Care este principiul aparatului BOD prin metoda manometrică?

Unul dintre cele mai importante lucruri este monitorizarea calității apei pentru a proteja mediul și sănătatea publică, lucru care implică testarea cererii biochimice de oxigen (BOD). Testarea BOD este importantă deoarece indică gradul de poluare organică din apă, în funcție de cantitatea de oxigen consumată de microorganismele din apă atunci când descompun materiile organice. Metoda manometrică este una dintre cele mai populare metode de testare BOD datorită fiabilității și ușurinței de utilizare. Aparatura BOD prin metodă manometrică se găsește acum în multe laboratoare, stații de monitorizare a mediului și instalații industriale din întreaga lume. Acest articol va explica principiile fundamentale ale acestei aparaturi, metoda sa de funcționare, caracteristicile și funcțiile, astfel încât să puteți înțelege cât mai bine aparatul.

Noțiuni de bază despre BOD

Înainte de a analiza principiile metodelor manometrice ale aparatului BOD, trebuie să explicăm principiile fundamentale din spatele semnificației BOD. BOD înseamnă consumul biologic de oxigen al unui corp de apă. Atunci când există materiale organice, cum ar fi proteinele, carbohidrații și grăsimile, situate în apă, anumite bacterii și ciuperci preiau substanțele organice și le descompun pentru a obține energie și nutrienți. Această descompunere folosește oxigen, iar cantitatea de oxigen consumată într-un anumit interval de timp (de obicei 5 zile la 20 °C, cunoscută ca BOD5) este ceea ce numim BOD.

Alți indicatori sugerează, de asemenea, ce înseamnă valorile CBO. Valorile ridicate ale CBO sugerează prezența unor poluanți organici importanți în apă. Dacă acești poluanți organici nu sunt reglementați, oxigenul dizolvat în apă este epuizat. Aceasta se numește hipoxie/anoxie. Această situație este periculoasă pentru organismele acvatice, cum ar fi peștii și creveții, precum și pentru ecosistemul acvatic în ansamblu. Valorile scăzute ale CBO sugerează un nivel redus de poluanți organici în apă și faptul că apa este relativ curată. Ca urmare, acuratețea testului CBO reprezintă o etapă esențială în determinarea calității apei, elaborarea strategiilor de control al poluării și proiectarea ecosistemului pentru a satisface condițiile mediului dorite.

Metoda manometrică

Aparatul pentru măsurarea CCO prin metoda manometrică funcționează pe baza relației dintre consumul de oxigen și scăderea presiunii într-un sistem închis. Atunci când materia organică este descompusă de microorganisme într-un sistem închis, se consumă oxigen și se produce dioxid de carbon (CO₂). Dacă sistemul închis are un absorbant de CO₂ (adică un sistem care elimină CO₂ din recipient, permițându-ne astfel să neglijăm această parte a reacției), singura modificare din sistemul închis va fi o scădere a presiunii datorată consumului de oxigen. Scăderea presiunii poate fi transformată în volumul de oxigen consumat, echivalând volumul de oxigen din sistem cu CCO al probei.

Metoda manometrică, spre deosebire de mai multe alte metode care ar necesita potențial o titrare sau utilizarea unui senzor electrochimic pentru a măsura consumul de oxigen, transformă consumul de oxigen într-o scădere a presiunii printr-un sistem închis. Aceasta nu numai că simplifică o mare parte din secvența operațională, dar asigură și faptul că metoda va fi precisă și stabilă, comparativ cu alte metode, pe durata măsurării CBO care poate varia de la 1 la 30 de zile.

Cum funcționează aparatul manometric de determinare a CBO pas cu pas

Aparatul manometric de determinare a CBO urmează o succesiune logică de pași, de la pregătirea probei până la calculul datelor. Procedura avansează într-o secvență logică:

Primii pași în colectarea și pregătirea probelor sunt esențiali. Se preiau mostre de apă și se introduc în sticle sterile pentru incubare. Microorganismele au un rol important în procesul de degradare a materiei organice. Prin urmare, unor probe li se adaugă microorganisme indigene suplimentare (mai ales în cazul apelor uzate industriale foarte tratate). În acest caz, se adaugă un inocul potrivit (care conține microorganisme active) pentru a asigura desfășurarea procesului de descompunere. Apoi, proba este diluată la o concentrație adecvată, astfel încât să existe suficient oxigen pentru ca activitatea microbiană să aibă loc și să nu fie epuizat pe toată durata perioadei de incubare.

