Biyokimyasal Oksijen İhtiyacı (BOİ)

DENEYİN AMACI : Su örneklerinin biyolojik oksijen ihtiyacının hesaplanması

TEORİ:

Atıksular organik maddeler içerdiğinden, bunların konsantrasyonları, yani sudaki miktarları, kirlilik derecesinin ölçüsü olarak kabul edilir. Organik maddenin ölçüsü olarak, biyokimyasal oksidasyon (karbonlu maddelerin oksitlenmesi) sırasında harcanan oksijen miktarı esas alınabilir ve bu değer de BOI İngilizce biochemical oxygen demand BOD olarak adlandırılır.

içerisinde bakteri bulunan kanalizasyon veya endüstri atık sularına oksijen verildiği takdirde, bakteriler aracılığı ile, kararsız (çürüyebilen) maddeler aerobik parçalanmaya uğrar. Bu ayrışma sırasında bir miktar oksijen sarf edilir. Çürüyebilen maddeler kararlı hale dönüşürler. Organik maddelerin aerobik şartlarda kararsız halden kararlı hale gelmeleri için bakteriler tarafından kullanılan oksijen miktarına, "biyokimyasal oksijen ihtiyacı" denir.

BOI parametresi, kanalizasyon ve içinde toksik maddeler bulunmayan endüstri atıklarının kirletebilme derecesini, gerekli oksijen miktarı cinsinden tayinde kullanılır. Ayrıca artıma sistemlerinin tasarımı ve işletilmesi, alıcı ortama atık su deşarj limitlerine uygunluğunun kontrol edilmesi ve biyolojik artıma sistemlerinin performansının ölçülmesinde kullanılmaktadır. Yerleşim alanlarından kaynaklanan evsel atık suların BOI değeri ortalama 200mg/lt değerindedir.

BOI deneylerinde meydana gelen reaksiyonlar, biyolojik faaliyetlerin sonucudur. Reaksiyon hızı, sıcaklık ve suyun kirliliğine bağlıdır. Deneyde yasayan organizmalar, organik maddelerin su ve karbon dioksite oksidasyonu için görev yaparlar. Deney sırasında oksijen miktarının tükenmemesi gereklidir. 20 °C de oksijen sudaki çözünebilen miktarı 9,0 mg/L'dir. Bu nedenle, kirli suların istenen düzeye kadar seyreltilmesi gereklidir. Ortamın bu süre esnasında bakterilerin faaliyetini engellemeyecek şekilde uygun olması gereklidir. Ortamda zehirli maddeler bulunmamalıdır. Ayrıca gerekli yiyecek maddesi ve bakterilerin büyümesi için azot, fosfor gibi belirli elementlerin bulunması gereklidir. Teorik olarak tam bir biyolojik oksidasyon için çok uzun zaman gerekir. Pratikte reaksiyonun 20 günde tamamlandığı kabul edilir. Ancak tecrübeler, biyolojik oksijen ihtiyacının büyük bir kısmının ilk 5 günde sarf edildiğini göstermiştir. Kullanma sulan ve birçok endüstri artık sularında 5 günlük BOİ'nin toplam BOI'nin %70'i veya %80'i oranında olduğu bulunmuştur. Bu durum ortamdaki organik madde miktarı ve asının (ayrışmayı sağlayacak mikroorganizmalar) kalitesi ile ilgilidir.

DENEYİN YAPILIŞI

ARAÇ GEREÇLER:

1. BOİ şişeleri: 250 ile 300 ml'lik ağzı sıkı cam kapaklı 

2. İnkübatör: 20±1°C'de termostat yardımıyla sıcaklığı korunabilen özellikte.

3. Büret 

4. Pipet

5. Titrasyon için erlen

6. Mezür

KULLANILAN REAKTİFLER

Distile Su

Seyreltme suyu ve reaktiflerin hazırlanmasında kullanılan distile suyun çok iyi kalitede olması gereklidir. Distile suyun kapsamında Cu miktarı 0,01 mg /L'den daha az olmalı ve serbest klor, klor aminler, hidroksit alkaliliği, organik madde veya asitler bulunmamalıdır.

Fosfat tampon çözeltisi

8.5 gr potasyum dihidrojen fosfat (KH₂PO4), 21.75 gr dipotasyum hidrojen fosfat (K₂HPO4), 33.4 gr disodyum hidrojen fosfat heptahidrat (Na₂HPO4.7H2O) ve 1.7 gr amonyum klorür (NH4Cl), yaklaşık 500 ml distile suda çözülür ve litreye tamamlanır. Bu tampon çözeltinin pH 7,2 olmalıdır.

Magnezyum sülfat çözeltisi

22.5 gr (MgSO4.7H2O) distile suda çözülür ve litreye tamamlanır.

Kalsiyum klorür çözeltisi

27.5 gr susuz CaC12 distile suda çözülür ve litreye tamamlanır.

Demir (III) klorür çözeltisi

0.25 gr FeC13.6H2O distile suda çözülür ve litreye tamamlanır.

Asit ve alkali çözeltiler, 1 N

Asidik veya bazik olan kullanılmıs su numunelerinin nötralizasyonunun saglanması gerekir. Bunun için 1 N NaOH veya 1 N H2SO4 kullanılır.

Sodyum sülfit çözeltisi

1.575 gr susuz Na2SO3, 1 L distile suda çözülür. Bu çözelti dayanıklı olmadıgından günlük olarak hazırlanmalıdır.

