گزارش کار آزمایشگاه شیمی آب وفاضلاب

گزارش کار آزمایشگاه شیمی آب وفاضلاب

موضوع:BOD

 

مقدمه

مقدار اکسیژن لازم را جهت تجزیه ی بیولوژیک مواد آلی موجود در یک لیتر فاضلاب به روش هوازی در زمان و دمای معین، BOD گویند. به وسیله ی میزان BOD مقدار اکسیژن لازم را برای هوادهی در تصفیه تعیین می کنند. و نیز مقدار BOD، معیاری از میزان راندمان تصفیه خانه می باشد. بدین منظور با انجام آزمایش مذکور و با توجه به اهمیت این بحث، میزان BOD اندازه گیری می شود.

میکروارگانیسم های هوازی

تئوری

پس از انجام واکنش فوق در مرحله ی اول در فرآیند تصفیه، چنانچه باکتری های نیتریفایر فعال باشند و اکسیژن کافی در محیط وجود داشته باشد خواهیم داشت:

اکسیژن مصرفی در واکنش اول          

اکسیژن مصرفی در واکنش دوم

نکته: برای تحلیل درست می بایست به زمان ماند توجه کرد. بدین شکل که زمان نمونه بردای از خروجی برابر زمان ماند از زمان نمونه برداری از ورودی باشد. در حالیکه از ورودی و خروجی به صورت همزمان نمونه برداشته می شود زیرا شرایط Steady State فرض می شود.

با توجه به مطالب فوق در می یابیم که NBOD نتایج ما را تحت تاثیر قرار می دهد. بنابر این می بایست فعالیت باکتری های نیتریفایر را قبل از اندازه گیری متوقف کنیم. بدین منظور از ترکیبات خاصی در صنعت استفاده می شود. باید توجه داشت که نیتریفایر ها معمولا بین 6 تا 9 روز بعد فعال می شوند. بنابراین در فاضلاب تازه و خام، نیتریفایر ها در BOD دخیل نیستند. اما در صنعت و در تصفیه خانه ها، نیتریفایر ها فعال می شوند، زیرا جریان برگشتی وجود دارد.

برای دستیابی به راندمان بهتر، شرایط مناسب برای رشد میکروارگانیسم ها ایجاد می کنیم که عبارتند از: دما  بیشتر میکروارگانیسم ها در دمای 37 درجه سانتیگراد بهترین رشد را دارند. بنابر این در تصفیه خانه دما را دمای آزمایشگاهی و برابر 20 درجه سانتیگراد تنظیم می کنیم (زیرا ایجاد دمای 37 درجه نیازمند هزینه می باشد).

PH  بهترین PH خنثی و برابر 3/7 می باشد. تنظیم PH از مراحل پیش تصفیه ی فاضلاب های صنعتی است.

وجود مواد معدنی به مقدار کافی یعنی نیتروژن و فسفر. در فاضلاب باید نسبت کربن به نیتروژن به فسفر برابر 100 به 6 به 1 باشد. به همین منظور به فاضلاب نیتروژن و فسفر می افزاییم. همچنین وجود مقادیر مناسبی از کلسیم، منیزیم و آهن نیز برای میکروارگانیسم ها ضروری است.

عدم وجود مواد سمی  که موجب مرگ میکروارگانیسم ها می باشد.

وجود اکسیژن به مقدار کافی که توسط هوادهی این مقدار تامین می شود.

