الطلب البيوكيميائي على الأكسجين

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 17 صور
الموسوعة الحرة
زجاجات اختبار BOD في مختبر محطة معالجة مياه الصرف الصحي

الطلب البيولوجي على الأكسجين (المعروف أيضًا باسم BOD أو الطلب البيولوجي على الأكسجين ) هو مُعامل تحليلي يُمثل كمية الأكسجين المُذاب التي تستهلكها البكتيريا الهوائية النامية على المواد العضوية الموجودة في عينة مياه عند درجة حرارة مُحددة وخلال فترة زمنية مُحددة. ويُعبر عن قيمة BOD عادةً بالمليغرامات من الأكسجين المُستهلك لكل لتر من العينة خلال 5 أيام من الحضانة عند 20 درجة مئوية، وغالبًا ما يُستخدم كمؤشر على درجة تلوث المياه بالمواد العضوية . [ 1 ] 

يُستخدم انخفاض الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) كمؤشر على فعالية محطات معالجة مياه الصرف الصحي . ويُستخدم BOD في مياه الصرف الصحي المعالجة للإشارة إلى التأثير قصير المدى على مستويات الأكسجين في المياه المستقبلة.

يُشابه تحليل الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD ) تحليل الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) في وظيفتهما، إذ يقيس كلاهما كمية المركبات العضوية في الماء. إلا أن تحليل COD أقل دقة، لأنه يقيس كل ما يمكن أكسدته كيميائياً، وليس فقط مستويات المواد العضوية المؤكسدة بيولوجياً.

خلفية

تحتوي معظم المياه الطبيعية على كميات ضئيلة من المركبات العضوية. وقد تطورت الكائنات الحية الدقيقة المائية لتستخدم بعض هذه المركبات كغذاء . تستخدم الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في المياه المؤكسجة الأكسجين المذاب لتحليل المركبات العضوية عن طريق الأكسدة، مطلقةً طاقة تُستخدم للنمو والتكاثر . تميل أعداد هذه الكائنات الحية الدقيقة إلى الزيادة بما يتناسب مع كمية الغذاء المتاحة. يُولّد هذا الأيض الميكروبي طلبًا على الأكسجين يتناسب مع كمية المركبات العضوية المفيدة كغذاء. في بعض الحالات، قد يستهلك الأيض الميكروبي الأكسجين المذاب أسرع من ذوبان الأكسجين الجوي في الماء أو إنتاجه من قِبل الكائنات ذاتية التغذية (الطحالب، والبكتيريا الزرقاء، والنباتات المائية). قد تنفق الأسماك والحشرات المائية عندما ينضب الأكسجين بفعل الأيض الميكروبي. [ 2 ]

الطلب البيوكيميائي على الأكسجين هو كمية الأكسجين اللازمة لعمليات الأيض الميكروبي للمركبات العضوية في الماء. ويحدث هذا الطلب على مدى فترة زمنية متغيرة تبعًا لدرجة الحرارة، وتركيزات المغذيات ، والإنزيمات المتاحة للميكروبات المحلية. وتُعرف كمية الأكسجين اللازمة لأكسدة المركبات العضوية بالكامل إلى ثاني أكسيد الكربون والماء عبر أجيال من نمو الميكروبات وموتها وتحللها وافتراسها لبعضها البعض بالطلب البيوكيميائي الكلي على الأكسجين (BOD الكلي). ويُعد الطلب البيوكيميائي الكلي على الأكسجين أكثر أهمية للشبكات الغذائية منه لجودة المياه . ومن المرجح أن يظهر نقص الأكسجين المذاب بوضوح خلال الانفجار الأولي للميكروبات المائية استجابةً لكمية كبيرة من المواد العضوية. ولكن إذا استنزفت الميكروبات الأكسجين من الماء، فإن هذا النقص يفرض حدًا على نمو الكائنات الحية الدقيقة الهوائية المائية ، مما يؤدي إلى فائض غذائي ونقص في الأكسجين على المدى الطويل. [ 3 ]

اقترحت اللجنة الملكية المعنية بالتخلص من مياه الصرف الصحي في تقريرها الثامن عام 1912 درجة حرارة قياسية لإجراء اختبار BOD :

(ج) يجب ألا يحتوي السائل الخارج من المستودع، امتثالاً للمعيار العام، على أكثر من 3 أجزاء لكل 100,000 من المواد العالقة، ويجب ألا يمتص، بما في ذلك المواد العالقة، أكثر من 2.0 جزء لكل 100,000 من الأكسجين المذاب خلال 5 أيام عند درجة حرارة 65  فهرنهايت (18.3  درجة مئوية). يُحدد هذا المعيار العام إما بموجب قانون أو بقرار من الهيئة المركزية، ويخضع للتعديل من قبل تلك الهيئة كل عشر سنوات على الأقل. [ 4 ]

تم توحيد هذه الدرجة لاحقًا عند 68  درجة فهرنهايت ثم عند 20  درجة مئوية. قد تختلف هذه الدرجة اختلافًا كبيرًا عن درجة حرارة البيئة الطبيعية للمياه التي يتم اختبارها.