Apoi, fiola de incubare este închisă ermetic pentru a crea un sistem închis. Majoritatea aparatelor manometrice pentru CBO includ un absorbant de CO₂. În acest caz, este o substanță chimică (hidroxid de sodiu (NaOH) sau hidroxid de potasiu (KOH)) plasată într-un compartiment mic al sistemului etanș. Acest absorbant este eficient în captarea CO₂ produs prin descompunerea microbiană și împiedică acumularea CO₂, care este un produs secundar al activității microbiene, să crească presiunea din fiolă.

Testarea CBO se bazează pe organismele microbiene pentru a funcționa corespunzător, astfel că fiola de incubare etanșă este plasată într-un incubator cu temperatură constantă setat la 20° C, care este cea mai potrivită pentru activitatea microbiană. Perioada de incubare cea mai frecventă este de 5 zile (adică CBO5), deși în unele cazuri poate fi necesară o perioadă mai lungă, până la 30 de zile, pentru a obține rezultatele cuprinzătoare dorite.

În timpul incubării, microorganismele descompun materia organică (în acest caz momeala), consumând oxigenul intern și producând CO2. Dioxidul de carbon este absorbit de absorbant și presiunea internă a sticlei etanșate scade. Aparatul manometric BOD este echipat cu manometre și traductoare care înregistrează modificările de presiune. Acestea înregistrează schimbările în timp.

Pentru a obține valoarea BOD, calculăm pierderea de presiune. Scăderea de presiune este direct proporțională cu cantitatea de oxigen utilizată. Dispozitivul sau software-ul aferent folosește ecuația gazului ideal pentru a calcula pierderea de oxigen, care este apoi transformată în BOD. BOD este de obicei exprimat în unități parțiale sau în mg/L. Calculul se bazează pe volumul probei, temperatura de incubare și presiunea atmosferică pentru rezultate de înaltă calitate.

Caracteristicile dispozitivelor manometrice BOD de calitate.

Nu toate dispozitivele manometrice BOD sunt la fel. Dispozitivele de înaltă calitate au anumite caracteristici care le diferențiază în ceea ce privește performanța și experiența utilizatorului. Aceste caracteristici au fost perfecționate pe parcursul anilor de experiență în teren și al iterațiilor produsului, pentru ca instrumentele să aibă o performanță optimă în diverse aplicații.

Una dintre cele mai importante caracteristici este capacitatea multi-poziție a dispozitivului. Multe manometre BOD dezvoltate recent au mai multe poziții de incubare (de exemplu, 12), astfel încât mai multe seturi de probe pot fi testate simultan. Acest lucru reprezintă o mare economie de timp în testare, deoarece numeroase laboratoare și alte facilități trebuie să lucreze cu un număr mare de seturi de probe.

O altă caracteristică esențială este stabilitatea pe termen lung. Deoarece testele BOD durează aproximativ 30 de zile, aparatul trebuie să funcționeze constant pe întreaga perioadă de incubare. Instrumentele de calitate utilizează materiale rezistente pentru sistemele etanșe, protejând împotriva pierderii de aer, permițând sistemelor închise să măsoare presiunea cu acuratețe pe perioade lungi de timp. Traductoarele de presiune sunt, de asemenea, reglate astfel încât să-și mențină aceeași sensibilitate și acuratețe a măsurătorilor pe o perioadă lungă.

Alte caracteristici avansate, foarte apreciate, includ automatizarea și înregistrarea datelor. Aparatele moderne de BOD manometrice sunt adesea echipate cu funcții de înregistrare a datelor, care înregistrează automat modificările de presiune la intervale de timp stabilite de utilizator. Această etapă scutește operatorul de introducerea manuală, reduce erorile de transcriere și simplifică raportarea și analiza datelor. Unele dispozitive dispun de funcții suplimentare pentru facilitarea procesării datelor către calculatoare sau sisteme de management al datelor din laborator (LIMS).

Un alt avantaj este capacitatea de a procesa o varietate de tipuri de probe. Aparatele manometrice de calitate pentru CBO pot procesa diferite tipuri de mostre de apă, de la apele uzate industriale și canalizările municipale până la apele de suprafață și subterane. Ele pot fi optimizate pentru diverse cazuri de testare prin modificarea volumului probelor și a rapoartelor de diluție. O caracteristică importantă a pregătirii probelor o reprezintă utilizarea reactivilor și consumabilelor preformulate (cum ar fi absorbant special pentru CO₂ și sticle de incubare sterile), care asigură, de asemenea, uniformitatea testelor.

