể dùng hồi quy tuyến tính để tìm BOD:
Dựng đường chuẩn bậc nhất Y = aX + b với Y là DO ngày thứ 5
X là thể tích mẫu đem pha lỗng
Khi tìm được a,b đem thế X=thể tích chai BOD sẽ có DO ngày thứ 5 trong trường hợp đổ mẫu đầy chai BOD
BOD5 = aVchai - b - DOmẫu
b chính là BOD5 của nước pha loãng. Như vậy, ta chỉ cần xác định DO ban đầu của mẫu và các giá trị DO5 ứng với các thể tích mẫu đem pha lỗng. Cách này cũng giúp loại bỏ sai số do BOD nước pha lỗng đóng góp.
13.2 Nguyên tắc phương pháp đo độ giảm áp suất bằng đầu dò
Chai sau khi đổ 1 thể tích mẫu phù hợp sẽ đậy kín bằng nắp có đầu dị áp suất, mẫu liên tục khuấy trộn bằng cá từ. Khi vi khuẩn sử dụng oxy hịa tan trong mẫu để oxy hóa chất hữu cơ, lượng oxy từ phần khơng khí nằm bên trên sẽ thâm nhập bổ sung vào phần sung dịch, và CO2 sinh ra bị chất kiềm hấp thu. Đầu dị sẽ
đo sự giảm áp suất (khơng phân biệt CO2, O2) và tính trực tiếp ra giá trị BOD.
Ưu điểm của phương pháp này là tiết kiệm cơng sức, hóa chất, có thể theo dõi BOD bất cứ thời điểm nào (kể cả sau 5 ngày), ít sai số dương do q trình nitrat hóa, chính xác hơn do khơng mắc sai số chuẩn độ, không bị ảnh hưởng của nước pha loãng hay vi khuẩn cấy. Tuy nhiên, có nhược điểm là khơng làm được nhiều mẫu cùng lúc.
Đường AN: quá trình nitrat hóa xuất hiện sau 6 ngày. Đường H: thiếu vi sinh vật trong giai đoạn đầu. Đường B: hệ thống đo áp suất bị hở
Thực nghiệm phương pháp chuẩn độ iod
a) Chuẩn bị dung dịch pha loãng từ các muối sau:
- Đệm photphat pH 7,2: Hòa tan 8,5g (KH2PO4) ; 21,75g (K2HPO4) ; 33,4g (Na2HPO4.7H2O) và 1,7g (NH4Cl) trong 1000ml nước cất. Đệm này vừa tạo môi trường trung tính vừa cung cấp chất dinh dưỡng P.
- Magie sunfat: Hòa tan 22,5g (MgSO4.7H2O) trong 1000ml nước cất. - Canxi clorua: Hòa tan 27,5g (CaCl2 khan) trong 1000ml nước cất. - Sắt clorua: Hòa tan 0,25g (FeCl3.6H2O) trong 1000ml nước cất.
Nước cất được sục khơng khí trong 1 giờ ở nhiệt độ 20oC và thêm 1ml mỗi dung dịch muối trên vào khoảng 1000ml và lắc đều. Sau đó, cấy vi sinh vật hiếu khí. Nước pha lỗng này chỉ nên dùng trong ngày. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cần tiến hành xác định BOD nước pha lõang song song với mẫu, nước pha lõang đạt yêu cầu phải có BOD<0,2 mg/l.
b) Dung dịch chuẩn kiểm tra glucose- glutamic axit (GGA)
Sấy một ít glucose khan (C6H12O6) và một ít axit glutamic (HOOC-CH2-CH2-
CHNH2-COOH) ở 103oC trong 1 giờ. Cân mỗi thứ 150±1mg, hòa tan trong nước
và pha thành 1000 ml. Chuẩn bị dung dịch này ngay trước khi dùng và đổ bỏ lượng dư vào cuối ngày làm việc .
Để kiểm tra nước pha loãng đã cấy vi sinh vật và kỹ thuật của người phân tích, tiến hành xác định BOD của dung dịch GGA pha loãng 50 lần (pha loãng 20ml dung dịch GGA với nước pha loãng đã cấy vi sinh vật thành 1000ml). Kết quả
BOD5 coi là đạt yêu cầu nếu nằm trong khoảng 198 ± 30 mg/l (SMEWW), 220 ± 30 mg/l (AOAC), 180 - 230 mg/l (TCVN), 220 ± 18 mg/l (VELP ).
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O 180 192
C5H9NO4 + 4,5O2 5CO2 + 3H2O + NH3 147 144
Theo lý thuyết để oxy hóa 1mg glucose cần 1,066mg O2, oxy hóa 1mg glutamic cần 0,98mg O2. Nhu cầu oxy lý thuyết của dung dịch này là 307 mg/l.
c) Xử lý sơ bộ
• Trung hịa mẫu: Nếu pH của mẫu khơng nằm trong khoảng 6,5 và 8, cần
dùng dung dịch axit HCl 0,5 mol/l hoặc NaOH 20g/l. Khi trung hồ khơng cần quan tâm đến kết tủa nếu có tạo thành.
• Clo tự do và/ hoặc clo liên kết thường gặp trong nước sau xử lý: Trung hoà clo tự do và clo liên kết có trong mẫu bằng dung dịch natri sunfit 0,5 mol/l. (khơng dùng dư vì lượng dư sẽ làm tăng BOD và phản ứng với chloramin hữu cơ). Ngồi ra cũng có cách cho chlorine bay hơi bằng cách sục khí hay phơi nắng từ 1-2 giờ, sau đó kiểm tra nhanh chlorine bằng cách cho viên thuốc thử DPD (N,N-diethyl-p-phenylenediamine). Nếu thấy dung dịch khơng có màu hồng là được.
* Chất ức chế q trình nitrat hóa:
+ alylthioure (ATU) (C4H8N2S) 0,1% tỷ lệ 2 ml ATU cho 1 lit nước pha loãng.
+ 2-clo-6-(triclometyl)pyridin (TCMP) (Cl - C5H3N - CCl3) thêm sao cho nồng độ cuối cùng đạt 10mg/l.