Chương 5: Nhu cầu oxy hóa

Trang 1

ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai

5-1

CH NG 5

NHU C U OXY SINH HĨA

5.1 GI I THI U CHUNG

Nhu c u oxy sinh hĩa (BOD) là l ng oxy c n thi t đ vi sinh v t oxy hĩa các ch t h u

c cĩ kh n ng phân h y sinh h c trong đi u ki n hi u khí Khái ni m “cĩ kh n ng phân h y” cĩ ngh a là ch t h u c cĩ th dùng làm th c n cho vi sinh v t

BOD là m t trong nh ng ch tiêu đ c dùng đ đánh giá m c đ gây ơ nhi m c a các

ch t th i sinh ho t, n c th i cơng nghi p và kh n ng t làm s ch c a ngu n n c

Ch tiêu BOD đ c xác đ nh b ng cách đo đ c l ng oxy mà vi sinh v t tiêu th trong quá trình phân h y các ch t h u c Các m u ph i đ c b o qu n tránh ti p xúc v i khơng khí đ ng n c n oxy thơng khí hịa tan vào n c khi hàm l ng oxy hịa tan trong m u gi m Do hàm l ng oxy hịa tan bão hịa trong n c đ t kho ng 9 mg/L

200C, nh ng lo i n c th i cĩ hàm l ng ch t h u c cao ph i đ c pha lỗng thích

h p đ b o đ m l ng oxy hịa tan ph i t n t i trong su t quá trình thí nghi m Phân tích BOD áp d ng quá trình sinh h c nên ph i kh ng ch đi u ki n mơi tr ng thích

h p cho s sinh tr ng c a các vi sinh v t Các ch t đ c h i đ i v i vi sinh v t ph i

đ c lo i kh i dung d ch T t c các thành ph n dinh d ng c n thi t cho s phát tri n

c a vi sinh v t nh N, P và nh ng nguyên t vi l ng ph i đ c b sung Quá trình oxy hĩa hồn tồn các ch t h u c d i tác d ng c a vi sinh v t s t o thành CO2 và H2O

Do đĩ, vi sinh v t đ c b sung trong phân tích BOD đ c g i là “seed”

Ph ng trình ph n ng t ng quát cĩ th bi u di n nh sau:

CnHaObNc + (n + a/4 - b/2 - 3/4c)O2 → nCO2 + (a/2 – 3/2c)H2O + NH3 (5 - 1)

V n t c ph n ng phân h y ch t h u c trong thí nghi m BOD ph thu c vào nhi t đ

và n ng đ ch t h u c cĩ trong m u phân tích lo i tr nh h ng c a nhi t đ , thí nghi m đ c ti n hành 200

C Theo lý thuy t, ph n ng cĩ th xem là hồn tồn trong vịng 20 ngày, đây là kho ng th i gian khá dài Kinh nghi m cho th y, t l BOD5/BODt ng c ng t ng đ i cao nên th i gian 5 ngày là h p lý T l này cao hay

th p tùy thu c vào đ c tính c a “seed” và b n ch t c a ch t h u c N c th i sinh

ho t và nhi u lo i n c th i cơng nghi p cĩ BOD5 = 70 – 80% BOD t ng Th i gian 5 ngày cịn cĩ tác d ng lo i tr nh h ng c a quá trình oxy hĩa ammonia do Nitrosomonas và Nitrobacter gây ra

5.2 B N CH T C A PH N NG BOD

Nh ng nghiên c u đ ng h c cho th y r ng ph n ng BOD là ph n ng b c 1 cĩ ngh a

là v n t c ph n ng t l thu n v i l ng ch t h u c cĩ kh n ng phân h y sinh h c

T c đ ph n ng đ c bi u di n nh sau:

Trang 2

5-2

C k dt

−

(5 - 2)

