Biokemisk iltforbrug

Biokemisk iltforbrug er mængden af ​​opløst oxygen kræves af aerobe biologiske organismer i en vandmasse til at nedbryde organisk materiale til stede i en given vandprøve ved bestemt temperatur i en bestemt tidsperiode. Udtrykket henviser også til en kemisk procedure til bestemmelse dette beløb. Dette er ikke en præcis kvantitativ test, selv om det er almindeligt anvendt som en indikation af den organiske vandkvaliteten. BOD-værdi er mest almindeligt udtrykt i milligram oxygen, der forbruges pr liter prøve under 5 dages inkubering ved 20 ° C og er ofte brugt som en robust surrogat for graden af ​​organisk forurening af vandet.

BOD kan bruges som en sporvidde på effektiviteten af ​​renseanlæg. Det er opført som et konventionelt forurenende stof i USA Lov om rent vand.

BOD ligner i funktion til kemisk oxygenforbrug, idet både måle mængden af ​​organiske forbindelser i vand. Men COD er ​​mindre specifik, da den måler alt, hvad der kan være kemisk oxideret, snarere end blot niveauer af biologisk aktivt organisk stof.

Baggrund

De fleste naturlige vandområder indeholder små mængder af organiske forbindelser. Akvatiske mikroorganismer har udviklet sig til at bruge nogle af disse forbindelser som mad. Mikroorganismer, der lever i oxygeneret vand bruger opløst oxygen til oxidativt at nedbryde de organiske forbindelser og frigiver energi, som anvendes til vækst og reproduktion. Populationer af disse mikroorganismer har tendens til at stige i forhold til mængden af ​​fødevarer tilgængelige. Denne mikrobielle metabolisme skaber en iltforbrug proportional med mængden af ​​organiske forbindelser er anvendelige som fødevarer. Under visse omstændigheder kan den mikrobielle metabolisme forbruge opløst oxygen hurtigere end atmosfærisk oxygen kan opløses i vand eller autotrofe samfund kan producere. Fisk og vandinsekter kan dø, når ilt er opbrugt ved mikrobiel metabolisme.

Biokemisk iltforbrug er den mængde oxygen, der kræves til mikrobiel metabolisme af organiske forbindelser i vand. Denne efterspørgsel forekommer over nogle variabel tidsperiode afhængigt af temperatur, næringsstofkoncentrationer, og de enzymer til rådighed for indfødte mikrobielle populationer. Den mængde ilt, som kræves for helt at oxidere de organiske forbindelser til kuldioxid og vand gennem generationer af mikrobiel vækst, død, forfald, og kannibalisme er den samlede efterspørgsel biokemisk ilt. Samlet BOD er ​​mere betydning for fødekæder end at vandkvaliteten. Opløst oxygen depletion er mest sandsynligt bliver tydelige under den indledende akvatiske mikrobielle population eksplosion som reaktion på en stor mængde organisk materiale. Hvis den mikrobielle population deoxygenates vandet dog, at mangel på ilt pålægger en grænse for væksten af ​​aerobe akvatiske mikrobielle organismer resulterer i et mere langsigtet mad overskud og iltsvind befolkning.

En standard temperatur, hvor BOD test bør udføres blev først foreslået af kongelige kommission for Spildevand Bortskaffelse i sin ottende rapport i 1912:

Dette blev senere standardiseret ved 68 ° F og derefter 20 ° C. Denne temperatur kan være betydeligt forskellig fra temperaturen af ​​det naturlige miljø af vandet, der testes. Efterforskere besluttede også at fjerne anaerobe forhold.

Selv om kongelige kommission for Spildevand Bortskaffelse foreslog 5 dage som en passende testperiode for floder i Det Forenede Kongerige Storbritannien og Irland, blev længere perioder undersøgt for nordamerikanske floder. Inkubationsperioder på 1, 2, 5, 10 og 20 dage blev brugt i midten af ​​det 20. århundrede. Holde opløst ilt til rådighed på deres valgte temperatur, efterforskere fundet op til 99 procent af samlet BOD blev udøvet inden for 20 dage, 90 procent inden for 10 dage, og cirka 68 procent inden for 5 dage. Variable mikrobielle population skifter til nitrificerende bakterier begrænser prøvernes reproducerbarhed i perioder på mere end 5 dage. Den 5-dages test protokol med acceptabelt reproducerbare resultater med vægt kulstofholdige BOD er ​​blevet godkendt af Environmental Protection Agency. Dette 5-dages BOD testresultat kan beskrives som den mængde oxygen, der kræves for akvatiske mikroorganismer til at stabilisere nedbrydeligt organisk materiale under aerobe betingelser. Stabilisering i denne sammenhæng, kan opfattes generelt som omdannelsen af ​​mad til levende akvatiske fauna. Selv om disse fauna vil fortsætte med at udøve biokemisk iltforbrug som de dør, der har tendens til at forekomme inden for en mere stabil udviklet økosystem herunder højere trofiske niveauer.

