ما هو مبدأ جهاز BOD بطريقة القياس الضغطي؟

من أهم الأمور مراقبة نوعية المياه لحماية البيئة والصحة العامة، ويشمل ذلك إجراء اختبار الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD). يُعد اختبار BOD مهمًا لأنه يدل على مدى التلوث العضوي في الماء استنادًا إلى كمية الأكسجين التي تستهلكها الكائنات الدقيقة في الماء أثناء تحللها للمواد العضوية. تُعد الطريقة المانومترية واحدة من أكثر طرق اختبار BOD شيوعًا نظرًا لمصداقيتها وسهولة استخدامها. وتُوجد أجهزة قياس BOD بالطريقة المانومترية الآن في العديد من المختبرات ومرافق الرقابة البيئية والمنشآت الصناعية حول العالم. سيوضح هذا المقال المبادئ الأساسية لهذا الجهاز، وطريقة عمله، وميزاته ووظائفه، بحيث يمكنك فهم الجهاز قدر الإمكان.

أساسيات BOD

قبل أن نحلل مبادئ الطرق المانومترية لأجهزة الـ BOD، يجب أن نوضح المبادئ الأساسية الكامنة وراء معنى الـ BOD. يرمز مصطلح BOD إلى استهلاك الأكسجين البيولوجي في الجسم المائي. عندما توجد مواد عضوية مثل البروتينات والكربوهيدرات والدهون في الماء، تقوم بكتيريا وفطريات معينة باستغلال هذه المواد العضوية وتقطيعها للحصول على الطاقة والعناصر الغذائية. ويستخدم هذا التحلل الأكسجين، ومقدار الأكسجين المستهلك خلال فترة زمنية معينة (عادةً 5 أيام عند درجة حرارة 20 °م، وتُعرف بـ BOD5) هو ما نسميه الـ BOD.

تشير مؤشرات أخرى أيضًا إلى ما تعنيه قيم الـ BOD. فقيم الـ BOD العالية تشير إلى وجود ملوثات عضوية كبيرة في الماء. وإذا لم يتم تنظيم هذه الملوثات العضوية، فإن الأكسجين الذائب في الماء سيُستنفد. ويُعرف هذا الوضع باسم فرط التأكسج/الاختناق. وهذا أمر خطير بالنسبة للكائنات المائية مثل الأسماك والجمبري، وكذلك للنظام البيئي المائي ككل. وتشير القيم المنخفضة لـ BOD إلى انخفاض مستوى الملوثات العضوية في الماء، وبأن الماء نظيف نسبيًا. وبالتالي، فإن دقة اختبار الـ BOD تمثل خطوة أساسية في تحديد جودة المياه، ووضع استراتيجيات للتحكم في التلوث، وتصميم النظام البيئي لتلبية الظروف البيئية المرغوبة.

الطريقة المانومترية

تعمل أداة قياس الـBOD بطريقة المانومتر استنادًا إلى العلاقة بين استهلاك الأكسجين وانخفاض الضغط في نظام مغلق. عندما تتحلل المادة العضوية بواسطة الكائنات الدقيقة في نظام مغلق، يتم استهلاك الأكسجين وإنتاج ثاني أكسيد الكربون (CO₂). إذا كان النظام المغلق يحتوي على وسيلة لامتصاص CO₂ (أي نظام يزيل CO₂ من الحاوية، مما يمكننا من تجاهل هذه الجزئية من التفاعل)، فسيكون التغير الوحيد في النظام المغلق هو انخفاض الضغط الناتج عن استهلاك الأكسجين. ويمكن ترجمة فقدان الضغط إلى حجم الأكسجين المستهلك، وبذلك يُعادل حجم الأكسجين في النظام قيمة الـBOD للعينة.

تُعد طريقة المانومتر، على عكس العديد من الطرق الأخرى التي قد تتطلب عملية ترسيب أو استخدام مستشعر كهروكيميائي لقياس استهلاك الأكسجين، تعتمد على تحويل استهلاك الأكسجين إلى انخفاض في الضغط من خلال نظام مغلق. وهذا لا يبسط جزءًا كبيرًا من التسلسل التشغيلي فحسب، بل يضمن أيضًا أن تكون الطريقة دقيقة ومستقرة مقارنة بالطرق الأخرى، طوال فترة قياس الـ BOD التي قد تتراوح من 1 إلى 30 يومًا.

