Qual è il principio dell'apparecchio BOD a metodo manometrico?

Una delle cose più importanti è monitorare la qualità dell'acqua per proteggere l'ambiente e la salute pubblica, il che comporta il test del consumo biochimico di ossigeno (BOD). Il test BOD è importante perché indica il grado di inquinamento organico nell'acqua in base alla quantità di ossigeno consumata dai microrganismi presenti nell'acqua mentre degradano la materia organica. Il metodo manometrico è uno dei metodi più diffusi per il test del BOD grazie alla sua affidabilità e facilità d'uso. L'apparecchiatura per il BOD con metodo manometrico si trova ormai in molti laboratori, strutture per il monitoraggio ambientale e impianti industriali in tutto il mondo. Questo articolo spiegherà i principi fondamentali di questa apparecchiatura, il suo metodo di funzionamento, le caratteristiche e le funzioni, in modo da consentirvi di comprenderla nel modo più approfondito possibile.

Le basi del BOD

Prima di analizzare i principi dei metodi manometrici degli apparecchi per il BOD, dobbiamo spiegare i principi fondamentali del significato di BOD. BOD indica il consumo biologico di ossigeno di un corpo idrico. Quando nel water sono presenti materiali organici, come proteine, carboidrati e grassi, determinati batteri e funghi utilizzano questi composti organici scomponendoli per ottenere energia e nutrienti. Questa decomposizione consuma ossigeno, e la quantità di ossigeno consumata in un determinato periodo di tempo (solitamente 5 giorni a 20 °C, noto come BOD5) è ciò che chiamiamo BOD.

Altri indicatori suggeriscono anche il significato dei valori BOD. Valori elevati di BOD indicano la presenza di grandi quantità di inquinanti organici nell'acqua. Se questi inquinanti organici non vengono regolamentati, l'ossigeno disciolto nell'acqua si esaurisce. Questo fenomeno è noto come ipossia/anossia. È pericoloso per gli organismi acquatici come pesci e gamberi e per l'ecosistema acquatico nel suo complesso. Valori bassi di BOD indicano un livello ridotto di inquinanti organici e che l'acqua è relativamente pulita. Di conseguenza, l'accuratezza del test BOD rappresenta una fase essenziale per determinare la qualità dell'acqua, elaborare strategie di controllo dell'inquinamento e progettare l'ecosistema al fine di soddisfare le condizioni ambientali desiderate.

Metodo manometrico

L'apparecchio per il metodo manometrico del DBO funziona in base alla relazione tra il consumo di ossigeno e la diminuzione della pressione in un sistema chiuso. Quando la materia organica viene decomposta da microrganismi in un sistema chiuso, viene assorbito ossigeno e prodotta anidride carbonica (CO₂). Se il sistema chiuso è dotato di un assorbitore di CO₂ (ovvero un sistema che rimuove la CO₂ dal contenitore, consentendoci così di trascurare quella parte della reazione), l'unico cambiamento nel sistema chiuso sarà una riduzione della pressione dovuta al consumo di ossigeno. La perdita di pressione può essere tradotta nel volume di ossigeno consumato, uguagliando il volume di ossigeno nel sistema al DBO del campione.

Il metodo manometrico, a differenza di diverse altre metodologie che richiederebbero potenzialmente una titolazione o l'uso di un sensore elettrochimico per misurare il consumo di ossigeno, traduce piuttosto il consumo di ossigeno in una diminuzione della pressione attraverso un sistema chiuso. Questo non solo semplifica gran parte della sequenza operativa, ma garantisce anche che il metodo sarà accurato e stabile, rispetto ad altri metodi, per il periodo di misurazione del BOD che può variare da 1 a 30 giorni.

Funzionamento passo dopo passo dell'apparecchiatura manometrica per il BOD

L'apparecchiatura manometrica per il BOD segue una sequenza logica di passaggi, dalla preparazione del campione al calcolo dei dati. La procedura si sviluppa in una sequenza logica:

I primi passaggi nella raccolta e preparazione dei campioni sono fondamentali. Vengono prelevati campioni d'acqua e posti in bottiglie sterili per l'incubazione. I microorganismi sono importanti nel processo di degradazione della materia organica. Pertanto, alcuni campioni richiedono microorganismi indigeni aggiuntivi (soprattutto nelle acque reflue industriali altamente trattate). In questo caso, viene aggiunto un idoneo inocolo (contenente microorganismi attivi) per garantire che il processo di decomposizione possa procedere. Il campione viene quindi diluito a una concentrazione adeguata in modo che ci sia ossigeno sufficiente per l'attività microbica e che non venga esaurito durante l'intero periodo di incubazione.