اکسیژن محلول در آب

نسبت مخلوط اکسیژن و ازت در آب با نسبت مخلوط آنها در هوا فرق می کند. در آب مقدار 30 تا 33 درصد اکسیژن و 67 تا 70 درصد ازت موجود است. در صورتیکه نسبت اکسیژن و ازت در هوای جو به ترتیب 22 و 79 درصد است. مقدار اکسیژن انحلال در صفر درجه حرارت و فشار معمولی  است در صورتیکه در درجه حرارت 30 درجه سانتیگراد معمولا به  می رسد.  در آبهای زیرزمینی مقدار آن کمتر و از حدود  پایین تر است. اکسیژن در گوارا کردن آب و خوش طعم نبودن آب اهمیت به سزایی دارد. به طوریکه هر اندازه مقدار اکسیژن در آب بیشتر شود آب مطبوع تر می گردد. از طرفی درجه ی آلودگی آب بستگی به مقدار اکسیژن محلول در آب دارد. یکی از پارامترهای مهم آزمایش آبها تعیین BOD است و از مصرف اکسیژن محلول در آب می توان به درجه ی آلودگی آن پی برد. هر گاه در آب طبیعی اکسیژن موجود نباشد، اغلب به علت وجود مواد آلی و میکروبهای هوازی می باشد. چنین آبی را باید مشکوک دانست. بالعکس چنانچه مقدار  اکسیژن کافی باشد، نشانه ی درجه ی خلوص و پاکی آب است. بنابر آنچه گفته شد آب می تواند تا مقدار  اکسیژن داشته باشد و در اینصورت است که آب از اکسیژن محلول اشباع می گردد. در آبهای زیرزمینی معمولا اکسیژن را به صورت مصنوعی به آب تزریق می کنند تا بدین وسیله آهن و منگنز آب اکسید شده و رسوب نماید. گازهای فرار، انیدریدکربنیک و هیدروژن سولفوره در اثر افزایش اکسیژن آب متصاعد شده از بین می روند.

اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی(BOD)

جهت برآورد تقاضای نسبی اکسیژن فاضلابها و آبهای آلوده، مقدار BOD به روش تجربی در آزمایشگاه تعیین می شود. این آزمایش کاربرد وسیعی در تعیین بارگذاری فاضلاب در واحدهای تصفیه خانه و برآورد راندمان این سیستم ها در حذف BOD دارد. این آزمایش اکسیژن مصرف شده جهت تجزیه بیوشیمیایی مواد آلی(تقاضای کربنی) در یک دوره گرماگذاری و همچنین اکسیژن صرف شده جهت اکسیدکردن ترکیبات معدنی نظیر سولفیدها و آهن فرو(Fe2+) را اندازه می گیرد. همچنین مقدار اکسیژن لازم جهت اکسیداسیون فرمهای احیای نیتروژن(تقاضای نیتروژنی) نیز در این آزمایش اندازه گیری می شود. مگر اینکه با افزایش ممانعت کننده از اکسیداسون این ترکیبات ممانعت به عمل آید. تعیین BOD معمولا در یک دوره ی گرماگذاری 5 روزه صورت می گیرد، اما می توان این آزمایش را بنا به نیاز در دوره های طولانی تر و کوتاه تر نیز اندازه گرفت. سنجش BOD در PH 5/6-5/7 و بعد از رقیق سازی مناسب و در صورت لزو م بذردهی صورت می گیرد.

اکسیداسیون فرمهای احیا شده ی نیتروژن توسط میکروارگانیسم ها، تقاضای نیتروژنی می باشد، که به عنوان عامل مداخله کننده در سنجش BOD به حساب می آید. تقاضای نیتروژنی را می توان با به کارگیری ممانعت کننده های شیمیایی حذف نمود. در صورت عدم به کارگیری ممانعت کننده های شیمیایی، BOD اندازه گیری شده مجموع تقاضای کربنی و نیتروژنی خواهد بود. اندازه گیری ای که شامل تقاضای نیتروژنی نیز باشد عموما جهت برآورد تقاضای اکسیژن مربوط به مواد آلی مناسب نخواهد بود. میزان مصرف اکسیژن به واسطه ی حضور ترکیبات نیتروژنی در طول یک دوره ی 5 روزه گرماگذاری بستگی به حضور میکروارگانیسم های نیتریفیکانس دارد. این میکروارگانیسم ها معمولا به تعداد کافی در فاضلاب های خام و یا خروجی ته نشینی اولیه وجود ندارند. اغلب خروجی های واحدهای تصفیه ی بیولوژیکی حاوی تعداد قابل توجهی از نیریفایر ها می باشند. بنابراین اکسیداسیون فرمهای احیا نیتروژن در چنین نمونه هایی می توانند رخ دهد. بنابر این استفاده از ممانعت کننده در این نمونه ها توصیه می شود. از جمله نمونه هایی که باید به آنها ممانعت کننده اضافه کرد می توان از خروجی ته نشینی ثانویه، نمونه های بذر داده شده توسط خروجی ته نشینی ثانویه و آبهای آلوده نام برد. از جمله ممانعت کننده ها می توان به 2-کلرو-6(تیوکلرومتیل)پیریدین(TCMP) اشاره کرد. در صورت استفاده از ممانعت کننده نتیجه به صورت CBOD و در صورت عدم اصتفاده از ممانعت کننده نتیجه به صورت BOD گزارش می شود. غلظت BOD در اغلب نمونه های فاضلاب از مقدار اکسیژن محلول موجود در نمونه های اشباع شده از هوا، تجاوز می نماید.بنابر این جهت ایجاد موازنه بین BOD و اکسیژن محلول، لازم است قبل از گرما گذاری نمونه ها را رقیق نمود. از آنجا که دوره ی گرماگذاری نمونه ها جهت تثبیت کامل نمونه بسیار طولانی تر از براورد منظور آزمایشگاهی است و همچنین از آنجا که حدود 70-80 درصد ترکیبات آلی طی مدت 5 روز اکسید شده و پس از آن روند تغییرات بسیار کند می شود، لذا 5 روز به عنوان یک دوره ی گرماگذاری استاندارد پذیرفته شده است. در صورت ترقیق نمونه ها نسبت رقت را باید در نتیجه ی حاصله تاثیر داد. مقادیر معمول BOD برای برخی از نمونه ها به قرار زیر است.