كيف يعمل جهاز قياس الـ BOD المانومتري خطوة بخطوة

يتبع جهاز قياس الـ BOD المانومتري سلسلة من الخطوات المنطقية مرتبة من إعداد العينة حتى حساب البيانات. ويتمثل الإجراء في تسلسل منطقي كالتالي:

الخطوات الأولى في جمع العينات وإعدادها هي خطوات حاسمة. تُؤخذ عينات من الماء وتُوضع في زجاجات معقمة للحضانة. تلعب الكائنات الدقيقة دورًا مهمًا في عملية تحلل المادة العضوية. وبالتالي، قد تحتاج بعض العينات إلى إضافة كائنات دقيقة محلية إضافية (خاصةً في مياه الصرف الصناعي المعالجة بشكل مكثف). في هذه الحالة، يُضاف مستنبت مناسب (يحتوي على كائنات دقيقة نشطة) لضمان استمرار عملية التحلل. بعد ذلك، تُخفف العينة إلى تركيز مناسب بحيث يكون هناك ما يكفي من الأكسجين لتمكين النشاط الميكروبي دون أن يستنفد طوال فترة الحضانة بالكامل.

ثم يُغلق زجاجة التحريض بإحكام لتكوين نظام مغلق. وتشمل أجهزة قياس الـBOD الغازية معظمها مادة ماصة لثاني أكسيد الكربون. وفي هذه الحالة، تكون المادة كيميائية (هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) أو هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH)) توضع في حجرة صغيرة داخل النظام المغلق. تكون هذه المادة فعّالة في التقاط ثاني أكسيد الكربون الناتج عن التحلل الميكروبي، وتمنع تراكم ثاني أكسيد الكربون، وهو منتج ثانوي للنشاط الميكروبي، مما يؤدي إلى زيادة الضغط داخل الزجاجة.

يعتمد اختبار الـBOD على الكائنات الميكروبية لكي يعمل بشكل صحيح، وبالتالي توضع الزجاجة المغلقة للتحريض في حاضنة ذات درجة حرارة ثابتة مضبوطة على 20°م، وهي الدرجة الأنسب للنشاط الميكروبي. وتبلغ فترة التحريض الشائعة 5 أيام (أي BOD5)، وعلى الرغم من ذلك قد تتطلب بعض الحالات فترة أطول تصل إلى 30 يومًا لتحقيق النتائج الشاملة المطلوبة.

أثناء التحفيز، تقوم الكائنات الدقيقة بتحليل المادة العضوية (والتي تكون في هذه الحالة الطُعم) مع استهلاك الأكسجين الداخلي وإنتاج ثاني أكسيد الكربون. ويتم امتصاص CO2 بواسطة المادة الماصة، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط الداخلي للزجاجة المغلقة. وتأتي أجهزة قياس الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) المانومترية مزودة بأجهزة قياس الضغط وأجهزة استشعار تسجل تغيرات الضغط. وتُسجَّل هذه التغيرات بمرور الوقت.

للحصول على قيمة BOD، نحسب فقدان الضغط. ويكون الانخفاض في الضغط متناسباً طردياً مع كمية الأكسجين المستهلكة. ويستخدم الجهاز أو البرنامج المرفق معه معادلة الغاز المثالي لحساب فقدان الأكسجين، ثم يتم تحويله إلى قيمة BOD. وعادة ما تُقدَّم قيمة BOD بوحدات جزئية أو بالملليغرام/لتر. ويستند الحساب إلى حجم العينة ودرجة حرارة التحفيز والضغط الجوي للحصول على نتائج عالية الجودة.

خصائص أجهزة المانومتر ذات الجودة العالية لقياس BOD.

ليست جميع أجهزة الـBOD المانومترية متماثلة. فالأجهزة عالية الجودة تمتلك خصائص معينة تُميزها من حيث الأداء وتجربة المستخدم. وقد تم صقل هذه الخصائص على مدى سنوات من الخبرة الميدانية وتكرار تطوير المنتجات لجعل الأجهزة تحقق أداءً مثاليًا في استخدامات متنوعة.

واحدة من أهم هذه الخصائص هي قدرة الجهاز على التعددية في المواقع. فعديد من أجهزة قياس الـBOD المانومترية التي طُوّرت حديثًا تحتوي على عدة مواقع (مثلاً 12 موقعًا) للحضانة، بحيث يمكن اختبار مجموعات عديدة من العينات في الوقت نفسه. وهذا يوفر كثيرًا من الوقت في الاختبارات، نظرًا لضرورة العديد من المختبرات والمنشآت الأخرى العمل بعدد كبير من مجموعات العينات.