Den BOD5-test

Der er to almindeligt anerkendte metoder for måling af BOD.

Fortyndingsmetode

Denne standard metode er anerkendt af USEPA, som er mærket Metode 5210B i Standard Metoder til undersøgelse af Vand og Spildevand For at opnå BI5, skal måles opløst iltkoncentrationer i en prøve før og efter inkubationstiden, og behørigt justeret med prøven svarende fortyndingsfaktoren. Denne analyse udføres under anvendelse af 300 ml flasker inkuberingstider hvor buffered fortyndingsvandet doseret med frø mikroorganismer og opbevaret i 5 dage i det mørke rum ved 20 ° C for at forhindre DO produktion via fotosyntese. Ud over de forskellige fortyndinger af BOD prøver, denne procedure kræver fortyndingsvand blanks, glucose glutaminsyrerester kontroller og kontroller frø. Fortyndingen vandblank anvendes til at bekræfte kvaliteten af ​​fortyndingsvandet, som anvendes til at fortynde de andre prøver. Dette er nødvendigt, fordi urenheder i fortyndingsvandet kan forårsage signifikante ændringer i resultaterne. Den GGA kontrol er en standardiseret løsning til at bestemme kvaliteten af ​​frøet, hvor dens anbefalede BI5 koncentrationen er 198 mg / l ± 30,5 mg / l. Til måling af carbonholdigt BOD, tilsættes en nitrifikationshæmmer efter at der er tilsat fortyndingsvandet til prøven. Hæmmeren hindrer oxidation af ammoniak kvælstof, der forsyner nitrogenholdige BOD. Ved udførelse af BI5 testen, er det almindelig praksis at måle kun cBOD fordi kvælstofholdig efterspørgsel ikke afspejler den ilt efterspørgsel fra organisk materiale. Dette skyldes nBOD genereres ved nedbrydning af proteiner, hvorimod cBOD produceres ved nedbrydning af organiske molekyler.

BI5 er beregnet ved:

hvor:

Manometrisk metode

Denne fremgangsmåde er begrænset til måling af oxygenforbruget kun skyldes carbonholdigt oxidation. Ammoniak oxidation inhiberes.

Prøven opbevares i en lukket beholder forsynet med en trykføler. Et stof, der absorberer carbondioxid tilsættes i beholderen over prøven plan. Prøven opbevares under betingelser identiske med den fortyndingsmetode. Oxygen forbruges, og ammoniak oxidation inhiberes carbondioxid frigives. Den samlede mængde gas, og dermed trykket, falder, fordi kuldioxid absorberes. Fra trykfaldet, sensorelektronikken beregner og viser den forbrugte mængde oxygen.

De vigtigste fordele ved denne metode i forhold til fortynding metode:

  • enkelhed: ingen fortynding af prøve kræves, uden podning, ingen blindprøve.
  • direkte aflæsning af BOD værdi.
  • kontinuerlig visning af BOD-værdien på det aktuelle inkubationstid.

Opløst oxygen-prober: Membran og luminescens

Siden offentliggørelsen af ​​en enkel, nøjagtig og direkte opløst ilt analytisk procedure Winkler har analysen af ​​opløste ilt niveauer for vand været nøglen til bestemmelse af overfladevand renhed og økologisk wellness. Den Winkler-metoden er stadig en af ​​kun to analytiske teknikker, der anvendes til at kalibrere ilt elektrode meter; den anden procedure er baseret på opløselighed ilt ved mætning pr Henrys lov. Selvom mange forskere har forfinet Winkler analyse opløst ilt niveauer i det lave PPB rækkevidde, er metoden ikke egner sig til automatisering.

Udviklingen af ​​et analytisk instrument, der udnytter reduktionen-oxidation kemi oxygen i nærvær af forskellige metalelektroder blev indført i 1950'erne. Denne redox elektrode anvendes en oxygen-permeabel membran for at tillade diffusion af gassen ind i en elektrokemisk celle og dets koncentration bestemt ved polarografiske eller galvaniske elektroder. Denne analysemetode er følsom og præcis til ned til niveauer på ± 0,1 mg / l opløst ilt. Kalibrering af redox elektrode denne membran elektrode kræver stadig anvendelse af Henrys lov bord eller Winkler test for opløst oxygen.