نمونه	رنج معمول
ورودی به تصفیه خانه فاضلاب شهری	1400-150
خروجی ته نشینی اولیه	160-60
خروجی ته نشینی ثانویه	30-5
محلول رویی هاضم	4000-1000
فاضلاب های صنعتی	3000-100

اندازه گیری اکسیژن

امروزه برای اندازه گیری اکسیژن محلول در آب خصوصا در محل نمونه برداری از دستگاههای کوچک سیار که مجهز به الکترود مخصوص و باتری کوچک می باشند استفاده می گردد. طرز کار دستگاه خیلی ساده بوده و پس از تنظیم به راحتی در مدت یک دقیقه می توان اکسیژن محلول در آب را اندازه گیری کرد. در صورتیکه انجام آزمایش در محل مقدور نباشد، اگر بتوان نمونه را در فاصله ای کمتر از 8 ساعت به آزمایشگاه رساند، به ازاء هر میلی لیتر نمونه، 7/0 میلی لیتر اسید سولفوریک و یک میلی لیتر از محلول 3% نیترورسدیم به نمونه ی گرفته شده اضافه می کنند تا از فعالیتهای بیولوژیکی در داخل نمونه جلوگیری به عمل آید. سعی کنید نمونه در حرارتی حدود 20-10 درجه ی سانتیگراد نگهداری شود.

اگر نمونه ای که به آزمایشگاه می رسد را نتوان فورا آزمایش نمود، باید پس از دریافت 2 میلی لیتر از محلول سولفات منگنز و 3 میلی لیتر از محلول یدور قلیایی در آن اضافه نمود. پس از آن 2 میلی لیتر اسید سولفوریک نیز به آن اضافه می کنیم.

نمونه برداری

نمونه برداری به وسیله ی شیشه های در سمباده ای مخصوص نمونه برداری اکسیژن محلول که به حجم 200 تا 300 میلی لیتر و به طور استاندارد ارائه شده است، انجام می گیرد. نمونه برداری بدون دخالت هوا و با دستگاههای مخصوص انجام می گیرد. اگر نمونه برداری از شیر آب انجام می گیرد باید یک لوله ی پلاستیکی که به انتهای آن یک لوله ی شیشه ای وصل شده باشد را به شیر آب متصل نموده و انتهای شیشه را به فاصله ی حداکثر 40-30میلی لیتر از کف ظرف نمونه برداری قرار داده و به آرامی شیر را باز کنید تا نمونه هر چه ممکن است کمتر با حرکت و جریان هوا برداشته شود و به خصوص تامل کنید تا مقدار زیادی سرازیر شده سپس به آرامی لوله را خارج نموده و درب ظرف نمونه را برای جلوگیری از ورود هوا ببندید. برای نمونه برداری از آبهای ساکن و یا آب رودخانه نیز از دستگاههای مخصوص استفاده می شود. در این موراد ضمن نمونه برداری باید شرایط جوی-درجه حرارت محیط- سرعت حرکت آب رودخانه ها و حتی مشخصاتی از مسیر و بستر رودخانه را یادداشت نموده و درنظر گرفت. اصولا هر گونه نمونه برداری باید در درجه حرارت محیط و در جه حرارت خود آب را در موقع نمونه برداری یادداشت نمود.