على الرغم من أن اللجنة الملكية المعنية بالتخلص من مياه الصرف الصحي اقترحت خمسة أيام كفترة اختبار كافية لأنهار المملكة المتحدة لبريطانيا العظمى وأيرلندا ، فقد دُرست فترات أطول لأنهار أمريكا الشمالية . واستُخدمت فترات حضانة تتراوح بين يوم واحد ويومين وخمسة أيام وعشرة أيام وعشرين يومًا حتى منتصف القرن العشرين. [ 5 ] وبإبقاء الأكسجين المذاب متاحًا عند درجة الحرارة المختارة، وجد الباحثون أن ما يصل إلى 99% من إجمالي الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) قد تم استهلاكه خلال 20 يومًا، و90% خلال 10 أيام، ونحو 68% خلال 5 أيام. [ 6 ] وتحد التحولات المتغيرة في التجمعات الميكروبية نحو البكتيريا النيتروجينية من إمكانية تكرار الاختبار لفترات تزيد عن خمسة أيام. وقد اعتمدت وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) بروتوكول الاختبار الذي يستمر خمسة أيام، والذي يتميز بنتائج قابلة للتكرار بشكل مقبول مع التركيز على الطلب البيولوجي على الأكسجين الكربوني. يمكن وصف نتيجة اختبار BOD لمدة 5 أيام بأنها كمية الأكسجين اللازمة للكائنات الحية الدقيقة المائية لتثبيت المواد العضوية القابلة للتحلل في ظل ظروف هوائية. [ 7 ] ويمكن اعتبار التثبيت، في هذا السياق، بشكل عام بمثابة تحويل الغذاء إلى حيوانات مائية حية . وعلى الرغم من أن هذه الحيوانات ستستمر في استهلاك الأكسجين الحيوي حتى بعد موتها، إلا أن ذلك يحدث عادةً ضمن نظام بيئي متطور أكثر استقرارًا يشمل مستويات غذائية أعلى . [ 3 ]

أخذ عينات من تيار مياه الصرف الصحي الخام الداخلة إلى محطة معالجة مياه الصرف الصحي في حران العواميد بالقرب من دمشق في سوريا، وذلك لقياس الطلب البيولوجي على الأكسجين.

تاريخ

أدت اللجنة الملكية المعنية بتلوث الأنهار ، التي تأسست عام 1865، وتشكيل اللجنة الملكية المعنية بالتخلص من مياه الصرف الصحي عام 1898، إلى اختيار معيار BOD 5 عام 1908 كاختبار حاسم للتلوث العضوي للأنهار. وقد تم اختيار خمسة أيام كفترة اختبار مناسبة، لأنها تُعتبر أطول مدة تستغرقها مياه الأنهار للانتقال من المنبع إلى المصب في المملكة المتحدة. وفي تقريرها السادس، أوصت اللجنة الملكية بأن يكون المعيار المحدد 15 جزءًا وزنيًا لكل مليون من الماء. [ 8 ] إلا أن اللجنة عدّلت المعيار الموصى به في تقريرها التاسع.

يمكن حساب أن مياه الصرف التي تحتوي على 2.0 جزء من الأكسجين المذاب لكل 100,000 جزء، تتطلب تخفيفها بما لا يقل عن 8 أضعاف حجمها من مياه النهر التي تحتوي على 0.2 جزء، وذلك لضمان ألا يتجاوز حجم المزيج الناتج 0.4 جزء. وقد أشارت تجربتنا إلى أن حجم مياه النهر في أغلب الحالات يتجاوز 8 أضعاف حجم مياه الصرف، وأن قيمة 2.0 جزء من الأكسجين المذاب لكل 100,000 جزء، والتي ثبتت جدواها، تُعد قيمة آمنة يمكن اعتمادها لأغراض المعيار العام، شريطة ألا تحتوي مياه الصرف على أكثر من 3.0 جزء من المواد الصلبة العالقة لكل 100,000 جزء. [ 8 ]

كان هذا هو المعيار الأساسي 20:30 (BOD:المواد الصلبة العالقة) + النترجة الكاملة الذي تم استخدامه كمعيار في المملكة المتحدة حتى سبعينيات القرن الماضي لجودة مياه الصرف الصحي .

تُدرج الولايات المتحدة قيودًا على تركيز الأكسجين الحيوي المستهلك (BOD) في مياه الصرف المعالجة ضمن لوائحها الخاصة بالمعالجة الثانوية . ومن المتوقع عمومًا أن تُزيل المعالجة الثانوية لمياه الصرف الصحي 85% من الأكسجين الحيوي المستهلك المُقاس فيها، وأن تُنتج تركيزات للأكسجين الحيوي المستهلك في مياه الصرف بمتوسط ​​30 يومًا أقل من 30  ملغم/لتر، ومتوسط ​​7 أيام أقل من 45  ملغم/لتر. كما تُعرّف اللوائح "المعالجة المكافئة للمعالجة الثانوية" بأنها إزالة 65% من الأكسجين الحيوي المستهلك، وإنتاج تركيزات للأكسجين الحيوي المستهلك في مياه الصرف بمتوسط ​​30 يومًا أقل من 45  ملغم/لتر، ومتوسط ​​7 أيام أقل من 65  ملغم/لتر. [ 9 ]

