در دنیای مهندسی محیط زیست و مدیریت منابع آب، درک دقیق کیفیت فاضلاب اولین قدم برای طراحی سیستمهای تصفیه کارآمد است. یکی از حیاتیترین شاخصها در این حوزه، اکسیژن خواهی بیولوژیکی است که به عنوان معیاری برای سنجش میزان آلودگی آلی موجود در آب شناخته میشود. در واقع، وقتی صحبت از سلامت یک اکوسیستم آبی یا کارایی یک تصفیهخانه به میان میآید، عدد مربوط به اکسیژن خواهی بیولوژیکی نشاندهنده مقدار اکسیژنی است که میکروارگانیسمها (مانند باکتریها) برای تجزیه مواد آلی در شرایط هوازی نیاز دارند. این پارامتر نه تنها شدت آلودگی را مشخص میکند، بلکه به مهندسان اجازه میدهد تا بار آلی ورودی به مخازن هوادهی را تخمین زده و بر اساس آن، تجهیزات مناسب را انتخاب کنند. عدم توجه به این شاخص میتواند منجر به تخلیه اکسیژن محلول در رودخانهها و مرگومیر گسترده آبزیان شود.
bod چیست و منبع BOD چیست؟
برای پاسخ دقیق به این سوال که bod چیست؟ باید به فرآیندهای میکروبی در سطح مولکولی نگاه کنیم. اکسیژن خواهی بیولوژیکی در واقع یک تست بیوشیمیایی است که تعیین میکند چه مقدار اکسیژن محلول توسط موجودات زنده ذرهبینی برای اکسیداسیون مواد کربنی موجود در یک نمونه آب مصرف میشود. زمانی که مواد آلی وارد آب میشوند، باکتریها به عنوان تجزیهکنندگان طبیعی شروع به فعالیت میکنند و برای شکستن این پیوندهای پیچیده کربنی، اکسیژن محلول در آب را مصرف مینمایند. بنابراین، هرچه مقدار مواد آلی در فاضلاب بیشتر باشد، فعالیت باکتریایی شدیدتر و در نتیجه میزان اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی بالاتر خواهد بود. این شاخص معمولاً در بازههای زمانی ۵ روزه (BOD5) اندازهگیری میشود تا پایداری و نرخ تجزیهپذیری فاضلاب مشخص گردد.
در خصوص منابع تولید این آلودگی، باید گفت که تعریف bod بدون شناخت منشأ آن ناقص است. منابع اکسیژن خواهی بیولوژیکی به دو دسته کلی طبیعی و انسانی تقسیم میشوند. منابع طبیعی شامل برگهای ریزش کرده، گیاهان مرده، فضولات حیوانات و جلبکهایی است که در بدنه آب عمرشان به پایان رسیده است. اما منابع اصلی و نگرانکننده که بار آلی سنگینی ایجاد میکنند، ناشی از فعالیتهای انسانی هستند. فاضلابهای شهری که حاوی فضولات انسانی و پسماندهای غذایی هستند، یکی از بزرگترین منابع به شمار میروند. همچنین صنایع غذایی، کاغذ سازی، کشتارگاهها و صنایع نساجی حجم بسیار بالایی از مواد آلی را وارد پساب میکنند که باعث جهش ناگهانی در میزان اکسیژن خواهی بیولوژیکی میشود. روانآبهای کشاورزی حاوی کودهای شیمیایی نیز با تحریک رشد جلبکها، به طور غیرمستقیم باعث افزایش بار آلی و کاهش کیفیت آب میشوند.
کاربرد BOD در تصفیه خانههای فاضلاب
استفاده از شاخص اکسیژن خواهی بیولوژیکی در طراحی و بهرهبرداری از واحدهای تصفیه، نقشی کلیدی و غیرقابل انکار دارد. مهندسان تصفیهخانه با تکیه بر تعریف bod، ظرفیت مورد نیاز برای بخش هوادهی را محاسبه میکنند. در فرآیندهای لجن فعال، هدف اصلی کاهش میزان اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی به سطحی است که تخلیه آن به محیط زیست بیخطر باشد. اگر میزان ورودی اکسیژن خواهی بیولوژیکی به درستی تخمین زده نشود، سیستم هوادهی قادر به تامین اکسیژن کافی نخواهد بود و فرآیند تصفیه با شکست مواجه میشود که نتیجه آن متصاعد شدن بوهای نامطبوع و خروج پساب آلوده است. همچنین، نسبت میان این پارامتر و تقاضای اکسیژن شیمیایی به اپراتورها کمک میکند تا بفهمند چه بخشی از فاضلاب توسط روشهای بیولوژیکی قابل تصفیه است و چه بخشی نیاز به تصفیه شیمیایی دارد.