روش انجام آزمایش و شرح آزمایش انجام شده

روش اندازه گیری اکسیژن محلول

برای اندازه گیری اکسیژن محلول در آب طرق متعددی پیشنهاد شده است که اساس همه ی آنها مبنی بر این است که با استفاده از جسم اکسید شونده اکسیژن محلول در آب را مصرف نموده و مقدار اکسیژن مصرف شده را اندازه گیری می نمایند.

روش وینکلر :Winkler

سولفات منگنز  در مجاورت محلول های یدورپتاسیم ایجاد هیدرات منگنز غیرمحلول نموده و در اثر وجود اکسیژن محلول در آب به هیدروکسید منگنز تبدیل می گردد. با اسیدی نمودن محیل به وسیله ی اسید سولفوریک هیدروکسید منگنز به سولفات تبدیل شده و در مجاورت یدور پتاسیم ید آزاد می نماید. ید آزاد شده را با تیوسولفات سدیم اندازه گیری نموده و از روی آن مقدار اکسیژن محلول را محاسبه می نمایند. لازم به ذکر است که میزان ید با میزان اکسیژن محلول رابطه ی مستقیم دارد، بنابر این هر چه رنگ محلول زرد تر باشد! میزان اکسیژن محلول بیشتر خواهد بود. این فعل و انفعالات در فرمول های زیر خلاصه می شود:

محلول های لازم عبارتند از:

محلول سولفات منگنز: 364 گرم سولفات منگنز بدون آب و یا 400 گرم سولفات منگنز با دو مولکول آب و یا 480 گرم سولفات منگنز چهارآبه را در آب مقطر حل کرده و پس از صاف نمودن حجم آن را به یک لیتر می رسانیم.

محلول یدور قلیایی: 500 گرم سود را با 133 گرم یدور سدیم و یا 700 گرم پتاس را با 150 گرم یدور پتاسیم در آب مقطر حل کرده و حجم محلول را به یک لیتر می رسانیم. در ضمن 10 گرم  را به 40 میلی لیتر آب مقطر اضافه نموده و پس از حل شدن آن را به محلول فوق اضافه می کنیم. البته در تهیه ی محلول املاح سدیم و پتاسیم را می توان با مقادیر مشخصی به جای یکدیگر به کار برد ولی در هر حال محلول آماده شده نباید ضمن رقیق کردن در محیط اسیدی رنگ محلول نشاسته را تغییر بدهد.

اسید سولفوریک غلیظ: این اسید 36 نرمال بوده و هر میلی لیتر آن معادل 3 میلی لیتر محلول یدور قلیایی شماره 2 می باشد.

محلول نشاسته: 0.5 گرم نشاسته را با 100 میلی لیتر آب مقطر گرم مخلوط نموده و آنها را می جوشانیم. سپس از لعاب نشاسته برای نشان دادن خاتمه ی عمل تیتراسون استفاده می شود.

تیوسولفات سدیم 0.1 نرمال: 24.84 گرم از تیوسولفات سدیم با 5 مولکول آب را به دقت روی شیشه ساعت وزن می کنیم و در یک بالون ژوژه یک لیتری در آب مقطر حل نموده و به حجم می رسانیم. با اضافه کردن 5 میلی لیتر کلروفرم و یا یک گرم سود فاکتور آن را ثابت نگه می داریم.

محلول تیو سولفات سدیم 0.025 نرمال: 250 میلی لیتر از محلول تیوسولفات 0.1 نرمال را به دقت در یک بالون ژوژه یک لیتری وارد نموده و حجم آن را به یک لیتر می رسانیم. هر یک میلی لیتر از این محلول معادل 0.2 میلی گرم اکسیژن محلول می باشد.