القيم النموذجية

تتميز معظم الأنهار النقية بانخفاض قيمة الطلب البيولوجي على الأكسجين الكربوني (BOD) لمدة خمسة أيام إلى أقل من 1  ملغم/لتر. أما الأنهار متوسطة التلوث، فقد تتراوح قيمة BOD فيها بين 2 و8  ملغم/لتر. وتُعتبر الأنهار شديدة التلوث عندما تتجاوز قيمة BOD فيها 8  ملغم/لتر. [ 10 ] وتكون قيمة الطلب البيولوجي على الأكسجين في مياه الصرف الصحي البلدية المعالجة بكفاءة عبر عملية ثلاثية المراحل  حوالي 20 ملغم/لتر أو أقل. وتختلف قيمة الطلب البيولوجي على الأكسجين في مياه الصرف الصحي غير المعالجة، لكنها تبلغ في المتوسط ​​حوالي 600  ملغم/لتر في أوروبا ، وتنخفض إلى 200  ملغم/لتر في الولايات المتحدة، أو في المناطق التي تشهد تسربًا/تدفقًا كبيرًا للمياه الجوفية أو السطحية . ويُعزى انخفاض القيم عمومًا في الولايات المتحدة إلى ارتفاع معدل استهلاك المياه للفرد فيها مقارنةً بأجزاء أخرى من العالم. [ 1 ]

يُستخدم في معالجة مياه الصرف الصحي

يُستخدم BOD في قياس أحمال النفايات إلى محطات المعالجة وفي تقييم كفاءة إزالة BOD لأنظمة المعالجة هذه.

طُرق

نشر وينكلر منهجيةً بسيطةً ودقيقةً ومباشرةً لتحليل الأكسجين المذاب عام 1888. [ 11 ] ومنذ ذلك الحين، أصبح تحليل مستويات الأكسجين المذاب في الماء أساسيًا لتحديد جودة المياه السطحية. ولا تزال طريقة وينكلر إحدى الطريقتين التحليليتين الوحيدتين المستخدمتين لمعايرة أجهزة قياس الأكسجين؛ أما الطريقة الأخرى فتعتمد على ذوبانية الأكسجين عند التشبع وفقًا لقانون هنري .

توجد طريقتان معترف بهما لقياس الأكسجين المذاب لأغراض BOD، بالإضافة إلى عدد من الطرق الأخرى غير المعترف بها دوليًا حاليًا كطرق قياسية.

طريقة التخفيف

زجاجة BOD للاستخدام مرة واحدة
زجاجة BOD

هذه الطريقة القياسية معترف بها من قبل وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA)، وهي مُصنّفة تحت اسم الطريقة 5210B في الطرق القياسية لفحص المياه ومياه الصرف الصحي. [ 12 ] وللحصول على قيمة BOD 5 ، يجب قياس تركيز الأكسجين المذاب (DO) في العينة قبل وبعد فترة الحضانة، وتعديله وفقًا لمعامل التخفيف الخاص بالعينة. يُجرى هذا التحليل باستخدام  زجاجات حضانة سعة 300 مل، حيث تُضاف إليها الكائنات الحية الدقيقة المُلقّحة بماء التخفيف المُخفّف ، وتُحفظ لمدة 5 أيام في غرفة مظلمة عند درجة حرارة 20  درجة مئوية لمنع إنتاج الأكسجين المذاب عن طريق عملية التمثيل الضوئي. كانت الزجاجات تُصنع تقليديًا من الزجاج، مما كان يتطلب تنظيفها وشطفها بين كل عينة وأخرى. يتوفر الآن زجاجة بلاستيكية مُعتمدة من SM 5210B، مُخصصة للاستخدام لمرة واحدة، لقياس BOD، مما يُغني عن هذه الخطوة. بالإضافة إلى التخفيفات المختلفة لعينات BOD، يتطلب هذا الإجراء عينات ماء تخفيف فارغة، وعينات تحكم من الجلوكوز وحمض الجلوتاميك (GGA)، وعينات تحكم من الكائنات الحية الدقيقة المُلقّحة. تُستخدم عينة الماء المخفف المرجعية للتأكد من جودة ماء التخفيف المستخدم لتخفيف العينات الأخرى. هذا ضروري لأن الشوائب الموجودة في ماء التخفيف قد تُسبب تغييرات كبيرة في النتائج. يُعد محلول التحكم GGA محلولًا معياريًا لتحديد جودة البذور، حيث يبلغ تركيز BOD5 الموصى به فيه 198 ملغم  /لتر ± 30.5  ملغم/لتر. لقياس BOD الكربوني (cBOD)، يُضاف مُثبِّط النترجة بعد إضافة ماء التخفيف إلى العينة. يُعيق هذا المُثبِّط أكسدة نيتروجين الأمونيا، الذي يُنتج BOD النيتروجيني (nBOD). عند إجراء اختبار BOD5 ، جرت العادة على قياس cBOD فقط لأن الطلب النيتروجيني لا يعكس الطلب على الأكسجين من المواد العضوية. وذلك لأن nBOD ينتج عن تحلل البروتينات، بينما ينتج cBOD عن تحلل الجزيئات العضوية.