Quindi, la bottiglia di incubazione viene chiusa ermeticamente per creare un sistema chiuso. La maggior parte degli apparecchi manometrici per il BOD include un assorbente di CO₂. In questo caso, si tratta di una sostanza chimica (idrossido di sodio (NaOH) o idrossido di potassio (KOH)) posta in un piccolo scomparto del sistema sigillato. Questo assorbente è efficace nel catturare la CO₂ prodotta dalla decomposizione microbica e impedisce l'accumulo di CO₂, un sottoprodotto dell'attività microbica, che altrimenti aumenterebbe la pressione all'interno della bottiglia.

Il test del BOD si basa sul corretto funzionamento di organismi microbici, quindi la bottiglia di incubazione sigillata viene posta in un incubatore a temperatura costante regolato a 20 °C, condizione più adatta per l'attività microbica. Il periodo di incubazione più comune è di 5 giorni (ovvero BOD5), anche se in alcuni casi può essere richiesto un periodo più lungo, fino a 30 giorni, per ottenere risultati completi.

Durante l'incubazione, i microorganismi degradano la materia organica (in questo caso l'esca) consumando ossigeno interno e producendo CO2. La CO2 viene assorbita dall'assorbente e la pressione interna della bottiglia sigillata diminuisce. L'apparato manometrico per il BOD è dotato di manometri e trasduttori che registrano le variazioni di pressione. Queste registrazioni mostrano le variazioni nel tempo.

Per ottenere il valore di BOD, calcoliamo la perdita di pressione. La caduta di pressione è direttamente proporzionale alla quantità di ossigeno utilizzato. Il dispositivo o il software associato utilizza l'equazione dei gas ideali per calcolare la perdita di ossigeno, che viene poi convertita in BOD. Il BOD è solitamente espresso in unità parziali o in mg/L. Il calcolo si basa sul volume del campione, sulla temperatura di incubazione e sulla pressione atmosferica per garantire risultati di alta qualità.

Caratteristiche dei dispositivi manometrici per il BOD di buona qualità.

Non tutti i dispositivi manometrici per il BOD sono uguali. I dispositivi di alta qualità presentano caratteristiche specifiche che li distinguono in termini di prestazioni ed esperienza d'uso. Queste caratteristiche sono state affinate negli anni grazie all'esperienza sul campo e a iterazioni del prodotto, al fine di garantire prestazioni ottimali in usi diversi.

Una delle caratteristiche più importanti è la capacità multi-posizione del dispositivo. Molti manometri per il BOD sviluppati recentemente dispongono di diverse posizioni (ad esempio 12) di incubazione, in modo da poter testare contemporaneamente più serie di campioni. Ciò consente un notevole risparmio di tempo nei test, poiché molti laboratori e altre strutture devono lavorare con un elevato numero di serie di campioni.

Un'altra caratteristica fondamentale è la stabilità a lungo termine. Poiché i test BOD durano circa 30 giorni, l'apparecchiatura deve funzionare in modo costante durante l'intero periodo di incubazione. Gli strumenti di qualità utilizzano materiali resistenti nei sistemi sigillati per difendersi dall'ingresso d'aria, consentendo ai sistemi autonomi di misurare con precisione la pressione per lunghi periodi di tempo. I trasduttori di pressione sono inoltre regolati in modo da mantenere nel tempo la stessa sensibilità e accuratezza delle misurazioni.

Altre caratteristiche avanzate molto apprezzate includono l'automazione e la registrazione dei dati. Le moderne apparecchiature manometriche per il BOD sono spesso dotate di funzioni di registrazione dati, che registrano automaticamente le variazioni di pressione negli intervalli di tempo specificati dall'utente. Questo passaggio evita all'operatore l'inserimento manuale, riduce gli errori di trascrizione e semplifica la generazione di report e l'analisi dei dati. Alcuni dispositivi dispongono di funzionalità aggiuntive per ottimizzare l'elaborazione dei dati verso computer o sistemi informatici di gestione dei dati di laboratorio (LIMS).

Un altro vantaggio è la capacità di elaborare una varietà di tipi di campioni. L'apparecchiatura manometrica per il BOD di qualità può analizzare diversi tipi di campioni di acqua, dai reflui industriali e fognari alle acque superficiali e sotterranee. Può essere ottimizzata per diversi casi di prova variando il volume del campione e i rapporti di diluizione. La preparazione caratteristica del campione prevede l'uso di reagenti e consumabili pronti all'uso (come assorbenti specifici per la CO₂ e bottiglie sterili per l'incubazione), che garantiscono anche l'uniformità dei test.

