Khoa học về nhu cầu Oxy hóa học , nhu cầu Oxy sinh học và Tổng carbon hữu cơ

Đây là kiến thức rất thông dụng trong ngành môi trường , đo đạc và phân tích các chỉ tiêu COD (Nhu cầu Oxy hóa học)  , BOD (Nhu cầu Oxy sinh học) , TOC (Tổng carbon hữu cơ) . Do đó các tài liệu về khái niệm cơ bản , nguyên lý đo , quy trình phân tích , các quy  chuẩn, là rất phổ biến, bạn có thể tìm kiếm dễ dàng trên mạng . Bài viết sau đây , trích dẫn từ các tài liệu của nhà sản xuất thiết bị phân tích nước HACH Mỹ, và dựa vào kinh nghiệm sử dụng các thiết bị đo  , cũng như khuynh hướng thực tế đo / kiểm hiện nay . Tôi đã tổng hợp lại để gởi đến các bạn bài viết đầy đủ từ nguyên lý cơ bản , đến các phương pháp đo khác nhau,sử dụng các loại hóa chất khác nhau , các sai số đo và so sánh ưu điểm giữa chúng.

Phần I

I.Giới thiệu

Những tiến bộ gần đây trong nghiên cứu nhu cầu oxy đã mở rộng nhiều lựa chọn có sẵn để đo và phân tích .Mục đích của bài viết này này là : Cung cấp thông tin cơ bản về xét nghiệm nhu cầu oxy .Thảo luận so sánh về lợi thế của các phương pháp có sẵn, bao gồm cả Hach Mangan III mới được thiết kế để loại bỏ kim loại nặng nguy hiểm thải ra môi trường , và Phương pháp đo trực tiếp bằng đo độ hấp thu quang học tại bước sóng UV của các chất hữu cơ.

Nền tảng cơ bản về Xét nghiệm (đo) nhu cầu oxy :

Nhu cầu oxy là một thông số quan trọng để tính toán lượng ô nhiễm chất hữu cơ trong nước. Các xét nghiệm (đo ) có ứng dụng rộng nhất trong việc đo tải lượng chất thải của các nhà máy xử lý và trong việc đánh giá hiệu quả của quy trình xử lý. Các ứng dụng khác cũng bao gồm xét nghiệm (đo ) mẫu nước hồ và suối do ô nhiễm hữu cơ.

Việc đo  nhu cầu oxy không tính toán nồng độ của một chất cụ thể; đúng hơn, nó đo tác dụng của sự kết hợp của các chất. Bởi vì nhu cầu oxy không phải là chất gây ô nhiễm, nó không gây ra mối đe dọa trực tiếp đến sinh sống của cá hoặc các sự sống khác. Tuy nhiên nó có thể, đặt ra một mối đe dọa gián tiếp đến các sinh vật sống bằng giảm mức độ oxy hòa tan.

Có ba thông số để đo lường nhu cầu oxy được sử dụng rộng rãi

Hai phép đo nhu cầu oxy trực tiếp: Nhu cầu oxy sinh học (BOD) và Nhu cầu oxy hóa học (COD). Một cái còn lại đo nhu cầu Oxy gián tiếp là phương pháp thứ ba đo Tổng carbon hữu cơ (TOC) .

Xét nghiệm (đo) BOD

Trong ba phương pháp kiểm tra xác định nhu cầu Oxy (BOD, COD và TOC), kiểm tra BOD là  gần nhất với mô hình xử lý chất thải bằng hiếu khí .Trong phép đo này, vi sinh vật tiêu thụ hợp chất hữu cơ và tiêu thụ oxy tại cùng lúc. Thử nghiệm BOD tiêu chuẩn (BOD 5 ngày ) đo lượng oxy tiêu thụ một mẫu  trong trong thời gian năm ngày . Do thời gian dài cần thiết để hoàn thành xét nghiệm (đo) , kết quả chỉ cung cấp lịch sử dữ liệu và không tạo điều kiện đánh giá quy trình xử lý tối ưu . Phương pháp kiểm tra bị giới hạn trong một số ứng dụng chẳng hạn như nước thải công nghiệp, có  chứa các ion kim loại nặng, xyanua và các chất độc hại khác với vi sinh vật. Khi vi sinh vật bị nhiễm độc bởi các chất độc hại, chúng không thể oxy hóa chất thải , trong trường hợp này xét nghiệm BOD trở nên không hiệu quả.Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết hơn với xét nghiệm này ở phần sau.