C dt

dC =

− Trong đĩ, C đ c tr ng cho n ng đ c a ch t h u c cĩ kh n ng oxy hĩa, 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 cĩ:

kt t

k

t e L

Trong đĩ, k = k’/2,303, cơng th c này bi u di n l ng ch t h u c cịn 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 cịn l i theo th i gian cĩ d ng parabol t ng t đ ng cong phân rã c a m t nguyên t phĩng x Do đĩ, đ th mơ t l ng ch t h u c b oxy hĩa 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 hĩa, đ th bi u di n

l ng oxy s d ng theo th i gian c ng cĩ d ng parabol nh đ ng mơ t l ng ch t

h u c b oxy hĩa Hình 5.1 Hình 5.2 bi u di n đ ng cong BOD hay oxy tiêu th theo th i gian

L k dt

=

(5 - 4)

Trang 3

5-3

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 quá trình oxy hĩa ch t h u c

(b) nh h ng c a s nitrat hĩa

Trong m t s tr ng h p c n dùng “seed” trong phân tích BOD “Seed” cĩ th ch a vi khu n nitrat hĩa cĩ kh n ng oxy hĩa ch t khơng ch a carbon ch o n ng l ng Vi khu n nitrat hĩa 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 200

C c a chúng khơng quá l n đ dùng m t l ng đáng k oxy trong vịng 8 – 10 ngày đ u trong thí nghi m BOD Khi các sinh v t này phát tri n, chúng oxy hĩa nit d ng ammonia thành các acid HNO2

và acid HNO3 gây sai s đáng k cho thí nghi m BOD

nitrosomonat 2NH3+ 3O2 2NO2-+ 2H++ 2H2O (5 - 5)

nitrobacter

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 trị L

Trang 4

5-4

Khơng th dùng ch tiêu BOD đ xác đ nh l ng nit cĩ trong m u vì nit đ c thêm vào n c pha lỗng 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 hĩa 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 cĩ 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 hĩa 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 hĩa c ng cĩ th đ c làm gi m đáng k

nh quá trình kh trùng b ng clo

M u n c sơng và c a sơng th ng ch a l ng đáng k vi sinh v t nitrat hĩa H n

n a, s phát tri n c a t o c ng gây ra sai s cho giá tr BOD

Ch tiêu BOD đ c xác đ nh b ng cách phân tích hàm l ng oxy hịa tan Th ng m u phân tích cĩ hàm l ng ch t h u c cao nên c n ph i pha lỗng Tuy nhiên, khi hàm

l ng ch t h u c trong m u th p, cĩ th ti n hành phân tích tr c ti p, khơng ph i pha lỗng m u

Ph ng pháp tr c ti p

V i m u cĩ BOD5 khơng v t quá 7 mg/L, khơng pha lỗng, ch c n s c khí đ đ t oxy bão hịa 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 sơng

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 hịa tan (DO0) và nh ng chai cịn đ c 5 ngày 200

C Sau 5 ngày, xác

đ nh hàm l ng oxy hịa tan cịn l i (DO5) BOD5 = DO0 – DO5

Ph ng pháp tr c ti p xác đ nh BOD khơng bi n đ i m u, do đĩ cho k t qu đi u

ki n g n nh t ng t v i mơi tr ng t nhiên

Ph ng pháp pha lỗng

Ph ng pháp pha lỗng đ xác đ nh BOD d a trên c s t c đ phân h y sinh hĩa

ch t h u c t l thu n v i l ng ch t h u c ch a b oxy hĩa t n t i m t th i đi m nào đĩ

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 cơng nghi p cĩ BOD5 r t cao nên ph i pha lỗng nhi u l n do kh

n ng hịa 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

Trang 5

5-5

đĩ nhi u ch t th i cơng nghi p thi u m t ho c đơi khi c hai nguyên t này Do đĩ, vi c s d ng n c pha lỗng là c n thi t

