اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی (که به عنوان BOD: Biological Oxygen Demand یا تقاضای اکسیژن بیولوژیکی نیز شناخته می شود) پارامتری تجزیه ای برای کیفیت آب و پساب است. درواقع، این پارامتر نشان دهنده مقدار اکسیژن محلول (DO: Dissolved Oxygen) در آب و پساب است، که توسط باکتریهای هوازی، که روی مواد آلی موجود در یک نمونه آب، در یک دمای خاص و در یک دوره زمانی خاص رشد می کنند، مصرف می شود. مقدار عددی BOD معمولاً برحسب میلی گرم اکسیژن مصرف شده در هر لیتر نمونه (mg/Liter) در طی ۵ روز انکوباسیون در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد بیان شده و اغلب به عنوان معیاری برای درجه آلودگی آب توسط ترکیبات آلی استفاده می شود.
در طرحهای تصفیه آب و پساب، از کاهش مقدار BOD به عنوان معیاری برای سنجش اثربخشی تصفیه خانه ها استفاده می شود. از BOD فاضلاب برای نشان دادن تأثیر کوتاه مدت بر مقدار اکسیژن آب ورودی به تصفیه خانه استفاده می شود.
تعیین مقدار BOD در عمل، شبیه به تعیین تقاضای اکسیژن شیمیایی (COD: Chemical Oxygen Demand) است، زیرا در هر دو روش، مقدار ترکیبات آلی در آب اندازه گیری می شود. ولی، آنالیز COD از اختصاصی بودن کمتری برخورداراست، زیرا همه ترکیبات آلی قابل اکسایش موجود در نمونه تعیین می شود، درحالیکه توسط آنالیز BOD فقط مواد آلی اکسید شده بیولوژیکی تعیین می شود.
اهمیت تعیین نیاز اکسیژن بیوشیمیایی BOD
بیشتر آبهای طبیعی حاوی مقادیر کمی از ترکیبات آلی هستند و موجودات آبزی از برخی از آنها به عنوان غذا استفاده می کنند. میکروارگانیسم های موجود در آبهای اکسیژن دار، از اکسیژن محلول، برای ازهمپاشی اکسیداتیو ترکیبات آلی استفاده کرده و از انرژی آزاد شده برای رشد و تولید مثل استفاده می شود. جمعیت این میکروارگانیسمها بستگی مقدار غذای موجود افزایش می یابد. این متابولیسم میکروبی تقاضای اکسیژن را ایجاد می کند، که با مقدار ترکیبات آلی مفید غذایی متناسب است. تحت برخی شرایط، متابولیسم میکروبی می‌تواند اکسیژن محلول در آب را سریع‌تر از اکسیژن اتمسفری حل شده در آب، یا اکسیژن تولید شده توسط جلبک‌ها، سیانوباکترها و ماکروفیت‌ها، مصرف کند. ماهی ها و حشرات آبزی ممکن است با کاهش اکسیژن توسط متابولیسم میکروبی بمیرند.
اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی (BOD) مقدار اکسیژن مورد نیاز برای متابولیسم میکروبی ترکیبات آلی در آب است. این تقاضا در طول دوره‌های زمانی، بسته به دما، غلظت مواد مغذی و آنزیم‌های موجود برای جمعیت‌های میکروبی متغیر است. مقدار اکسیژن مورد نیاز برای اکسایش کامل ترکیبات آلی به دی اکسید کربن و آب از طریق ایجاد رشد میکروبی، مرگ، فروپاشی و سایر موارد بیولوژیکی، نیاز کل اکسیژن بیوشیمیایی (total BOD) است. BOD کل، برای شبکه های غذایی اهمیت بیشتری دارد تا برای کیفیت آب. کاهش اکسیژن محلول به احتمال زیاد در طی انفجار اولیه جمعیت میکروبی آب در پاسخ به مقدار زیادی از مواد آلی آشکار می شود. ولی، اگر جمعیت میکروبی آب را اکسیژن‌زدایی کند، کمبود اکسیژن محدودیتی را بر رشد جمعیت موجودات میکروبی آبزی هوازی تحمیل می‌کند که منجر به مازاد غذایی طولانی‌مدت و کمبود اکسیژن می‌شود.
مقادیر رایج BOD در آبها
در اکثر رودخانه های دست نخورده مقدار BOD کربن دار ۵ روزه (BOD 5) کمتر از ۱ میلی گرم در لیتر است. در رودخانه هایی با آلودگی متوسط مقدار BOD در محدوده ۲ تا ۸ میلی گرم در لیتر است. اگر مقادیر BOD رودخانه ای بیشتر از ۸ میلی گرم در لیتر باشد، آن رودخانه به شدت آلوده محسوب می شود. فاضلاب شهری که به طور موثر توسط یک فرآیند سه مرحله ای تصفیه می شود، مقدار BOD در حدود ۲۰ میلی گرم در لیتر یا کمتر دارد. مقادیر BOD فاضلابهای تصفیه نشده متفاوت است، اما متوسط آن در اروپا حدود ۶۰۰ میلی گرم در لیتر و در آمریکا حدود ۲۰۰ میلی گرم در لیتر است.
روشهای اندازه گیری BOD
دو روش شناخته شده برای اندازه گیری اکسیژن محلول جهت تعیین BOD رایج است. همچنین، تعدادی روش دیگر وجود دارد که در حال حاضر در سطح بین المللی به عنوان روش های استاندارد شناخته نشده اند.