I løbet af de sidste to årtier, blev en ny form for elektrode udviklet baseret på luminescens emission af et foto aktive kemiske forbindelse og quenching af denne udledningen med ilt. Denne quenching fotofysik mekanisme er beskrevet af Stern-Volmer ligningen for opløst ilt i en opløsning:

Bestemmelsen af ​​iltkoncentrationen ved luminescens quenching har en lineær respons over et bredt sortiment af iltkoncentrationer og har fremragende nøjagtighed og reproducerbarhed. Der er flere anerkendte EPA metoder til måling af opløst oxygen til BOD, herunder følgende metoder:

  • Standard Metoder til Undersøgelse af vand og spildevand, Method 4500 O
  • In-situ Inc. Metode 1003-8-2009 Biokemisk iltforbrug Måling af Optical Probe.

Test Begrænsninger

Testmetoden involverer variable begrænsende reproducerbarhed. Forsøg viser normalt observationer varierende plus eller minus ti til tyve procent omkring gennemsnittet.

Toksicitet

Nogle affald indeholder kemikalier, der kan undertrykke mikrobiologisk vækst eller aktivitet. Potentielle kilder omfatter industriaffald, antibiotika i farmaceutiske eller medicinske affald, desinfektionsmidler i fødevareindustrien eller kommercielle rengøring faciliteter, brugte chlorering desinfektion efter konventionel spildevandsbehandling, og formuleringer lugt-kontrol anvendes i sanitære affald spildevandstanke i personbiler eller bærbare toiletter. Undertrykkelse af mikrobielle samfund oxiderende affaldet vil sænke testresultatet.

Passende mikrobielle population

Testen er afhængig af en mikrobielle økosystem med enzymer, der kan oxidere tilgængelige organiske materiale. Nogle spildevand, såsom dem fra biologiske sekundære rensningsanlæg, allerede indeholder en stor population af mikroorganismer akklimatiseret til vandet, der testes. En mærkbar del af affaldet kan udnyttes i den bedrift periode forud for påbegyndelse af testproceduren. På den anden side kan organisk affald fra industrielle kilder kræver specialiserede enzymer. Mikrobielle populationer fra standard frøkilder kan tage lidt tid at producere de enzymer. En specialiseret udsåningskultur kan være hensigtsmæssigt at afspejle betingelserne for en udviklet økosystem i de modtagende vandområder.

Historie af anvendelsen af ​​BOD

Den kongelige kommission for floden forurening, som blev etableret i 1865 og dannelsen af ​​den kongelige Kommissionen om Spildevand Bortskaffelse i 1898 førte til valget i 1908 af BOD5 som den endelige test for organisk forurening af floder. Fem dage blev valgt som en passende test periode, fordi det er angiveligt den længste tid, flodvand tager at rejse fra kilde til udmunding i Storbritannien. Anbefalede Royal Kommissionen i sin sjette rapport, at den standard sæt bør være 15 vægtdele per million vand. Men i den niende rapport kommissionen havde revideret den anbefalede standard:

 Det var hjørnestenen 20:30 + fuld nitrifikation standard, der blev brugt som målestok i England op til 1970'erne for rensningsanlæg spildevand kvalitet.

USA omfatter BOD spildevand begrænsninger i sine sekundære behandling forskrifter. Sekundær rensningsanlæg forventes generelt at fjerne 85 procent af BOD målt i spildevand og producere spildevand BOD koncentrationer med en 30-dages gennemsnit på mindre end 30 mg / l og en 7-dages gennemsnit på mindre end 45 mg / l. Reglerne beskriver også "behandling svarende til sekundær behandling" som at fjerne 65 procent af BOD og producerer spildevand BOD fusioner af 30-dages gennemsnit mindre end 45 mg / l og en 7-dages gennemsnit mindre end 65 mg / l.

Typiske BOD-værdier

Mest uberørte floder vil have en 5-dages kulstofholdige BOD under 1 mg / l. Moderat forurenede floder kan have en BOD-værdi i området fra 2 til 8 mg / l. Kommunalt spildevand, der effektivt behandlet ved en tre-trins proces ville have en værdi på ca. 20 mg / l eller mindre. Ubehandlet spildevand varierer, men i gennemsnit omkring 600 mg / l i Europa og så lavt som 200 mg / L i USA, eller hvor der er alvorlig grundvand eller overfladevand Infiltration / Inflow.