محلول بافر فسفات: 0.85 گرم فسفات دی هیدروژن پتاسیم، 2.175 گرم در پتاسیم هیدروژن فسفات، 2.34گرم هیدروژن دی سدیم فسفات، و 0.7 گرم آمونیوم کلرید را در آب مقطر حل کرده و حجم محلول را به 100 می لی لیتر می رسانیم. PH این بافر باید در حدود 7.2 باشد.

محلول سولفات منیزیم: 2.25 گرم منیزیم سولفات 7 آبه را در آب مقطر حل کرده و به حجم 100 میلی لیتر می رسانیم.

محلول کلرور کلسیم: 2.75 گرم کلرور کلسیم بدون آب را در آب مقطر حل کرده و به حجم 100 میلی لیتر می رسانیم.

محلول کلرور آهن 3 ظرفیتی: 0.025 گرم کلرور آهن 3 ظرفیتی را بعد از حل کردن در آب مقطر به حجم 100 میلی لیتر می رسانیم.

آب رقیق سازی(dilution): به یک لیتر آب مقطر عاری از هر گونه ماده معدنی، یک میلی لیتر از هر کدام از محلول های شماره ی 7 و 8 و 9 و 10 اضافه کرده و سپس هوادهی می کنیم تا از اکسیژن اشباع شود(مدت هوادهی حدود 60 دقیقه می باشد.).

محلول یدور قلیایی: 50 گرم سدیم هیدروکسید و 13.5 گرم سدیم یدید را در آب مقطر حل کرده و حجم محلول را به 100 میلی لیتر می رسانیم.

برچسب نشاسته: 0.5 گرم از نشاسته را در 100 میلی لیتر آب مقطر داغ حل کرده و پس از سرد شدن با افزودن کمی یدید جیوه آن را در صورت لزوم صاف می کنیم.

روش آزمایش: آب مورد آزمایش را در بطری در سمباده ای 250 یا 300 میلی لیتری ریخته طوری و طوری عمل می کنیم که هنگام پر شدن بطری، اکسیژن هوا درون آب حل نشود. پس از پر نمودن مقدار 2 میلی لیتر از سولفات منگنز ساخته شده و 2 میلی لیتر از یدور قلیایی را به وسیله ی پیپت در زیر سطح آب مورد آزمایش تخیله می کنیم و سپس در سمباده ای شیشه را می گذاریم به طوریکه حباب وارد هوا نشود. سپس شیشه را چندین بار وارونه کرده و به هم می زنیم تا رسوب هیدروکسید منگنز ظاهر شود و صبر می کنیم تا رسوب ته نشین شود. سپس مقدار 2 میلی لیتر اسید سولفوریک غلیظ از طریق تماس با جدار ظرف نمونه وارد می کنیم. پس از به هم زدن کلیه  ی رسوب حل خواهد شد. مقدار 1 الی 2 میلی لیتر از محلول نشاسته را به آب اضافه کرده و با تیوسولفات سدیم 0.025 نرمال تا ظهور رنگ آبی تیتر می کنیم. مقدار تیوسولفات مصرف شده را یادداشت می کنیم و مقدار اکسیژن محلول در نمونه بر حسب میلی گرم در لیتر از رابطه های مذکور بدست خواهد آمد.

برای BOD : در دوظرف مخصوص BOD یکی را از آب رقیق سازی پر می کنیم به عنوان شاهد. در ظرف دیگر ابتدا 5 میلی لیتر از نمونه را به آرامی وارد کرده و سپس با آب رقیق سازی پر می کنیم. در ظروف را محکم می بندیم به طوری که هر گاه درب را می گذاریم آب اضافی آن خارج شود. باید مراقب بود که حبابی در ظرف تشکبل نگردد و در صورت تشکیل حباب آنرا به آرامی خارج می کنیم. سپس آن را به مدت 5 روز در انگوباتور 20 درجه سانتیگراد قرار می دهیم. اکسیژن محلول شاهد را پس از 15 دقیقه و نمونه را پس از 5 روز به همان روش اندازه گیری DO تعیین می کنیم.