روش رقیق سازی ، Dilution method
این روش استاندارد توسط آژانس حفاظت از محیط زیست (EPA: Environmental Protection Agency) به رسمیت شناخته شده است و به عنوان روش B5210 در روشهای استاندارد برای بررسی آب و فاضلاب (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater) برچسب گذاری شده است. در این روش، برای تعیین BOD5، غلظت اکسیژن محلول (DO) در یک نمونه باید قبل و بعد از یک دوره انکوباسیون اندازه گیری شود و به طور مناسب با ضریب رقیق سازی مربوط به نمونه تنظیم شود. این آنالیز با استفاده از بطری های انکوباسیون ۳۰۰ میلی لیتری انجام می شود که در آن آب رقیق شده بافری با دُز بذر میکروارگانیسمها به مدت ۵ روز در اتاق تاریک در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد نگهداری می شود تا از تولید DO از طریق فتوسنتز جلوگیری شود. بطریها اغلب از شیشه ساخته شده که نیاز به تمیز کردن و آبکشی بین نمونه ها دارد. یک بطری پلاستیکی BOD یکبار مصرف مورد تایید SM 5210B نیز موجود است که این مرحله را حذف می کند. علاوه بر رقیق سازیهای مختلف نمونه‌های BOD، این روش نیاز به آب رقیق‌سازی بلانکها، کنترل‌های گلوکز گلوتامیک اسید (GGA) و کنترل‌های بذر نیز دارد. بلانک آب رقیق سازی، برای تایید کیفیت آب رقیق کننده استفاده می شود که برای رقیق کردن نمونه های دیگر استفاده می شود. این امر ضروری است زیرا ناخالصی های موجود در آب رقیق سازی ممکن است تغییرات قابل توجهی در نتایج ایجاد کند. کنترل GGA یک راه حل استاندارد برای تعیین کیفیت بذر است که در آن غلظت BOD5 توصیه شده آن ۱۹۸ میلی گرم در لیتر ۳۰٫۵ ± میلی گرم در لیتر است. برای اندازه گیری BOD کربنی (cBOD)، پس از اضافه شدن آب رقیق سازی به نمونه، یک بازدارنده نیتریفیکاسیون اضافه می شود. بازدارنده مانع از اکسایش نیتروژن آمونیاکی می شود که BOD نیتروژنی (nBOD) را تامین می کند. هنگام انجام آزمایش BOD5، اندازه گیری تنها cBOD یک روش معمول است زیرا تقاضای نیتروژنی نیاز اکسیژن از مواد آلی را منعکس نمی کند، یعنی، nBOD با شکستن پروتئینها تولید می شود، در حالی که cBOD با شکستن مولکول های آلی تولید می شود.
مقدار BOD 5 توسط روابط زیر محاسبه می شود:
Unseeded: BOD 5 = (DO – D5) / P
Seeded: BOD 5 = [DO – D5) – (BO – B5) f] / P
که در آن:
DO اکسیژن حل شده (DO) در محلول رقیق شده بعد از تهیه برحسب mg/L است.
D 5 اکسیژن حل شده (DO) در محلول رقیق شده بعد از ۵ روز انکوباسیون برحسب mg/L است.
P ضریب رقیق سازی اعشاری است.
BO اکسیژن حل شده (DO) در محلول بذردار رقیق شده بعد از تهیه برحسب mg/L است.
B5 اکسیژن حل شده (DO) در محلول بذردار رقیق شده بعد از ۵ روز انکوباسیون برحسب mg/L است.
f نسبت حجم بذر در محلول رقیق به حجم بذر در تست BOD روی بذر است.
روش مانومتریک (Manometric method)
این روش فقط به اندازه گیری اکسیژن مصرفی به واسطه اکسایش ترکیبات کربنی محدود شده و در آن، از اکسایش آمونیاک جلوگیری می شود.
نمونه در یک ظرف مهروموم شده مجهز به سنسور فشار نگهداری می شود. ماده ای که دی اکسید کربن را جذب می کند (معمولاً هیدروکسید لیتیوم) در ظرف بالای سطح نمونه اضافه می شود. نمونه در شرایطی مشابه با روش رقیق سازی ذخیره می شود. اکسیژن مصرف می شود و با مهار اکسایش آمونیاک، دی اکسید کربن آزاد می شود. مقدار کل گاز و در نتیجه فشار کاهش می یابد، زیرا دی اکسید کربن جذب می شود. از افت فشار، حسگر الکترونیکی مقدار اکسیژن مصرفی را محاسبه و نمایش می دهد.
مزایای اصلی این روش در مقایسه با روش رقیق سازی عبارتند از:
- سادگی: بدون هیچگونه رقیق سازی، بدون بذر و بدون نمونه بلانک.
- قرائت مستقیم مقدار BOD
- نمایش مداوم مقدار BOD در زمان انکوباسیون جاری.
سایر روشهای تعیین BOD
روشهای حسگر زیستی (Biosensor)، فلورسانس، پلاروگرافی، سنسور نرم افزاری، مونیتورینگ BOD در زمان واقعی و پراب اکسیژن محلول با غشای لومینسانس، نیز برای تعیین BOD استفاده می شوند.
شرکت ماد آزما پویش ارائه دهنده دستگاههای اندازه گیری BOD و COD از کمپانی های معتبر جهان است.