علاوه بر طراحی، کاربرد دیگرbod در نظارت بر راندمان تصفیه نهفته است. با مقایسه عدد اکسیژن خواهی بیولوژیکی در ورودی و خروجی تصفیهخانه، درصد حذف آلودگی مشخص میشود. به طور معمول، یک تصفیهخانه استاندارد باید بتواند بیش از نود درصد از بار آلی را حذف کند. همچنین، پایش مستمر این پارامتر در لجن برگشتی و مخازن بیولوژیکی برای حفظ سلامت تودههای باکتریایی ضروری است. در مواردی که نوسانات بار آلی زیاد است، بررسی تقاضای اکسیژن شیمیایی در کنار اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی میتواند به عنوان یک سیستم هشدار دهنده عمل کند تا از شوکهای سمی به باکتریها جلوگیری شود. در نهایت، استاندارد خروجی پساب که توسط سازمانهای محیط زیست تعیین میشود، مستقیماً بر اساس مقدار نهایی اکسیژن خواهی بیولوژیکی تنظیم میگردد تا حیات زیستمندان در آبهای پذیرنده به خطر نیفتد.
کاربرد bod در فاضلاب
عوامل تاثیر گذار بر میزان BOD
عوامل متعددی بر سرعت مصرف اکسیژن و در نتیجه مقدار نهایی اکسیژن خواهی بیولوژیکی تاثیر میگذارند که مهمترین آنها دمای محیط است.
افزایش دما
با افزایش دما، فعالیت متابولیک باکتریها شدت مییابد و نرخ تجزیه مواد آلی تندتر میشود که این امر باعث افزایش تقاضای لحظهای برای اکسیژن میگردد. به همین دلیل است که در تابستانها احتمال خفگی رودخانهها به دلیل بالا رفتن اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی بیشتر است.
نوع و غلظت مواد آلی موجود در فاضلاب
عامل مهم دیگر، نوع و غلظت مواد آلی موجود در فاضلاب است؛ برخی مواد مانند قندها به سادگی توسط باکتریها هضم میشوند، در حالی که ترکیبات پلیمری پیچیده یا سلولز به زمان بسیار بیشتری نیاز دارند و ممکن است در تستهای کوتاهمدت، مقدار واقعی اکسیژن خواهی بیولوژیکی را نشان ندهند.
تعادل شیمیایی آب
یکی دیگر از پارامترهای محیطی بسیار حیاتی، تعادل شیمیایی آب است که در این میان کنترل pH در تصفیه آب و فاضلاب جایگاه ویژهای دارد. میکروارگانیسمهایی که مسئول کاهش اکسیژن خواهی بیولوژیکی هستند، تنها در بازه مشخصی از اسیدیته فعالیت بهینه دارند. اگر محیط بیش از حد اسیدی یا قلیایی باشد، آنزیمهای باکتریایی غیرفعال شده و نرخ اکسیداسیون مواد آلی به شدت افت میکند. علاوه بر این، حضور مواد سمی مانند فلزات سنگین یا شویندههای قوی میتواند به طور کلی جمعیت میکروبی را مسموم کرده و باعث شود تست bod به اشتباه مقدار کمی را نشان دهد، در حالی که آلودگی همچنان پابرجاست. همچنین وجود مواد مغذی مانند نیتروژن و فسفر برای رشد باکتریها الزامی است و کمبود آنها میتواند فرآیند مصرف اکسیژن را کند کرده و دقت تخمین اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی را در سیستمهای تصفیه به چالش بکشد.