يتم حساب BOD 5 عن طريق:

  • بدون بذور  :بياد5=(د0-د5)P{\displaystyle \mathrm {BOD} _{5}={\frac {(D_{0}-D_{5})}{P}}}
  • تم التوزيع:بياد5=(د0-د5)-(ب0-ب5)وP{\displaystyle \mathrm {BOD} _{5}={\frac {(D_{0}-D_{5})-(B_{0}-B_{5})f}{P}}}

أين:

د0{\displaystyle D_{0}}يمثل الأكسجين المذاب (DO) في المحلول المخفف بعد التحضير (ملغم/لتر)
د5{\displaystyle D_{5}}يمثل تركيز الأكسجين المذاب في المحلول المخفف بعد 5 أيام من الحضانة (ملغم/لتر).
P{\displaystyle P}هو عامل التخفيف العشري
ب0{\displaystyle B_{0}}يمثل تركيز الأكسجين المذاب في عينة البذور المخففة بعد التحضير (ملغم/لتر).
ب5{\displaystyle B_{5}}يمثل تركيز الأكسجين المذاب في عينة البذور المخففة بعد 5 أيام من الحضانة (ملغم/لتر).
و{\displaystyle f}هي نسبة حجم البذور في محلول التخفيف إلى حجم البذور في اختبار BOD على البذور

طريقة قياس الضغط

تقتصر هذه الطريقة على قياس استهلاك الأكسجين الناتج فقط عن أكسدة المواد الكربونية، بينما يتم تثبيط أكسدة الأمونيا .

تُحفظ العينة في وعاء محكم الإغلاق مزود بمستشعر ضغط . تُضاف مادة ماصة لثاني أكسيد الكربون (عادةً هيدروكسيد الليثيوم ) إلى الوعاء فوق مستوى العينة. تُخزن العينة في ظروف مماثلة لظروف طريقة التخفيف. يُستهلك الأكسجين، ومع تثبيط أكسدة الأمونيا، ينطلق ثاني أكسيد الكربون. تنخفض كمية الغاز الكلية، وبالتالي الضغط، نتيجة امتصاص ثاني أكسيد الكربون. من خلال انخفاض الضغط، تحسب إلكترونيات المستشعر كمية الأكسجين المستهلكة وتعرضها.

تتمثل المزايا الرئيسية لهذه الطريقة مقارنة بطريقة التخفيف فيما يلي:

  • البساطة: لا حاجة لتخفيف العينة، ولا حاجة للتلقيح، ولا حاجة لعينة فارغة.
  • قراءة مباشرة لقيمة BOD.
  • عرض مستمر لقيمة BOD في وقت الحضانة الحالي.

طرق بديلة

المستشعر الحيوي

يُعدّ تطوير أجهزة الاستشعار الحيوية بديلاً لقياس الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD)، وهي أجهزة للكشف عن مادة مُحلَّلة تجمع بين مُكوِّن بيولوجي ومُكوِّن كاشف فيزيائي كيميائي. تُعتبر الإنزيمات أكثر عناصر الاستشعار البيولوجية استخدامًا في تصنيع أجهزة الاستشعار الحيوية، إلا أن استخدامها في بناء هذه الأجهزة محدودٌ بسبب طرق تنقية الإنزيمات المُرهِقة والمُستهلكة للوقت والمُكلفة. تُوفّر الكائنات الدقيقة بديلاً مثالياً لهذه المعوقات. [ 13 ]

تتميز العديد من الكائنات الدقيقة المفيدة لتقييم الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) بسهولة الحفاظ عليها في مزارع نقية، ونموها وحصادها بتكلفة منخفضة. علاوة على ذلك، فتح استخدام الميكروبات في مجال أجهزة الاستشعار الحيوية آفاقًا جديدة ومزايا عديدة، مثل سهولة التعامل معها وإعدادها وانخفاض تكلفة الجهاز. وقد استخدم العديد من الباحثين عددًا من المزارع النقية، مثل Trichosporon cutaneum وBacillus cereus وKlebsiella oxytoca وPseudomonas sp. وغيرها، بشكل منفرد، لبناء أجهزة استشعار بيولوجية لقياس الطلب البيولوجي على الأكسجين. من جهة أخرى، قام باحثون آخرون بتثبيت الحمأة المنشطة، أو خليط من نوعين أو ثلاثة أنواع من البكتيريا، على أغشية مختلفة لبناء هذه الأجهزة. ومن أكثر الأغشية استخدامًا أغشية كحول البولي فينيل، والأغشية المسامية المحبة للماء، وغيرها. [ 14 ]