يُعد الاستقرار على المدى الطويل خاصيةً حاسمة أخرى. وبما أن اختبارات الطلب الحيوي على الأكسجين (BOD) تستغرق حوالي 30 يومًا، يجب أن تُبقي الأجهزة أداءً ثابتًا طوال فترة الحضن بالكامل. وتستخدم الأجهزة عالية الجودة مواد قوية في أنظمة الإغلاق لحمايتها من تسرب الهواء، مما يمكّن الأنظمة المغلقة من قياس الضغط بدقة على مدى فترات طويلة. كما يتم ضبط مستشعرات الضغط بحيث تحافظ على نفس درجة الحساسية ودقة القياسات لفترة طويلة.

ومن بين الميزات المتقدمة الأخرى التي تُقدَّر كثيرًا كل من الأتمتة وتسجيل البيانات. وغالبًا ما تكون أجهزة BOD الكاشفة للضغط الحديثة مزودة بوظائف لتسجيل البيانات تسجّل تلقائيًا التغيرات في الضغط خلال فترات زمنية محددة من قبل المستخدم. وهذه الخطوة توفر على المشغل إدخال البيانات يدويًا، وتقلل من أخطاء النسخ، وتبسّط إعداد التقارير وتحليل البيانات. وبعض الأجهزة تحتوي على ميزات إضافية تسهّل نقل البيانات ومعالجتها على الحواسيب أو أنظمة إدارة بيانات المختبر (LIMS).

ميزة أخرى هي القدرة على معالجة أنواع متنوعة من العينات. يمكن لأجهزة قياس الأكسجين الحيوي الكيميائي (BOD) ذات الجودة العالية ومعالجة أنواع مختلفة من عينات المياه، بدءًا من مياه الصرف الصناعية والمجاري البلدية وصولاً إلى مياه السطح والمياه الجوفية. ويمكن تحسينها لأنواع مختلفة من الاختبارات من خلال تغيير حجم العينة ونسب التخفيف. وتُعدّ استخدام الكواشف المسبقة الصنع والمستهلكات (مثل امتصاصات ثاني أكسيد الكربون المتخصصة وزجاجات الحضن المعقمة) جزءًا أساسيًا من تحضير العينات، مما يضمن أيضًا توحيد الإجراءات التجريبية.

الاستخدامات العملية لأجهزة قياس الأكسجين الحيوي الكيميائي (BOD) بالضغط

توفر أجهزة قياس الأكسجين الحيوي الكيميائي (BOD) بالضغط موثوقية ودقة تؤهلها لمجموعة واسعة من التطبيقات عبر مجالات مختلفة. وتشمل بعض التطبيقات الأكثر شيوعًا ما يلي:

في مجال حماية البيئة، تستخدم الحكومات والمنظمات غير الحكومية جهاز الـBOD القياسى لتقدير جودة المياه السطحية (الأنهار، والبحيرات، والخزانات) ومياه الجوف. ويساعد اختبار الـBOD بشكل منتظم في تقييم ورصد التغيرات في مستويات التلوث، واكتشاف وتوثيق الامتثال لإجراءات مكافحة التلوث، وتقييم جودة المياه بشكل عام. وهذا أمر ضروري لحماية النظم الإيكولوجية وضمان سلامة مصادر المياه الصالحة للشرب.

في القطاع الصناعي، يُعد جهاز الـBOD المانومتري مستهلكًا كبيرًا أيضًا. تُنتج صناعات الأغذية والمشروبات والأدوية والمنسوجات والصناعات الكيميائية مياهَ صرفٍ عضويةً وتتطلب مراقبة الـBOD المانومتري. ويُستخدم الـBOD المانومتري لتقييم مستويات الـBOD في مياه الصرف الداخلة (الإنتاج) والخارجة (التخلص). وذلك لضمان تأثير الحد الأدنى لمياه الصرف على البيئة، ولتجنب الغرامات التشغيلية الصناعية والبيئية. وتوفر التقنيات نفسها حلول معالجة مياه الصرف والتزامات الحماية البيئية لعدد كبير من العملاء الصناعيين.

بجانب التطبيقات الصناعية، تعتمد العديد من محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية (أو العامة) أيضًا على أجهزة قياس الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) بطريقة المانومتر. تقوم هذه المحطات بقياس قيم الطلب البيولوجي على الأكسجين لتقييم الكفاءة الشاملة لعمليات المعالجة التي تُجرى في المرشح الأولي، والمعالجة الأولية، والمعالجة الثانوية (البيولوجية)، والتخلص النهائي. ومن خلال قياس الطلب البيولوجي على الأكسجين في مياه الصرف الصحي قبل المعالجة وبعدها، يمكن لمشغل المحطة تعديل معايير التحكم في المعالجة (مثل معدل التهوية، ووقت احتجاز الطين) لتحقيق تحسين المعالجة والوفاء بمعايير المياه الناتجة النهائية التي يتم تصريفها من المحطة.