Phân tích (đo) TOC

Đo Tổng lượng cacbon hữu cơ (TOC) sử dụng nhiệt, ánh sáng cực tím (UV), và một chất oxy hóa hóa học mạnh (hoặc tổng hợp ba cái trên) để oxy hóa các hợp chất hữu cơ thành CO₂ và H₂0. Nhu cầu oxy được đo gián tiếp bằng xác định lượng CO₂ sinh ra bằng quang phổ  hồng ngoại , đo độ dẫn, hoặc bằng chuẩn độ điện thế - coulometry (một điện kỹ thuật điện - hóa học). Phương pháp đo có thể mất vài phút đến vài giờ để hoàn thành và thông tin thu được từ phân tích TOC ít hữu ích hơn thông tin thu được

từ phân tích BOD và COD. Ngoài ra, phương pháp kiểm tra TOC không phân biệt giữa các hợp chất có cùng số các nguyên tử carbon trong các giai đoạn oxy hóa và do đó tạo ra kết quả nhu cầu oxy khác nhau. Bởi vì Xét nghiệm BOD và COD đo trực tiếp lượng oxy cần thiết để tính mẫu chất thải, kết quả phản ánh trạng thái cần thiết oxy hóa của các chất ô nhiễm . Điều này được làm rõ  bằng cách sử dụng ví dụ sau  : hai hợp chất có cùng số nguyên tử cacbon nhưng cần các lượng oxy hóa khác nhau để thành CO2 và H20.

Oxalic Acid    :           C₂H₂O₄ + 1/2 O₂ —> 2 CO₂ + H₂0

Ethanol          :            C₂H₆O + 3 O₂ —> 2 CO₂ + 3 H₂0

Trong khi kết quả TOC giống hệt nhau cho cả hai hợp chất, (2 CO₂) thì nhu cầu oxy của ethanol lớn gấp sáu lần nhu cầu axit oxalic và do đó sẽ ảnh hưởng lớn hơn nhiều đối với hàm lượng oxy hòa tan trong nước tiếp nhận.

Xét nghiệm (đo) COD

Thử nghiệm nhu cầu oxy hóa học (COD) sử dụng chất oxy hóa mạnh mẽ  trong dung dịch axit và đun nóng để oxy hóa  carbon hữu cơ thành CO₂ và H₂0. Theo định nghĩa, nhu cầu oxy hóa học là đo lượng oxy tương đương để oxy hóa lượng chất hữu cơ của một mẫu bằng một chất oxy hóa hóa học mạnh.

Nhu cầu Oxy được xác định do đo lượng chất oxy hóa tiêu thụ bằng cách sử dụng phương pháp chuẩn độ hoặc phương pháp đo quang . Xét nghiệm không bị ảnh hưởng xấu bởi chất độc (như kim loại nặng ) kết quả thử nghiệm có thể biết trong 1-1 / 2 đến 3 giờ,cung cấp quy trình điều khiển và đánh giá chất lượng nước nhanh.

Kết quả xét nghiệm COD cũng có thể được sử dụng để ước tính BOD  trên một mẫu nhất định. Một mối quan hệ thực nghiệm tồn tại giữa BOD, COD và TOC. Tuy nhiên, mối quan hệ cụ thể phải được thiết lập cho từng mẫu.Khi mối tương quan đã được thiết lập, thử nghiệm là hữu ích để theo dõi và điều khiển .

Bảng 1: so sánh thuộc tính của xét nghiệm BOD, COD và TOC.

Chất oxy hóa được sử dụng trong phân tích COD

Các nhà phân tích đã cố gắng sử dụng nhiều chất oxy hóa khác nhau trong quy trình kiểm tra COD. Các Phòng thí nghiệm đã có thử nghiệm với permanganate (trong cả dung dịch axit và bazơ), các loại chất Oxy hóa  Cerate, Persulfate,Periodate, Iốt,Bromate, Perbromate, Hypochlorite, Perchlorate, Ferrate,Bismuthate, Hydro peroxide, Ozone, Oxy,gốc hydroxyl, Vanadate, tia cực tím,sự kết hợp của một số chất oxy hóa và  kỹ thuật điện hóa. Những cách tiếp cận trên đã không phù hợp do các khó khăn trong điều chế thuốc thử, độ ổn định của thuốc thử, quá nhạy sáng, tính oxy hóa thấp  , chi phí cao và quá phức tạp với người sử dụng. Tuy nhiên , một số chất oxy hóa đã được chứng minh vượt qua các trở ngại đó .

Chất oxy hóa được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là Kali dicromat và gần đây là Mangan III sunfat. Bảng 2 tóm tắt các thuộc tính của chất oxy hóa không được sử dụng rộng rãi để thử nghiệm COD.

Bảng 2 Những chất Oxy hóa chính , không tính K₂Cr₂O₇ và Mn₂(SO4)₃