Utilizzi pratici dell'apparecchiatura manometrica per il BOD

Affidabilità e precisione dell'apparecchiatura manometrica per il BOD consentono un'ampia gamma di applicazioni in diversi settori. Alcune delle applicazioni più comuni includono:

Nella protezione ambientale, le organizzazioni governative e non governative utilizzano l'apparecchiatura manometrica per il BOD per valutare la qualità delle acque superficiali (fiumi, laghi e bacini) e delle acque sotterranee. L'analisi del BOD su base costante aiuta a valutare e monitorare i cambiamenti nei livelli di inquinamento, rilevare e documentare la conformità alle misure di controllo dell'inquinamento e valutare la qualità complessiva dell'acqua. Ciò è essenziale per proteggere gli ecosistemi e garantire la sicurezza delle fonti di acqua potabile.

Nel settore industriale, l'apparecchiatura manometrica per il BOD è anch'essa un consumatore significativo. I settori alimentare e delle bevande, farmaceutico, tessile e della produzione chimica generano acque reflue organiche e richiedono il monitoraggio del BOD manometrico. Il BOD manometrico viene utilizzato per valutare i livelli di BOD delle acque reflue in ingresso (produzione) e in uscita (scarico). Al fine di accertare che le acque reflue abbiano un impatto minimo sull'ambiente e per prevenire sanzioni operative industriali ed ambientali. Le stesse tecnologie forniscono il trattamento delle acque reflue e assolvono agli obblighi ambientali per numerosi clienti industriali.

Oltre alle applicazioni industriali, molti impianti municipali (o pubblici) di trattamento delle acque reflue si avvalgono di dispositivi manometrici per la misurazione del BOD. Questi impianti analizzano i valori di BOD per valutare l'efficienza complessiva dei processi di trattamento effettuati nella grigliatura primaria, nel trattamento primario, nel trattamento secondario (biologico) e nella disinfezione finale. Misurando il BOD delle acque reflue trattate e di quelle successivamente scaricate, l'operatore dell'impianto può modificare i parametri di controllo del trattamento (ad esempio, la portata di aerazione, il tempo di trattenimento del fango) al fine di ottimizzare il processo e rispettare gli standard previsti per lo scarico finale dell'impianto.

Alcune istituzioni di ricerca e didattiche utilizzano anche dispositivi manometrici per la misurazione del BOD. Applicazioni specifiche possono includere lo studio della degradazione di determinati nuovi materiali organici in acqua, la valutazione dell'efficacia di nuove tecnologie per il trattamento delle acque reflue o il grado di perturbazione climatica attiva sulla microbiologia dell'acqua. Questi dispositivi sono la scelta ideale per la ricerca poiché richiedono misurazioni accurate e riproducibili.

Vantaggi dell'utilizzo del metodo manometrico per la prova del BOD

Molti utenti dei test del BOD preferiscono il metodo manometrico grazie ai numerosi vantaggi che offre rispetto ai metodi di diluizione, titolazione o elettrochimico.

L'accuratezza e l'affidabilità sono molto importanti. Il metodo manometrico misura direttamente il consumo di ossigeno rilevando le variazioni di pressione. Ciò elimina gli errori nella titolazione derivanti dalla determinazione del punto finale e gli errori provenienti dai sensori elettrochimici, nei quali possono verificarsi problemi di incrostazione e deriva della calibrazione. Essendo il sistema chiuso e dotato di un'efficace assorbenza della CO₂, le variazioni di pressione sono causate esclusivamente dal consumo di ossigeno, consentendo così risultati costanti e precisi.

Un vantaggio è la semplicità e facilità d'uso. Il metodo manometrico semplifica le operazioni, poiché il metodo di titolazione richiede passaggi complessi e una manipolazione accurata dei prodotti chimici. L'apparecchiatura si occupa autonomamente del monitoraggio e della registrazione dei dati; una volta preparato e sigillato il campione, l'apparecchio funziona con minimo intervento manuale. Questo lo rende adatto sia a tecnici esperti che, previa formazione basilare, anche a operatori meno qualificati.

Il metodo manometrico è indicato anche per il monitoraggio a lungo termine. L'apparecchiatura è progettata per garantire prestazioni stabili dei dati per periodi prolungati, fino a 30 giorni, risultando pertanto adatto per test BOD con tempi di incubazione lunghi. Ciò risulta utile nella valutazione della biodegradabilità di inquinanti organici persistenti o nel monitoraggio degli effetti a lungo termine dell'inquinamento nei corpi idrici, ed è molto vantaggioso.

Inoltre, il metodo manometrico offre risparmi a lungo termine. Sebbene le apparecchiature manometriche di qualità per il BOD siano costose, sono più economiche da gestire rispetto ad altri metodi e richiedono poca manutenzione. L'uso di reagenti pronti e di altri materiali di consumo evita sprechi e aumenta l'affidabilità, mentre la configurazione multi-posizione ottimizza i test, riducendo tempo e risorse necessarie per elaborare i campioni nel flusso di lavoro.