تستخدم بعض المؤسسات البحثية والتعليمية أيضًا أجهزة قياس الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) بالطريقة البارومترية. وتشمل التطبيقات المحددة دراسة تحلل مواد عضوية جديدة معينة في الماء، وتقييم أداء تقنيات جديدة لمعالجة مياه الصرف الصحي، أو درجة التأثير المناخي النشط على علم الأحياء الدقيقة في المياه. تمثل هذه الأجهزة الخيار المثالي للبحث نظرًا لحاجتها إلى قياسات دقيقة وقابلة للتكرار.

مزايا استخدام الطريقة البارومترية لاختبار الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD)

يفضل العديد من مستخدمي اختبارات الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) الطريقة البارومترية بسبب المزايا المتعددة التي توفرها مقارنةً بالطرق الأخرى مثل التخفيف أو المعايرة أو الطرق الكهروكيميائية.

الدقة والموثوقية مهمان جدًا. تقيس طريقة القياس الضغطي استهلاك الأكسجين بشكل مباشر من خلال قياس التغيرات في الضغط. وهذا يزيل الأخطاء الناتجة عن التitrage بسبب تحديد نقطة النهاية، وكذلك الأخطاء الناتجة عن أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية حيث يمكن أن تحدث مشكلات مثل التلوث أو انحراف المعايرة. وبما أن تصميم النظام مغلق ويحتوي على امتصاص فعّال لثاني أكسيد الكربون، فإن التغيرات في الضغط تكون ناتجة فقط عن استهلاك الأكسجين، وبالتالي يُحصل على نتائج دقيقة وثابتة.

من المزايا البساطة وسهولة التشغيل. حيث تبسط طريقة القياس الضغطي الإجراءات لأن طريقة التخفيف تتضمن خطوات معقدة من التitrage ومعالجة دقيقة للمواد الكيميائية. وتتولى الأداة مراقبة العينة وتسجيل البيانات، وبالتالي بمجرد إعداد العينة وإغلاقها، تعمل الأداة بجهد يدوي ضئيل جدًا. وهذا يجعلها مناسبة للتقنيين ذوي الخبرة، كما أنها مناسبة أيضًا للمشغلين الأقل مهارة مع تدريب أساسي جدًا.

تعتبر الطريقة المانومترية جيدة أيضًا للرصد على المدى الطويل. صُممت الأجهزة لتوفير أداء مستقر للبيانات لفترات طويلة تصل إلى 30 يومًا، مما يجعلها مناسبة لاختبارات الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) التي تتطلب أوقات حضانة طويلة. ويساعد هذا في تقييم قابلية الملوثات العضوية الثابتة للتحلل البيولوجي، أو في مراقبة التأثيرات طويلة المدى للتلوث في المجاري المائية، وهو ما يُعد مفيدًا للغاية.

كما أن الطريقة المانومترية توفر توفيرات على المدى الطويل. فعلى الرغم من أن معدات اختبار الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) المانومترية عالية الجودة باهظة الثمن، إلا أنها أرخص في التشغيل مقارنة بالطرق الأخرى وتحتاج إلى صيانة بسيطة. ويمنع استخدام الكواشف المسبقة الصنع والمستهلكات الأخرى الهدر ويعزز الموثوقية، كما أن التصميم متعدد المواقع يبسط عملية الاختبار، مما يقلل الوقت والموارد اللازمة لإتمام عينات العمل ضمن سير العمل.

عوامل التوجيه في القياس باستخدام جهاز BOD المانومتري

من أجل استخدام الجهاز المانومتري والحصول على قياسات مرضية للطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD)، هناك بعض النصائح المهمة التي يجب مراعاتها:

للبدء، احصل على عينة ممثلة. في الإجراءات القياسية لأخذ العينات، من الضروري تجنب التلوث وضمان أن تعكس العينة الجسم المائي بأكمله. يجب تجنب أخذ العينات من السطح أو القاع فقط. بل يجب أخذ عينات من أعماق ومواقع مختلفة، ثم خلطها جميعًا قبل إجراء الاختبارات.

إن التخفيف الصحيح للعينة أمر بالغ الأهمية. إذا كان الطلب البيولوجي للأكسجين (BOD) في العينة مرتفعًا جدًا، فستفقد المنظومة المغلقة الأكسجين بسرعة كبيرة، مما يؤدي إلى الحصول على معلومات خاطئة. أما إذا كان الطلب البيولوجي للأكسجين (BOD) منخفضًا جدًا، فسوف يكون تغير الضغط صغيرًا جدًا بحيث لا يمكن للمنظومة قياس هذا التغير بدقة. استخدم نسب التخفيف كمبدأ عام بناءً على مدى قيمة الطلب البيولوجي للأكسجين (BOD) للعينة المُراد اختبارها، وفكّر في إجراء اختبارات تجريبية لتحقيق التخفيف الأمثل.