BOD Biosensor

Et alternativ til måling af BOD er ​​udviklingen af ​​biosensorer, som er apparater til påvisning af en analyt, der kombinerer en biologisk komponent med en fysisk detektor komponent. Enymes er de mest almindeligt anvendte biologiske følerelementer i fremstillingen af ​​biosensorer. Deres anvendelse i biosensor konstruktion er begrænset af den kedelige, tidskrævende og dyre enzym oprensningsmetoder. Mikroorganismer giver et ideelt alternativ til disse flaskehalse.

Et surrogat til BI5 er udviklet ved hjælp af en resazurin derivat, som afslører, at organisk stof optagelse af mikroorganismer. En krydsvalidering udført på 109 prøver i Europa og USA-stater viste en streng ækvivalens mellem de to metoder. Den franske opstart Envolure tilbyder sættet ENVERDI som gør det muligt for brugerne at udføre op til 40 BI5 samtidigt i 48 timer i en enkelt 96-brønde mikrotiterplade.

De mange forskellige mikroorganismer er relativt let at vedligeholde i rene kulturer, dyrke og høste til en lav pris. Desuden er brugen af ​​mikrober i biosensor felt åbnet nye muligheder og fordele, såsom nem håndtering, fremstilling og lave omkostninger ved enheden. En række renkulturer, f.eks Trichosporon cutaneum, Bacillus cereus, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas sp. osv individuelt, er blevet brugt af mange arbejdere til opførelse af BOD biosensor. På den anden side har mange arbejdere immobiliseret aktiveret slam eller en blanding af to eller tre bakteriearter og forskellige membraner til opførelse af BOD biosensor. De mest almindeligt anvendte membraner var polyvinylalkohol, porøse hydrofile membraner osv

Et defineret mikrobiel konsortium kan dannes ved at udføre en systematisk undersøgelse, dvs. præ-afprøvning af udvalgte mikroorganismer til anvendelse som et seeding materiale i BOD analyse af en lang række industrielle spildevand. En sådan formuleret konsortium kan immobiliseres på egnet membran, dvs. ladet nylonmembran anvendelig til BOD estimation. Egnethed afgifter nylonmembran ligger i specifik binding mellem negativt ladede bakteriecelle og positivt ladet nylonmembran. Så fordelene ved nylonmembranen over de andre membraner er: Den dobbelte binding, dvs. Adsorption samt indfangning, hvilket resulterer i en mere stabil immobiliseret membran. Sådanne specifikke Mikrobiel konsortium baseret BOD analytiske enheder, kan finde stor anvendelse i overvågning af graden af ​​pollutional styrke, i en bred vifte af industrispildevand inden for meget kort tid.

Biosensorer kan anvendes til indirekte at måle BOD via en hurtig skal bestemmes BOD erstatning og en tilsvarende kalibreringskurve metode. Følgelig biosensorer er nu kommercielt tilgængelige, men de har adskillige begrænsninger, såsom deres høje vedligeholdelsesomkostninger, begrænset runlængder som følge af behovet for reaktivering, og den manglende evne til at reagere på ændrede kvalitetsegenskaber, som normalt forekommer i spildevandsrensning strømme; f.eks diffusionsprocesser af den bionedbrydelige organiske stof i membranen og forskellige reaktioner fra forskellige mikrobielle arter, som fører til problemer med reproducerbarheden af ​​resultatet. En anden vigtig begrænsning er den usikkerhed, der er forbundet med kalibrering funktion for at oversætte BOD erstatning i den virkelige BOD.

BOD Software-sensor

Rustum et al. foreslog brugen af ​​KSOM at udvikle intelligente modeller for at gøre hurtige slutninger om BOD bruger andre let at måle parametre vandkvalitet, som i modsætning til BOD, kan fås direkte og pålideligt ved hjælp af on-line hardware sensorer. Dette vil gøre brug af BOD til overvågning online-processen og styre en mere plausibel proposition. I sammenligning med andre datadrevne modellering paradigmer såsom flere lag perceptroner kunstige neurale netværk og klassisk multi-variate regressionsanalyse, er KSOM ikke negativt påvirket af manglende data. Endvidere tid sekventering af data er ikke et problem i forhold til klassisk tidsrækkeanalyse.

  0   0
Forrige artikel Dolmen Press
Næste artikel Fiddlers 'Bid

Kommentarer - 0

Ingen kommentar

Tilføj en kommentar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tegn tilbage: 3000
captcha