نحوه اندازهگیری BOD فاضلاب یا اکسیژن خواهی بیولوژیکی
اندازهگیری دقیق اکسیژن خواهی بیولوژیکی یک فرآیند آزمایشگاهی زمانبر اما بسیار استاندارد است که به دقت بالایی در اجرا نیاز دارد. در روش متداول، نمونهای از فاضلاب با مقدار مشخصی از آب اشباع شده با اکسیژن رقیق میشود و سپس غلظت اکسیژن محلول اولیه آن اندازهگیری میگردد. این نمونه در بطریهای مخصوص و تاریک به مدت پنج روز در دمای ثابت بیست درجه سانتیگراد نگهداری میشود. دلیل تاریک بودن ظرف این است که از فعالیت فتوسنتزی جلبکها و تولید اکسیژن اضافی جلوگیری شود تا مقدار واقعی مصرف اکسیژن توسط باکتریها به دست آید. پس از گذشت این مدت، دوباره میزان اکسیژن محلول سنجیده شده و تفاوت این دو عدد با اعمال ضریب رقت، نشاندهنده مقدار اکسیژن خواهی بیولوژیکی است. این روش اگرچه استاندارد طلایی محسوب میشود، اما به دلیل تاخیر پنج روزه، برای کنترل آنلاین تصفیهخانهها کافی نیست و اغلب از پارامتر تقاضای اکسیژن شیمیایی به عنوان جایگزین سریعتر استفاده میشود.
امروزه با پیشرفت تکنولوژی، روشهای جدیدتری برای تخمین اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی ابداع شده است که شامل استفاده از سنسورهای بیوالکترود و روشهای مانومتریک میباشد. در روش مانومتریک، کاهش فشار اکسیژن در فضای بالای بطری نمونه که ناشی از مصرف آن توسط باکتریهاست، به صورت دیجیتالی ثبت میگردد. درک دقیق اینکه bod چیست؟ و چگونه اندازهگیری میشود، به آزمایشگاهها اجازه میدهد تا تداخلات ناشی از نیتریفیکاسیون را نیز حذف کنند؛ زیرا گاهی بخشی از اکسیژن مصرفی صرف اکسیداسیون آمونیاک میشود که باید با افزودن مواد بازدارنده، آن را از بخش کربنی اکسیژن خواهی بیولوژیکی جدا کرد. دقت در کالیبراسیون دستگاهها و رعایت شرایط دمایی در طول تست، از بحرانیترین مراحل در تعریف bod و گزارش نتایج نهایی به مراجع نظارتی است تا از صحت عملکرد فرآیندهای تصفیه اطمینان حاصل شود.
تفاوتهای ساختاری BOD و تقاضای اکسیژن شیمیایی
بسیاری از افراد در درک تفاوت میان اکسیژن خواهی بیولوژیکی و تقاضای اکسیژن شیمیایی دچار سردرگمی میشوند، در حالی که این دو پارامتر مفاهیم کاملاً متفاوتی را در تحلیل آب ارائه میدهند. تقاضای اکسیژن شیمیایی یا همان COD، مقدار اکسیژن مورد نیاز برای اکسیداسیون تمام مواد موجود در آب (اعم از زیستتخریبپذیر و غیرقابل تجزیه بیولوژیکی) با استفاده از یک اکسنده شیمیایی قوی مانند دیکرومات پتاسیم است. تفاوت اصلی در اینجاست که در تست COD، حتی موادی که باکتریها توانایی هضم آنها را ندارند (مانند پلاستیکهای میکروسکوپی یا برخی مواد شیمیایی صنعتی)، اکسید میشوند. به همین دلیل، همیشه مقدار تقاضای اکسیژن شیمیایی بزرگتر یا مساوی با مقدار اکسیژن خواهی بیولوژیکی است. این نسبت (BOD/COD) یک شاخص بسیار مهم برای مهندسان است؛ اگر این نسبت بالا باشد، نشاندهنده قابلیت بالای تصفیه بیولوژیکی است و اگر پایین باشد، یعنی فاضلاب حاوی مواد سمی یا مقاوم به تجزیه است که نیاز به تصفیه فیزیکی و شیمیایی دارد.
علاوه بر ماهیت فرآیند، زمان پاسخدهی نیز یک تفاوت کلیدی است که در پاسخ به bod چیست؟ باید به آن توجه کرد. تست اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی به ۵ روز زمان نیاز دارد تا حیات میکروبی فعالیت خود را کامل کند، اما تست تقاضای اکسیژن شیمیایی تنها در عرض ۲ تا ۳ ساعت در آزمایشگاه به نتیجه میرسد. این سرعت عمل باعث میشود که COD ابزاری عالی برای کنترل لحظهای فرآیندهای تصفیه باشد. با این حال، COD نمیتواند بین مواد سمی و مواد مفید برای باکتریها تمایز قائل شود، در حالی که اکسیژن خواهی بیولوژیکی مستقیماً تاثیر آلودگی بر موجودات زنده را نشان میدهد. در مدیریت تصفیهخانههای صنعتی، اطلاع از هر دو پارامتر و همچنین توجه به کنترل pH در تصفیه آب ضروری است تا از تطابق کامل پساب با استانداردهای سختگیرانه زیستمحیطی اطمینان حاصل گردد.