نحوه ی انجام آزمایش:

نمونه را ترقیق می کنیم تا تقاضای اکسیژن را کم کنیم تا BOD قابل اندازه گیری باشد. رقیق کردن را با آبی انجام می دهیم که سرشار از اکسیژن باشد. آب ترقیق عبارتست از بافر فسفات و یون های آهن 3 ظرفیتی و منیزم و کلسیم و آب مقطر. بافر فسفات عمل تثبیت pH را انجام می دهد در ضمن اینکه منبع فسفر نیز می باشد.رقیق سازی را با نسبت تقریبی 1 به 60 انجام می دهیم.

توجه: اگر از ابتدا چسب نشاسته را اضافه کنیم، مقداری از ید مصرف می شود و از دست می رود و این باعث خطا می شود. بنابر این در ابتدا، تیتراسیون را بدون نشاسته شروع می کنیم.

اگر بعد از 5 روز به نمونه مواد را اضافه کنیم و رنگ آن زرد نشود، بدین معناست که میکروارگانیسمی وجود ندارد! اگر مقدار  کم باشد، یا بار آلی کم است و یا جمعیت میکروارگانیسم کافی نبوده است و مواد سمی داریم.

نسبت رقت برابر است با نسبت حجم نمونه به حجم ظرف BOD.

و به طور معمول داریم: 

ارائه نتایج و محاسبات

برای BOD  اولیه

حجم مصرفی	پایان	شروع
1.9	2.2	0.3	1
1.8	4.0	2.2	2
1.8	5.8	4	3

برای BOD  پنج روزه

حجم مصرفی	پایان	شروع
1.5	33.6	32.1	1
1.5	35.1	33.6	2
1.6	36.7	35.1	3

بنابر این میزان اسید مصرفی در اندازه گیری اولیه DO برابر 1.83 سی سی و در اندازه گیری 5 روزه برابر 1.53 سی سی می باشد. بنابر این خواهیم داشت:

بحث و نتیجه گیری:

بنابر نتایج بدست آمده، می توان به بار آلودگی موجود در نمونه پی برد و بدین معناست که این فاضلاب در هر لیتر به حدود 67.18 میلی گرم اکسیژن نیاز دارد تا مواد آلی آن توسط عوامل بیولوژیکی تصفیه شوند.

خطا:

در این آزمایش هر دو نوع خطای اتفاقی و سیستماتیک وجود دارند. بدین صورت که در تشخیص پایین ترین سطح تقعر در بورت برای قرائت میزان اسید مصرفی خطا وجود دارد و این خطا را نمی توان حذف کرد. از خطاهای دیگر که ممکن است در مورد نمونه ی مجهول وجود داشته باشد می توان به یکنواخت نبودن تمامی مجهول اشاره کرد زیرا ما در سه مرحله این آزمایش را انجام می دهیم و هر بار ممکن است که نمونه ی ما به طور یکنواخت از کل ظرف نمونه انتخاب نشده باشد. خطای دیگری که وجود دارد اما می توان آن را بهبود بخشید یا حذف کرد مربوط به حضور اکسیژن در ظرف BOD می باشد، بدین صورت که هنگامی که درب ظرف را می بندیم مقداری از هوا درون آن محبوس می شود و حباب های ریزی در قسمت زیرین درپوش آن ایجاد می شوند. برای جلوگیری از این خطا پس از گذاردن درب ظرف، آهسته آن را بر زمین می کوبیم و بدین صورت آن حباب ها را از بین می بریم.خطای دیگر خطای مرتبط با اضافه کردن اسید می باشد که ممکن است قطراتی اضافی وارد نمونه شوند و میزان اسید مصرفی را بیش از آنچه هست، نشان دهند. و این بستگی مستقیم با دقت و ظرافت کار آزمایشگر دارد و تا حد ممکن در این آزمایش سعی نمودیم که از بروز این گونه خطاها جلوگیری به عمل آوریم.

-منابع:

1- مهندسی محیط زیست ترجمه ایوب ترکیان

2- کیفیت آب و فاضلاب مهندس رزاقی زاده

3- شیمی آب و فاضلاب دکتر میرابی