Fattori consigliati per la misurazione con l'apparecchio manometrico per BOD

Per utilizzare l'apparecchio manometrico e ottenere misurazioni soddisfacenti del BOD, è opportuno tenere in considerazione alcuni suggerimenti importanti:

Per iniziare, ottenere un campione rappresentativo. Nelle procedure standard di campionamento, è fondamentale evitare contaminazioni e garantire che il campione sia rappresentativo dell'intero corpo idrico. Evitare di prelevare campioni solo dalla superficie o solo dal fondo. Prelevare invece campioni da diverse profondità e posizioni, quindi mescolarli tutti prima di eseguire i test.

La corretta diluizione del campione è molto importante. Se il BOD del campione è troppo elevato, il sistema chiuderà l'ossigeno troppo rapidamente, causando una rilevazione errata delle informazioni. Se invece il BOD è troppo basso, la variazione di pressione sarà troppo piccola perché il sistema possa misurare con precisione il cambiamento. Utilizzare i rapporti di diluizione come linea guida generale in base all'intervallo di BOD del campione considerato, e valutare di effettuare prove preliminari per ottimizzare la diluizione.

Mantenere la temperatura di incubazione in un intervallo molto rigoroso. I microrganismi presenti nel campione sono molto sensibili alla temperatura. Se la temperatura si discosta dai precisi 20 °C, ciò altererà il risultato del BOD. Mantenere l'incubatore a una temperatura costante entro 1 °C rispetto al valore impostato e non posizionare l'incubatore in luoghi soggetti a fluttuazioni termiche (vicino a finestre, riscaldatori e refrigeratori).

Calibrare l'equipaggiamento a intervalli regolari. Anche manometri per BOD di buona qualità e realizzati professionalmente perdono precisione nel tempo e necessitano di calibrazione. Seguire le istruzioni del produttore per la calibrazione del manometro, del trasduttore con gas standard e di campioni di riferimento con BOD noto. Eseguire questa operazione almeno ogni pochi mesi, o ancora più frequentemente, a seconda dell'utilizzo dell'equipaggiamento.

Prestare attenzione all'assorbente di CO₂. L'assorbente di CO₂ deve essere fresco per assorbire correttamente la CO₂. Se l'assorbente è degradato (segni come cambiamento di colore o agglomerazione), sostituirlo. L'assorbente deve essere posizionato nello scomparto apposito, poiché non deve mai entrare in contatto con il campione, altrimenti il campione risulterebbe contaminato e i risultati non sarebbero utilizzabili.

Evitare perdite d'aria nel sistema chiuso. Se la chiusura della bottiglia di incubazione perde o se la guarnizione è danneggiata in qualche modo, l'aria può penetrare nel sistema e le letture di pressione risulteranno inaccurate. Prima dell'incubazione, ispezionare la chiusura per verificarne l'integrità e l'assenza di usura, così come delle valvole. Assicurarsi che la chiusura della bottiglia di incubazione sia ben serrata. Se si utilizzano bottiglie riutilizzabili, è importante pulirle dopo ogni uso, rimuovendo qualsiasi materiale che potrebbe interferire con la tenuta.

Conclusione

L'apparecchiatura per il metodo manometrico del DBO è un eccellente sistema di monitoraggio della qualità dell'acqua basato su un principio stimabile; ovvero la variazione di pressione dovuta al rilevabile cambiamento dell'ossigeno disciolto durante la degradazione microbica della materia organica. L'accuratezza di questo metodo è insuperabile, ed è per questo che rappresenta il metodo di riferimento nel campo del monitoraggio ambientale, del trattamento delle acque reflue industriali, del trattamento delle acque di scarico municipali e persino nell'ambito accademico. Per ottenere il massimo dall'apparecchiatura è necessario comprenderne il principio di funzionamento, le caratteristiche e il modo in cui può essere applicata praticamente per ottenere dati accurati e affidabili sul DBO, dati che possono risultare fondamentali nelle decisioni da prendere.

Con la crescente preoccupazione per l'inquinamento delle acque in tutto il mondo, la necessità di test accurati ed efficienti del BOD aumenterà sicuramente. L'apparecchio per il BOD con metodo manometrico è uno dei sistemi di monitoraggio della qualità dell'acqua dotati della migliore tecnologia e usabilità, e sarà uno dei sistemi in grado di salvaguardare le nostre risorse idriche. Imparare a utilizzare correttamente l'apparecchio manometrico per il BOD è estremamente importante per ingegneri e/o ricercatori che attribuiscono valore al controllo dell'inquinamento e alla gestione efficace della qualità dell'acqua.