تجهیزات مورد نیاز برای ازمایش bod
جمع بندی نهایی
اکسیژن خواهی بیولوژیکی نه تنها یک عدد در گزارشهای آزمایشگاهی، بلکه نبض حیات در اکوسیستمهای آبی و قلب تپنده فرآیندهای تصفیه فاضلاب است. درک درست از اینکه bod چیست؟ به مدیران صنایع و اپراتورهای تصفیهخانهها این قدرت را میدهد که پیش از بروز بحرانهای زیستمحیطی و مرگومیر آبزیان، راهکارهای پیشگیرانه را اتخاذ کنند.
مدیریت هوشمندانه فاضلاب و کاهش اکسیژن خواهی بیولوژیکی نیازمند تجهیزات دقیق، مواد شیمیایی باکیفیت و دانش فنی بهروز است. نوسانات بار آلی و پیچیدگیهای تصفیه بیولوژیکی، استفاده از مشاورههای تخصصی را به یک ضرورت تبدیل کرده است. اگر به دنبال بهینهسازی فرآیندهای تصفیه، کاهش هزینههای انرژی در بخش هوادهی و یا تامین تجهیزات کنترل کیفی هستید، مجموعه گرین پاور سولوشن در کنار شماست.
سوالات متدوال
۱. تفاوت اصلی بین COD و BOD چیست؟
تقاضای اکسیژن شیمیایی (COD) کل مواد آلی (تجزیهپذیر و سمی) را با مواد شیمیایی میسنجد و نتیجه را ۲ ساعته اعلام میکند؛ اما اکسیژن خواهی بیولوژیکی (BOD) فقط مواد قابل تجزیه توسط باکتریها را طی ۵ روز اندازه میگیرد. همیشه مقدار COD بیشتر از BOD است.
۲. چرا زمان استاندارد تست BOD پنج روز است؟
دوره ۵ روزه یک استاندارد جهانی است تا فقط اکسیژن مصرفی برای تجزیه مواد کربنی سنجیده شود. اگر زمان طولانیتر شود، باکتریها شروع به اکسید کردن نیتروژن میکنند که باعث خطا در محاسبه اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی واقعی و بار آلی کربنی میشود.
۳. کنترل pH چه تاثیری بر نتیجه آزمایش BOD دارد؟
باکتریهای مسئول تصفیه تنها در بازه pH خنثی (۶.۵ تا ۸.۵) فعال هستند. عدم کنترل pH در تصفیه آب و خروج از این بازه، باعث مسمومیت یا غیرفعال شدن باکتریها میشود؛ در نتیجه مصرف اکسیژن متوقف شده و مقدار اکسیژن خواهی بیولوژیکی به اشتباه کمتر از حد واقعی گزارش میشود.
۴. آیا بالا بودن BOD خروجی همیشه نشانه خرابی تصفیهخانه است؟
خیر، گاهی ناشی از ورود شوکِ بار آلی (بیش از ظرفیت طراحی) یا ورود مواد سمی است که باعث مرگ باکتریها شده است. در چنین شرایطی، با وجود سلامت تجهیزات، به دلیل عدم توانایی بیولوژیکی در تجزیه مواد، میزان اکسیژن خواهی بیولوژیکی پساب خروجی افزایش مییابد.
۵. کدام صنایع بالاترین میزان BOD را تولید میکنند؟
صنایع غذایی (لبنیات و کشتارگاهها)، کاغذسازی و نساجی بیشترین مقدار اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی را تولید میکنند. پسماندهای این صنایع سرشار از قند، پروتئین و سلولز است که برای تجزیه، اکسیژن بسیار زیادی از منابع آبی طلب میکنند.
منابع:
https://www.bioprocessh2o.com/blog/biological-oxygen-demand
https://www.usgs.gov/water-science-school/science/biochemical-oxygen-demand-bod-and-water
https://www.wwdmag.com/utility-management/article/10938701/what-is-biological-oxygen-demand-bod