Utilizări practice ale aparatului manometric de CBO

Fiabilitatea și precizia oferite de aparatul manometric de CBO permit o gamă largă de aplicații în diferite domenii. Printre cele mai frecvente aplicații se numără:

În protecția mediului, organizațiile guvernamentale și neguvernamentale folosesc aparatul manometric pentru determinarea CCO (consumului chimic de oxigen) pentru evaluarea calității apei din sursele de suprafață (râuri, lacuri și rezervoare) și a apelor subterane. Testarea CCO în mod constant ajută la evaluarea și monitorizarea schimbărilor nivelurilor de poluare, la detectarea și documentarea conformității măsurilor de control al poluării, precum și la evaluarea calității generale a apei. Acest lucru este esențial pentru protejarea ecosistemelor și pentru asigurarea siguranței surselor de apă potabilă.

În sectorul industrial, aparatul manometric BOD este de asemenea un consumator substanțial. Industriile alimentară și băuturi, farmaceutică, textilă și chimică produc ape uzate organice și necesită monitorizarea BOD-ului manometric. BOD-ul manometric este utilizat pentru evaluarea nivelurilor de BOD ale apelor uzate influente (producție) și efluent (evacuare). Pentru a se asigura că apele uzate au un impact minim asupra mediului și pentru a preveni amenzi operaționale industriale și de mediu. Aceleași tehnologii oferă tratarea apelor uzate și responsabilitățile de mediu pentru numeroși clienți industriali.

Pe lângă aplicațiile industriale, multe instalații municipale (sau publice) de tratare a apelor uzate se bazează și pe dispozitive manometrice de măsurare a CBO. Aceste instalații testează valorile CBO pentru a evalua eficiența generală a proceselor de tratare desfășurate la sita primară, tratarea primară, tratarea secundară (biologică) și dezinfectarea finală. Prin măsurarea CBO a apei uzate tratate și a celei evacuate ulterior, operatorul instalației poate modifica parametrii de control ai tratării (de exemplu, rata de aerare, timpul de retenție a nămolului) pentru a realiza optimizarea procesului de tratare și pentru a respecta standardele finale ale efluentului evacuat de către instalație.

Unele instituții de cercetare și educaționale utilizează, de asemenea, dispozitive manometrice de măsurare a CBO. Aplicații specifice pot include studierea descompunerii unor anumite materiale organice noi în apă, evaluarea performanței unor tehnologii noi de tratare a apelor uzate sau gradul de perturbare climatică activă asupra microbiologiei apei. Aceste dispozitive sunt alegerea ideală pentru cercetare, deoarece necesită măsurători precise și reproductibile.

Avantajele utilizării metodei manometrice pentru testarea CBO

Mulți utilizatori ai testelor CBO preferă metoda manometrică datorită avantajelor multiple pe care le oferă față de metodele de diluție, titrare sau cele electrochimice.

Precizia și fiabilitatea sunt foarte importante. Metoda manometrică măsoară consumul de oxigen direct, prin măsurarea schimbărilor de presiune. Aceasta elimină erorile de titrare datorate determinării punctului final, precum și erorile provenite de la senzorii electrochimici, unde pot apărea probleme legate de contaminare și deriva calibrării. Datorită faptului că sistemul are o concepție închisă și o absorbție eficientă a CO₂, schimbările de presiune sunt cauzate exclusiv de consumul de oxigen, obținându-se astfel rezultate precise și constante.

Un avantaj este simplitatea și ușurința în utilizare. Metoda manometrică simplifică operațiunile, deoarece metoda de titrare implică pași complicați și manipularea atentă a substanțelor chimice. Aparatul preia monitorizarea și înregistrarea datelor, astfel încât, odată ce proba este pregătită și sigilată, dispozitivul funcționează cu un efort manual minim. Aceasta face ca aparatul să fie potrivit atât pentru tehnicieni experimentați, cât și, după o instruire foarte basică, pentru operatori mai puțin specializați.

Metoda manometrică este potrivită și pentru monitorizarea pe termen lung. Aparatura este concepută pentru o funcționare stabilă a datelor pe perioade lungi de timp, până la 30 de zile, fiind astfel adecvată pentru testele BOD care necesită timpi lungi de incubare. Aceasta ajută la evaluarea biodegradabilității poluanților organici persistenți sau, în cazul monitorizării efectelor pe termen lung ale poluării în cursurile de apă, este foarte benefică.

De asemenea, metoda manometrică oferă economii pe termen lung. Deși echipamentele de calitate pentru BOD manometric sunt scumpe, ele sunt mai ieftine în exploatare comparativ cu alte metode și necesită întreținere minimă. Utilizarea reactivilor preformați și a altor materiale consumabile previne risipa și sporește fiabilitatea, iar designul cu mai multe poziții facilitează testarea, reducând timpul și resursele necesare pentru parcurgerea probelor prin fluxul de lucru.