N c pha lỗng

Nhi u lo i n c đ c th dùng làm n c pha lỗng trong thí nghi m BOD N c thiên nhiên cĩ th ch a t o và vi khu n nitrat hĩa, hàm l ng khống thay đ i, nên khơng thích h p N c máy c ng ch u h u h t nh ng h n ch c a các d ng n c b m t thêm vào đĩ là tính kh c a ph n clo cịn l i Kinh nghi m cho th y dùng n c pha lỗng t ng h p đi u ch t n c c t ho c n c đã kh khống là t t nh t

pH c a n c pha lỗng cĩ th thay đ i t 6,5 đ n 8,5 khơng gây nh h ng đ n ho t

đ ng c a vi khu n saprophytic Th ng đ m dung d ch b ng h n h p phosphate pH 7,0 Dung d ch đ m dùng đ duy trì pH thích h p

i u ki n th m th u thích h p đ c duy trì b ng K3PO4 và Na3PO4 Các mu i K, Na,

Ca và Mg thêm vào đ t o kh n ng đ m và th m th u thích h p c ng gĩp ph n cung

c p c n thi t cho s sinh tr ng và trao đ i ch t c a vi sinh v t FeCl3, MgSO4 và NH4Cl cung c p Fe, S và N Dung d ch đ m phosphate nh m cung c p P Trong tr ng

h p nhu c u oxy cĩ ch a nit ph i đ c đo, c n ph i lo i nit

N c pha lỗng ch a t t c nh ng ch t ch y u đ xác đ nh BOD tr vi sinh v t c n thi t Nhi u ch t đã đ c dùng làm “seed” Kinh nghi m cho th y r ng n c th i sinh

ho t, đ c bi t là n c t h th ng c ng chung là thích h p, th ng dùng 2 mL n c

th i cho m t lít n c pha lỗng M t s lo i n c sơng c ng th a yêu c u, nh ng ph i

c n th n tránh dùng n c cĩ ch a nit ph i đ c đo, c n ph i lo i nit

Trong tr ng h p ph i cung c p seed, n c pha lỗng c n ph i đ c hịa tr n v i seed và các ch t dinh d ng tr c khi thí nghi m đ b o đ m tính đ ng nh t c a n c pha lỗng s d ng

Cu i cùng, n c pha lỗng ph i đ c súc khí đ n khi đ t bão hịa oxy tr c khi s

d ng

S pha lỗng n c th i

Ng i phân tích t quy t đ nh m c đ pha lỗng m u, thơng th ng nên pha lỗng 3

t l khác nhau Khi n ng đ c a m u trong kho ng đ c bi t, ch c n pha lỗng 2 t

l khác nhau là đ i v i m u khơng bi t tr c n ng đ , trong nhi u tr ng h p c n

ph i pha lỗng 4 t l khác nhau M u phân tích ph i đ m b o cĩ ít nh t 0,5 mg/L oxy hịa tan th i đi m cu i c a giai đo n B ng 5.1 bi u di n t l pha lỗng c n thi t tính theo % ho c l y tr c ti p vào chai BOD (dung tích 300 mL) b ng pipet

Trang 6

5-6

đ BOD d đốn

% h n h p Dùng pipet l y m u vào chai BOD 300

mL

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

Trong quá trình ph i niêm mi ng chai BOD b ng m t màng khí đ ng n khơng khí hịa tan vào chai Chai BOD ph i đ c r a s ch dung d ch acid chromic ho c n c t y

r a N u dùng n c t y r a, chai ph i đ c r a l i b ng n c nĩng đ di t vi khu n nitrat hĩa Sau đĩ r a l i th t k b ng n c máy và tráng l n cu i b ng n c c t ho c

n c đã kh khống

Oxy hịa tan ban đ u

V i nh ng m u cĩ BOD < 200 mg/L, l ng m u > 1,0%, k t qu phân tích s sai s đáng k n u oxy hịa tan c a m u khác v i oxy hịa tan c a n c pha lỗng và khơng

th hi u ch nh đ c N u t l pha lỗng < 20%, m u đ c n đ nh nhi t đ 200

C,

s c khí đ n bão hịa, khi đĩ xem nh m u cĩ cùng n ng đ oxy hịa tan v i n c pha lỗng Do đĩ, khơng c n ph i xác đ nh n ng đ oxy hịa tan c a m u N u t l pha lỗng > 20%, c n ph i xác đ nh n ng đ oxy hịa tan c a m u