يمكن تكوين مجموعة ميكروبية محددة من خلال إجراء دراسة منهجية، أي اختبار مسبق للكائنات الدقيقة المختارة لاستخدامها كمادة أولية في تحليل الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) لمجموعة واسعة من النفايات الصناعية السائلة. يمكن تثبيت هذه المجموعة المُصاغة على غشاء مناسب، مثل غشاء النايلون المشحون. يُعد غشاء النايلون المشحون مناسبًا لتثبيت الميكروبات، نظرًا للارتباط النوعي بين الخلية البكتيرية سالبة الشحنة وغشاء النايلون موجب الشحنة. لذا، تتمثل مزايا غشاء النايلون على الأغشية الأخرى في  : الارتباط المزدوج، أي الامتزاز والاحتجاز، مما ينتج عنه غشاء مُثبَّت أكثر استقرارًا. قد تجد أجهزة تحليل الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) القائمة على هذه المجموعة الميكروبية المحددة تطبيقًا واسعًا في رصد درجة تركيز الملوثات في مجموعة واسعة من مياه الصرف الصناعي خلال فترة زمنية قصيرة جدًا. [ 14 ]

يمكن استخدام أجهزة الاستشعار الحيوية لقياس الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) بشكل غير مباشر عبر طريقة سريعة (عادةً أقل من 30 دقيقة) تعتمد على بديل BOD يتم تحديده ومنحنى معايرة مطابق (ابتكرها كاروب وآخرون، 1977). ونتيجةً لذلك، أصبحت أجهزة الاستشعار الحيوية متوفرة تجاريًا، ولكنها تعاني من عدة قيود، مثل ارتفاع تكاليف صيانتها، ومحدودية مدة تشغيلها بسبب الحاجة إلى إعادة تنشيطها، وعدم قدرتها على الاستجابة لتغيرات خصائص الجودة التي تحدث عادةً في مجاري معالجة مياه الصرف الصحي؛ على سبيل المثال، عمليات انتشار المواد العضوية القابلة للتحلل الحيوي داخل الغشاء، واختلاف استجابات الأنواع الميكروبية المختلفة، مما يؤدي إلى مشاكل في قابلية تكرار النتائج (برايت وآخرون، 1995). ومن القيود المهمة الأخرى عدم اليقين المرتبط بوظيفة المعايرة لتحويل بديل BOD إلى قيمة BOD الحقيقية (رستم وآخرون ، 2008).

فلوري

تم تطوير بديل لمؤشر BOD5 باستخدام مشتق من الريزازورين ، والذي يكشف عن مدى امتصاص الأكسجين بواسطة الكائنات الدقيقة لتحلل المواد العضوية. [ 15 ] أظهرت عملية التحقق المتبادل التي أُجريت على 109 عينات في أوروبا والولايات المتحدة تطابقًا إحصائيًا دقيقًا بين نتائج الطريقتين. [ 16 ]

تم تطوير قطب كهربائي يعتمد على انبعاث الضوء من مركب كيميائي نشط ضوئيًا، وعلى إخماد هذا الانبعاث بواسطة الأكسجين. وتصف معادلة ستيرن-فولمر للأكسجين المذاب في المحلول آلية إخماد الضوء هذه: [ 17 ]

أنا0/أنا = 1 + كSV [يا2]{\displaystyle I_{0}/I~=~1~+~K_{SV}~[{\ce {O2}}]}
  • أنا{\displaystyle I}: التلألؤ في وجود الأكسجين
  • أنا0{\displaystyle I_{0}}: التألق في غياب الأكسجين
  • كSV{\displaystyle K_{SV}}ثابت ستيرن-فولمر لإخماد الأكسجين
  • [يا2]{\displaystyle {\ce {[O2]}}}تركيز الأكسجين المذاب

يتميز تحديد تركيز الأكسجين عن طريق إخماد التألق باستجابة خطية على نطاق واسع من تركيزات الأكسجين، كما يتميز بدقة وقابلية تكرار ممتازة. [ 18 ]

طريقة الاستقطاب

طُوِّر جهاز تحليلي يعتمد على تفاعلات الأكسدة والاختزال للأكسجين بوجود أقطاب معدنية مختلفة خلال خمسينيات القرن العشرين. [ 19 ] يستخدم هذا القطب غشاءً نفاذاً للأكسجين يسمح بانتشار الغاز إلى خلية كهروكيميائية، ويُحدَّد تركيزه باستخدام أقطاب قطبية أو جلفانية. تتميز هذه الطريقة التحليلية بحساسيتها ودقتها العالية، حيث تصل إلى مستويات ± 0.1  ملغم/لتر من الأكسجين المذاب. مع ذلك، لا تزال معايرة قطب الغشاء تتطلب استخدام جدول قانون هنري أو اختبار وينكلر للأكسجين المذاب .