Factori de recomandare pentru măsurare utilizând aparatul manometric pentru BOD

Pentru a utiliza aparatul manometric și a obține măsurători satisfăcătoare de BOD, există câteva recomandări importante de luat în considerare:

Pentru a începe, obțineți o mostră reprezentativă. În procedurile standard de prelevare a probelor, este esențial să evitați contaminarea și să vă asigurați că mostra este reprezentativă pentru întregul masiv de apă. Evitați prelevarea exclusiv de la suprafață sau doar de la fund. În schimb, colectați mostre din diverse adâncimi și poziții, apoi amestecați-le înainte de efectuarea testelor.

Diluția corectă a probei este foarte importantă. Dacă BOD-ul probei este prea ridicat, sistemul închis va consuma oxigenul prea repede, ceea ce va duce la obținerea unor informații eronate. Dacă, totuși, BOD-ul este prea scăzut, schimbarea presiunii va fi prea mică pentru ca sistemul să poată măsura modificarea cu acuratețe. Utilizați rapoartele de diluție ca orientare generală, în funcție de intervalul BOD al probei avut în vedere, și luați în considerare efectuarea unor teste preliminare pentru a perfecționa diluția.

Mențineți temperatura de incubare într-un interval foarte strict. Microbii din probă sunt foarte sensibili la temperatură. Dacă temperatura se abate de la fixarea exactă de 20°C, acest lucru va afecta rezultatul BOD. Păstrați incubatorul la o temperatură constantă, în limite de ±1°C față de valoarea setată, și nu amplasați incubatorul în locuri expuse variațiilor de temperatură (lângă ferestre, radiatoare sau instalații de răcire).

Calibrați echipamentele la intervale regulate de timp. Chiar și manometrele BOD de calitate bună, realizate profesional, își pierd precizia în timp și necesită recalibrare. Urmați instrucțiunile producătorului pentru calibrarea manometrului de presiune și a traductorului, utilizând gaze standard și probe de referință cu valori cunoscute de BOD. Faceți acest lucru cel puțin o dată la câteva luni, sau chiar mai frecvent, în funcție de intensitatea utilizării echipamentului.

Îngrijirea absorbantului de CO₂. Absorbantul de CO₂ trebuie să fie proaspăt pentru a absorbi corespunzător dioxidul de carbon. Dacă absorbantul de CO₂ este degradat (semne precum schimbarea culorii sau formarea de cocoloașe), acesta trebuie înlocuit. Absorbantul trebuie plasat în compartimentul special destinat, deoarece acesta nu trebuie să atingă niciodată proba, altfel proba se va contamina și rezultatele vor fi neutilizabile.

Prevenirea pătrunderii aerului în sistemul închis. Dacă închiderea sticlei de incubare este etanșă, sau dacă garnitura este deteriorată în vreun fel, aerul poate pătrunde în sistem, iar citirile de presiune vor fi inexacte. Înainte de incubare, verificați închiderea pentru a vă asigura că nu are deteriorări sau uzuri, la fel ca și supapele. Asigurați-vă că închiderea sticlei de incubare este strânsă corespunzător. Dacă se folosesc sticle reutilizabile, este important să fie curățate după fiecare utilizare, pentru a elimina orice material care ar putea interfera cu etanșarea.

Concluzie

Aparatul BOD prin Metoda Manometrică este un excelent sistem de monitorizare a calității apei, bazat pe un principiu estimabil; și anume, schimbarea presiunii datorată modificării măsurabile a oxigenului dizolvat în timpul descompunerii microbiene a materiei organice. Precizia acestei metode este fără egal, motiv pentru care este metoda preferată în domeniul monitorizării mediului înconjurător, tratarea apelor uzate industriale, tratarea apelor menajere și chiar în mediul academic. Pentru a obține performanța maximă de la aparat, este necesară înțelegerea principiului, funcționării, caracteristicilor acestuia și modul în care poate fi aplicat practic pentru a obține date BOD exacte și fiabile, care pot reprezenta informații critice în luarea deciziilor.

Cu creșterea constantă a preocupărilor legate de poluarea apei la nivel mondial, necesitatea unui testare precisă și eficientă a CBO va crește cu siguranță. Aparatul pentru determinarea CBO prin metoda manometrică este unul dintre sistemele de monitorizare a calității apei care dispune de cea mai bună tehnologie și utilizabilitate, fiind unul dintre sistemele care ne vor salva apa. Stăpânirea aparatului manometric pentru CBO este extrem de importantă pentru ingineri și/sau cercetători care apreciază controlul asupra poluării și gestionarea eficientă a calității apei.