احتفظ بدرجة حرارة الحضانة ضمن نطاق ضيق جدًا. إن الكائنات الدقيقة الموجودة في العينة حساسة جدًا للحرارة. إذا تغيرت الحرارة عن الـ 20 مئوية تمامًا، فسوف يؤثر ذلك على نتيجة الـ BOD. اجعل الحضانة عند درجة حرارة ثابتة ضمن مدى ±1 مئوية من القيمة المحددة، ولا تضع الحضانة في أماكن تتعرض لتقلبات في درجة الحرارة (مثل النوافذ أو بالقرب من السخانات أو المبردات).

قم بمعايرة المعدات خلال فترات زمنية منتظمة. حتى أجهزة قياس الـ BOD ذات الجودة العالية والمصنوعة بشكل احترافي تفقد دقتها مع مرور الوقت وتحتاج إلى معايرة. اتبع تعليمات الشركة المصنعة لمعايرة مقياس الضغط والمحسّن باستخدام غازات قياسية وعينات مرجعية ذات قيمة BOD معروفة. ويجب القيام بذلك كل بضعة أشهر على الأقل، أو أكثر من ذلك حسب كثافة استخدام المعدات.

العناية بعامل امتصاص ثاني أكسيد الكربون. يجب أن يكون عامل امتصاص CO₂ طازجًا ليمتص CO₂ بشكل صحيح. إذا كان عامل الامتصاص قد تدهور (بأعراض مثل تغير اللون أو التكتل)، فاستبدله. يجب وضع العامل داخل الحجرة المخصصة لذلك، لأن العوامل لا يجب أن تلامس العينة بأي حال، وإلا ستتلوث العينة وتصبح النتائج غير قابلة للاستخدام.

منع تسرب الهواء إلى النظام المغلق. إذا كان إغلاق زجاجة الحضن يعاني من تسرب، أو إذا كانت العلبة متهالكة بطريقة ما، فقد يتسرب الهواء إلى النظام، ما يؤدي إلى قراءات ضغط غير دقيقة. قبل الحضن، افحص الإغلاق للتأكد من أنه سليم وغير متآكل، وكذلك الصمامات. تأكد من أن إغلاق زجاجة الحضن مثبت بإحكام. إذا استُخدمت زجاجات قابلة لإعادة الاستخدام، فمن المهم تنظيفها لإزالة أي مواد قد تتداخل مع الإغلاق بعد كل استخدام.

الاستنتاج

جهاز قياس الـ BOD بطريقة المانومتر هو نظام ممتاز لمراقبة جودة المياه، ويعتمد على مبدأ يمكن الاعتماد عليه؛ ألا وهو تغير الضغط الناتج عن التغير القابل للتسجيل في كمية الأكسجين المذاب أثناء التحلل الميكروبي للمواد العضوية. لا يُضاهى دقة هذه الطريقة، ولهذا السبب تُعد الطريقة المفضلة في مجال مراقبة البيئة، ومعالجة المياه الصناعية العادمة، ومعالجة مياه الصرف الصحي البلدية، بل وحتى في الأوساط الأكاديمية. ولتحقيق أفضل أداء ممكن من الجهاز، يتطلب الأمر فهم المبدأ الكامن وراءه، وطريقة عمله، وميزاته، وكذلك كيفية تطبيق الجهاز عمليًا للحصول على بيانات BOD دقيقة وموثوقة، يمكن أن تكون حاسمة في اتخاذ القرارات.

مع التزايد المستمر للقلق بشأن تلوث المياه في جميع أنحاء العالم، فإن الحاجة إلى اختبارات دقيقة وفعالة للكشف عن الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) سوف تزداد بالتأكيد. جهاز قياس الطلب البيولوجي الكيميائي بطريقة القياس المانومتري يعد أحد أنظمة مراقبة نوعية المياه التي تتميز بأفضل التقنيات وسهولة الاستخدام، وسيكون من بين الأنظمة المنقذة لمياهنا. ومن الأهمية بمكان إتقان استخدام جهاز الطلب البيولوجي الكيميائي المانومتري بالنسبة للمهندسين و/أو الباحثين الذين يهتمون بالتحكم في التلوث والإدارة الفعّالة لنوعية المياه.