Trong phân tích BOD, đ gi m n ng đ oxy hịa tan sau 5 ngày ph i h n 2 mg/L và

n ng đ oxy hịa tan cịn l i ph i l n h n 0,5 mg/L, sai s thí nghi m kho ng ± 5%

5.4 V N T C C A QUÁ TRÌNH OXY HĨA SINH HĨA

H ng s t c đ c a ph n ng phân h y ch t h u c BOD đ c xem là k =0,10/ngày

200C Giá tr này cĩ đ c t nhi u nghiên c u v n c sơng b ơ nhi m và n c th i sinh ho t M và Anh K t qu thí nghi m đ i v i n c th i cơng nghi p s d ng

n c pha lỗng t ng h p cho th y k > 0,10/ngày và giá tr k c a các lo i n c th i khác nhau Giá tr k c a n c th i sinh ho t thay đ i đáng k m i ngày và giá tr trung bình là 0,17/ngày, khác v i giá tr 0,10/ngày nh đã xác đ nh tr c đây Các giá tr k

c a n c th i đã qua x lý sinh h c s th p h n n c th i ch a x lý Y u t khác nh

h ng đ n k t qu đo đ c BOD là nhi t đ Bi n thiên BOD theo th i gian đ c bi u

di n B ng 5.2

Trang 7

5-7

đ ph n ng k đ i v i BOD

% BOD t ng s d ng

Th i gian

(ngày)

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

B ng 5.2 cho th y ph n ng BOD thay đ i r t l n tùy thu c vào t c đ ph n ng Các

giá tr BOD5 b ng kho ng 68% BOD t ng k = 0,1/ngày và b ng 94% khi k = 0,25%/ngày

Ý ngh a quan tr ng c a k trong vi c xác đ nh h ng phát tri n ph n ng BOD đ c

minh h a Hình 5.3 i v i m t ch t th i cĩ giá tr L cho tr c, giá tr BOD5 s thay

đ i đáng k trong vịng 15 ngày Tr c đây, th ng bi u di n BOD5 ngày theo L b ng

cách cho k = 0,10/ngày Hình 5.4 cho th y giá tr L c a m t m u v i BOD5 = 200 thay

đ i theo giá tr k

Hình5.3 nh h ng c a h ng s t c đ đ i v i BOD ( m t giá tr L cho tr c)

300

250

200

150

100

50

0

0 5 10 15 20

Thời gian (ngày)

k = 0,30

k = 0,15

Trang 8

5-8

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 cĩ 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 hĩa h c t ng ng (xem Ph ng trình 5.10) Ví d , s oxy hĩa glucose thành CO2 và n c c n 192 gO2/mol ho c 1,065 mLO2/mol glucose

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O (5 - 10)

BOD c a dung d ch glucose cĩ n ng đ 300 mg/L theo lý thuy t là 320 mg/L Th c t , BOD20 dao đ ng t 250 đ n 285 Nh v y, khơng ph i t t c glucose đ c chuy n thành CO2 và H2O

vi sinh v t oxy hĩa 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

mơ t bào và di trì khơng b oxy hĩa cho đ n khi vi sinh v t s d ng các ch t h u c này trong quá trình hơ 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 cịn l i khơng b phân h y sinh h c là bùn

Kh o sát giá tr BOD c a các ch t h u c hịa 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 khơng ph i do s nitrat hĩa 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 hịa tan b tiêu th nhanh, kho ng 30% đ n 50% b oxy hĩa và ph n cịn l i đ c chuy n vào t bào vi sinh v t Khi s chuy n hĩa này đ c hồn thành, t c đ oxy hĩa gi m do quá trình hơ h p n i bào c a vi sinh v t M t ho c hai ngày sau t c đ oxy hĩa 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 đĩng vai trị

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 mơi 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 cơng nghi p BOD là

ch tiêu duy nh t đ xác đ nh l ng ch t h u c cĩ kh n ng phân h y sinh h c BOD cịn 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 dịng 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

Tiêu đề	Nhu cầu oxy sinh hóa
Người hướng dẫn	ThS. Huỳnh Ngọc Phương Mai
Trường học	Công Ty Môi Trường Tầm Nhìn Xanh
Thể loại	bài viết
Năm xuất bản	2006
Thành phố	Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	8
Dung lượng	256,25 KB