مستشعر برمجي

طُرحت مقترحات لأتمتة التنبؤ السريع بالطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) لاستخدامه في مراقبة العمليات والتحكم بها بشكل فوري. على سبيل المثال، يمكن استخدام أسلوب التعلم الآلي المحوسب لاستنتاج معلومات سريعة حول الطلب البيولوجي على الأكسجين باستخدام معايير جودة المياه سهلة القياس. يمكن الحصول على هذه المعايير، مثل معدل التدفق، والطلب الكيميائي على الأكسجين، والأمونيا، والنيتروجين، ودرجة الحموضة، والمواد الصلبة العالقة، بشكل مباشر وموثوق باستخدام أجهزة استشعار متصلة بالإنترنت. في تجربة لهذه الفكرة، استُخدمت قياسات هذه القيم، بالإضافة إلى بيانات الطلب البيولوجي على الأكسجين التي جُمعت على مدى ثلاث سنوات، لتدريب نموذج تنبؤي واختباره. تسمح هذه التقنية بوجود بعض البيانات المفقودة. وقد أشارت النتائج إلى إمكانية تطبيق هذا النهج، ولكنه يتطلب توفر بيانات تاريخية كافية. [ 20 ]

مراقبة الطلب البيولوجي على الأكسجين في الوقت الفعلي

حتى وقت قريب، كان رصد الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) في الوقت الفعلي غير ممكن نظرًا لطبيعته المعقدة. وقد كشف بحث حديث أجرته إحدى الجامعات البريطانية الرائدة عن وجود صلة بين العديد من معايير جودة المياه، بما في ذلك التوصيل الكهربائي، والعكارة، وفلورة التربتوفان (TLF)، والمواد العضوية المذابة الملونة (CDOM). [ 21 ] [ 22 ] ويمكن رصد هذه المعايير جميعها في الوقت الفعلي من خلال الجمع بين الطرق التقليدية (التوصيل الكهربائي عبر الأقطاب الكهربائية) والطرق الحديثة مثل قياس الفلورة. وقد استُخدم رصد فلورة التربتوفان (TLF) بنجاح كمؤشر للنشاط البيولوجي والعد، لا سيما مع التركيز على بكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli). [ 23 ] [ 22 ] [ 24 ] [ 25 ] ويمكن تطبيق الرصد القائم على فلورة التربتوفان (TLF) في نطاق واسع من البيئات، بما في ذلك محطات معالجة مياه الصرف الصحي والمياه العذبة ، على سبيل المثال لا الحصر. لذلك، كان هناك توجه كبير نحو أنظمة الاستشعار المدمجة التي يمكنها مراقبة المعايير واستخدامها في الوقت الفعلي لتوفير قراءة BOD بجودة المختبر.

مجسات الأكسجين المذاب: الغشاء والتألق الضوئي

طُوِّر جهاز تحليلي يعتمد على تفاعلات الأكسدة والاختزال للأكسجين بوجود أقطاب معدنية مختلفة خلال خمسينيات القرن العشرين. [ 26 ] يستخدم هذا القطب (المعروف أيضًا باسم مستشعر الأكسجين المذاب [ 27 ] ) غشاءً نفاذًا للأكسجين يسمح بانتشار الغاز إلى خلية كهروكيميائية، ويُحدد تركيزه باستخدام أقطاب قطبية أو جلفانية. تتميز هذه الطريقة التحليلية بحساسيتها ودقتها العالية، حيث تصل إلى مستويات ±  0.1  ملغم/لتر من الأكسجين المذاب. مع ذلك، لا تزال معايرة هذا القطب الغشائي تتطلب استخدام جدول قانون هنري أو اختبار وينكلر للأكسجين المذاب .

مستشعر الأكسجين المذاب في محطة معالجة مياه الصرف الصحي يستخدم كحلقة تغذية راجعة للتحكم في المنافيخ في نظام التهوية [ 28 ]

حدود الاختبار

تتضمن طريقة الاختبار متغيرات تحد من إمكانية التكرار. تُظهر الاختبارات عادةً اختلافات في الملاحظات تتراوح بين 10% و20% زائدًا أو ناقصًا حول المتوسط. [ 29 ] : 82

سمية

تحتوي بعض النفايات على مواد كيميائية قادرة على تثبيط نمو الكائنات الحية الدقيقة أو نشاطها. تشمل المصادر المحتملة النفايات الصناعية، والمضادات الحيوية في النفايات الصيدلانية أو الطبية ، والمطهرات في مصانع تجهيز الأغذية أو مرافق التنظيف التجارية، والتطهير بالكلور المستخدم بعد معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية، وتركيبات التحكم في الروائح المستخدمة في خزانات النفايات الصحية في سيارات الركاب أو المراحيض المتنقلة. سيؤدي تثبيط الكائنات الحية الدقيقة التي تؤكسد النفايات إلى خفض نتيجة الاختبار. [ 29 ] : 85

التعداد الميكروبي المناسب

يعتمد الاختبار على نظام بيئي ميكروبي يحتوي على إنزيمات قادرة على أكسدة المواد العضوية المتاحة. تحتوي بعض مياه الصرف الصحي، مثل تلك الناتجة عن المعالجة البيولوجية الثانوية لمياه الصرف الصحي ، على أعداد كبيرة من الكائنات الدقيقة المتأقلمة مع المياه قيد الاختبار. ويمكن استخدام جزء كبير من النفايات خلال فترة الاحتفاظ قبل بدء إجراء الاختبار. من ناحية أخرى، قد تتطلب النفايات العضوية من المصادر الصناعية إنزيمات متخصصة. وقد تستغرق التجمعات الميكروبية من مصادر البذور القياسية بعض الوقت لإنتاج هذه الإنزيمات. وقد يكون استخدام مزرعة بذور متخصصة مناسبًا لمحاكاة ظروف النظام البيئي المتطور في المياه المستقبلة. [ 29 ] : 85-87

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 كلير ن. سوير؛ بيري ل. مكارتي؛ جين ف. باركين (2003). الكيمياء للهندسة والعلوم البيئية (الطبعة الخامسة  ). نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN 978-0-07-248066-5.
  2. ↑ غولدمان، تشارلز ر.؛ هورن، ألكسندر ج. (1983). علم البحيرات . ماكجرو هيل. ص 88، 267. ISBN  0-07-023651-8.
  3. 1 2 ريد، جورج ك. (1961). بيئة المياه الداخلية والمصبات . فان نوستراند رينهولد. ص 317-320 . 
  4. ↑ تقرير المفوضين المعينين عام 1898 للتحقيق وتقديم تقرير حول طرق معالجة مياه الصرف الصحي والتخلص منها (بما في ذلك أي سائل من أي مصنع أو عملية تصنيع) التي يمكن اعتمادها بشكل صحيح. معايير واختبارات مياه الصرف الصحي ومخلفات الصرف الصحي التي تصب في الأنهار والجداول . مكتب القرطاسية التابع لجلالة الملك. 1912. ص 17. 
  5. ↑ نورتون، جون ف. الطرق القياسية لفحص المياه والصرف الصحي ، الطبعة التاسعة (1946)، الجمعية الأمريكية للصحة العامة، ص 139
  6. ↑ أوركهارت، ليونارد تشيرش، دليل الهندسة المدنية ، الطبعة الرابعة (1959)، ماكجرو هيل، ص 9-40
  7. ↑ سوير، كلير ن. وماكارتي، بيري ل. الكيمياء لمهندسي الصرف الصحي ، الطبعة الثانية (1967)، ماكجرو هيل، الصفحات 394-399
  8. 1 2 التقرير النهائي للمفوضين المعينين للتحقيق وتقديم تقرير عن طرق معالجة مياه الصرف الصحي والتخلص منها. 1912
  9. ↑ وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA). واشنطن العاصمة. "لائحة المعالجة الثانوية". قانون اللوائح الفيدرالية، 40  CFR 133
  10. ↑ كونور، ريتشارد (2016). تقرير الأمم المتحدة العالمي لتنمية المياه 2016: المياه والوظائف، الفصل 2: ​​المنظور العالمي للمياه . باريس: اليونسكو. ص 26. ISBN  978-92-3-100155-0.
  11. ^ وينكلر ، إل دبليو (1888). "Die zur Bestimmung des in Wasser gelösten Sauerstoffes " Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 21(2): 2843-2854.
  12. ↑ إيتون، أندرو د.؛ غرينبيرغ، أرنولد إي.؛ رايس، يوجين دبليو.؛ كليسيري، لينور إس.؛ فرانسون، ماري آن إتش.، محرران. (2005). الطرق القياسية لفحص المياه ومياه الصرف الصحي ( الطبعة 21). الجمعية الأمريكية للصحة العامة. ISBN  978-0-87553-047-5متوفر أيضاً على قرص مضغوط وعبر الإنترنت عن طريق الاشتراك.
  13. ↑ لي، يو. "المستشعرات الحيوية الميكروبية" (ملف PDF) . www.cbs.umn.edu . مجلة Analytica Chimica Acta 568 (2006) 200–210. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 19 مارس 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 سبتمبر 2014 .
  14. 1 2 كومار، ريتا (2004). "مجموعة ميكروبية مثبتة مفيدة لتقدير BOD سريع وموثوق" . براءات اختراع . نيودلهي، الهند: معهد علم الجينوم والبيولوجيا التكاملية التابع لمجلس البحث العلمي والصناعي (CSIR-IGIB). المملكة المتحدة؛ GB2360788؛ (3-11-2004).
  15. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 2013130308 A ، ناتالي بوتريمات؛ رومي-أليس غوي وزينب العمراوي وآخرون، "عملية قياس التحلل البيولوجي المتعدد بشكل مباشر"، نُشرت في 23 مايو 2013، مُسجلة باسم شركة إنفولور. 
  16. ↑ مولر، ماثيو؛ بوجوليا، سيهام؛ جوي، رومي-أليس؛ يوريس، أليسون؛ برلين، جان؛ ميش، بيرين؛ روشيه، فنسنت؛ ميرتنز، شارون؛ دودال، إيف (2014). "التحقق الدولي المتبادل من بديل BOD5". مجلة علوم البيئة وبحوث التلوث . 21 (23): 13642-13645 . Bibcode : 2014ESPR...2113642M . doi : 10.1007/s11356-014-3202-3 . PMID: 24946712. S2CID : 31998587 .  
  17. ↑ غارسيا-فريسناديلو، د.، دكتور في الطب مارازويلا، وآخرون (1999). "أغشية نافيون مضيئة مصبوغة بمركبات الروثينيوم (II) كمواد استشعار للأكسجين المذاب." لانغمير 15(19): 6451-6459.
  18. ↑ تيتز، ج.، هـ. والتر، وآخرون (2008). "تقييم مستشعر بصري جديد لقياس الأكسجين المذاب بالمقارنة مع الطرق التحليلية القياسية." موناتشر. براوويس. (مارس/أبريل): 66-80.
  19. ↑ كيمولا، و. وس. سيكيرسكي (1950). "التحديد البولارومتري للأكسجين". مجموعة الاتصالات الكيميائية التشيكية 15: 1069-75.
  20. ↑ رستم، ربيع؛ أديلوي، أديبايو ج.؛ شولز، ميكلاس (2008). "تطبيق خريطة كوهونين ذاتية التنظيم كمستشعر برمجي للتنبؤ بالطلب البيوكيميائي على الأكسجين". بحوث البيئة المائية . 80 (1): 32-40 . Bibcode : 2008WaEnR..80...32R . doi : 10.2175/106143007X184500 . JSTOR 23804289. PMID 18254396. S2CID 24738186 .   
  21. ↑ خميس، ك.؛ برادلي، س.؛ حنا، د.م. (2018). "فهم ديناميكيات المواد العضوية الذائبة في مستجمعات المياه الحضرية: رؤى من تقنية مستشعرات التألق في الموقع" . مراجعات وايلي متعددة التخصصات: المياه . 5 (1) e1259. Bibcode : 2018WIRWa...5E1259K . doi : 10.1002/wat2.1259 . ISSN 2049-1948 . 
  22. 1 2 خميس، ك.؛ ر. سورنسن، ج.ب.؛ برادلي، س.؛ م. حنا، د.؛ ج. لابوورث، د.؛ ستيفنز، ر. (2015). "مقياسات فلورية شبيهة بالتريبتوفان في الموقع: تقييم تأثيرات العكارة ودرجة الحرارة على تطبيقات المياه العذبة" . العلوم البيئية: العمليات والتأثيرات . 17 (4): 740-752 . doi : 10.1039/C5EM00030K . PMID 25756677 . 
  23. ↑ رينولدز، د.م.؛ أحمد، س.ر. (1997-08-01). "تحديد سريع ومباشر لقيم BOD في مياه الصرف الصحي باستخدام تقنية التألق". بحوث المياه . 31 (8): 2012-2018 . Bibcode : 1997WatRe..31.2012R . doi : 10.1016/S0043-1354(97)00015-8 . ISSN 0043-1354 . 
  24. ↑ أوكاش، ج.؛ هاجيت، ب.؛ مايتوم، ر.؛ ميد، أ.؛ راوسون، د.؛ أجمل، ت. (نوفمبر 2015). "استشعار تلوث المياه العذبة باستخدام طرق التألق". IEEE Sensors 2015. ص 1-4 . doi : 10.1109/ICSENS.2015.7370462 . ISBN  978-1-4799-8203-5. S2CID 22531690 . 
  25. ↑ فوكس، بي جي؛ ثورن، آر إم إس؛ أنيسيو، إيه إم؛ رينولدز، دي إم (15 نوفمبر 2017). "الإنتاج البكتيري الموضعي للمواد العضوية الفلورية: دراسة على مستوى الأنواع" . أبحاث المياه . 125 : 350-359 . Bibcode : 2017WatRe.125..350F . doi : 10.1016/j.watres.2017.08.040 . hdl : 1983/a6b8b5fc-6ced-4901-9bb8-75ab3c05dd02 . ISSN 0043-1354 . PMID 28881211 .  
  26. ↑ كيمولا، و. وس. سيكيرسكي (1950). "التحديد البولارومتري للأكسجين". مجموعة الاتصالات الكيميائية التشيكية 15: 1069-75.
  27. ↑ "من الناحية الفنية: التحكم في الأكسجين المذاب" . معالجة المياه ومياه الصرف الصحي . 10 فبراير 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 سبتمبر 2017 .
  28. ↑ والاس، كالفن. "الإصلاح أم إعادة التفكير؟" . مشغل محطة المعالجة . العدد أبريل 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 سبتمبر 2017 . 
  29. 1 2 3 هامر، مارك ج. (1975). تكنولوجيا المياه والصرف الصحي . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-34726-2.

للمزيد من القراءة

  • رستم ر.، أ. ج. أديلوي، وم. شولز (2008). "تطبيق خريطة كوهونين ذاتية التنظيم كمستشعر برمجي للتنبؤ بالطلب البيوكيميائي على الأكسجين." بحوث البيئة المائية، 80 (1)، 32-40.
  • رستم، ر.، أديلوي، أ.، وسيمالا، أ.، 2007. استخلاص ميزات خريطة كوهونين ذاتية التنظيم (KSOM) لتحسين نماذج التنبؤ MLP-ANN لـ BOD5. في الندوة الدولية: تحديد كمية وتقليل عدم اليقين التنبؤي لإدارة موارد المياه المستدامة - الجمعية العامة الرابعة والعشرون للاتحاد الدولي للجيوديسيا والجيوفيزياء (IUGG) (ص  181-187).