Nitrifikasyon inhibitör çözeltisi

500 mg alil tiyolüre distile suda çözülür, 1 litreye seyreltilir.

Yapılışı

Aşılama

Aşılamanın amacı, numune içinde kullanılmış suları okside edebilecek uygun mikrobiyolojik toplulukların verilmesidir. Evsel kullanılmış su, klorlanmamış deşarjlar ve yüzeysel sularda bu tip mikroorganizmalar zaten mevcut olduğundan aşılama gerektirmez. Standart aşılama maddesi, çöktürülmüş ve 20: 1C'de 24 ila 36 saat saklanmış evsel atık sudur.

Seyreltme Suyunun Hazırlanması

Seyreltme suyunun, doygunluğa yakın çözünmüş oksijeni bulunmalıdır. Bu amaçla 20°C'deki distile su veya deiyonize su kullanılır. Distile suyun havalandırılması, bir hava pompasına bağlı difüzör kullanılarak ya da seyreltme suyunu kısmen dolu bir kapta şiddetle çalkalayarak sağlanabilir. İstenen hacimde distile su, uygun bir kaba alınır ve 1 L su basına 1 mL fosfat tamponu, 1 mL MgSO4 çözeltisi, 1 mL CaC12 çözeltisi ve 1 mL FeC13 çözeltisi ilave edilir. Bu karışım karıştırılarak veya bir hava pompası ile havalandırılır. Seyrelme suyu 20-1°C'de ağzı pamuklu kapalı şişelerde korunmalıdır.

Seyreltme tekniği

Numunenin harcayabileceği çözünmüş oksijen göz önüne alınarak çeşitli seyreltme oranları kullanılmalıdır.

a) İçme suları için seyreltme yüzdesi yarı yarıya olabilir.

b) Çöktürülmüş atıksularda BOI, 50-200 mg/L'dir ve seyreltme % 2-3 ve % 3-4 olabilir.

c) Arıtma işleminden geçirilmemiş atıksularda BOI, 100-300 mg/L, seyreltme % 1-2 olabilir.

d) Kirlenmiş nehir sularında seyreltme yüzdesi % 25-100 olabilir.

e) Göl suyu, nehir suyu, çay suyu için durumuna göre seyreltme %10-20 veya %50 olabilir.

f) Çok kirlenmiş atıksular veya endüstriyel atıksular için % 1-2'lik seyreltme yapmadan önce bir kısım atıksu 10 kısım seyreltme suyu ile seyreltilir.

Diğer bir yöntem ise, atıksuyun tahmini BOI'sine göre seyreltme oranı seçimidir. Tablo 1'de tahmini BOI değerlerine karşılık gelen seyreltme yüzdeleri verilmiştir.

Tahmini BOI değerlerine karşılık gelen seyreltme yüzdeleri

Bunun için, bir mezürde toplam hacim 1 litre olacak şekilde seyreltmeler hazırlanır. Her örnek için beklenen BOI değerinin karşısındaki seyreltmeden başka tabloda onun bir üst ve altında yer alan seyreltmeler de yapılır. Böylece her örnek için üç seyreltme yapılmış olur.

Örneğin tahmini BOİ'nin 800 mg/L civarında olması bekleniyorsa, en uygun seyreltme oranı tablodan %0.5 olarak bulunur. 1 litrelik hacim için bu örnekten kabı iyice çalkalayarak (0.5/100)x1000-5 ml almak gerekir. Tabloda %0.5'in bir altındaki ve üstündeki seyreltme oranları %1.0 ve % 0.2'lik seyreltmelerdir. Bunlar için sırasıyla 10 ml ve 2 ml numune alınır. 5 günlük inkübasyon sonucunda numuneler en az 2mg/l oksijen tüketmeli ve BOI şişesinde minimum 1mg/1 oksijen kalmalıdır.

İnkübasyon

Şahit seyreltme suyu ve hazırlanmış numune 5 gün 20°C'de karanlıkta inkübe edilir. İnkübatörden çıkarılan numunenin çözünmüş oksijen konsantrasyonunun en az 1 mg/L ve birinci gün tayin edilen çözünmüş oksijen ile besinci gün sonunda tayin edilen çözünmüş oksijen konsantrasyonları farkının en az 2 mg/L olması istenir.

Çözünmüş oksijen ölçümü

İnkübasyondan önce ve sonra seyreltme suyu ve numunenin çözünmüş oksijen konsantrasyonları belirlenmelidir.

Bunun için,

• 250-300 mL'lik hacmi bilinen Ç.O şişesine numune ağzına kadar doldurulur ve şişeden numune taşırılarak şişenin ağzı kapatılır. Şişenin içinde hava kabarcığı kalmamalıdır. 
• Şişenin kapağı açılarak 1 mL mangan sülfat çözeltisi, bunu takiben 1 mL alkali-iyodür-azotür reaktifi şişenin tam dibine doğru uzun bir pipet yardımı ile ilave edilir.
• Şişenin kapağı kapatılarak sise en az 15 defa alt-üst edilerek karıştırılır. 
• Çökelek oluştuğunda şişenin kapağı açılarak 1 ml derişik H2SO4 çözeltisi katılır ve şişenin kapağı kapatılır. 
• Daha önce oluşmuş çökeleğin tamamen çözünmesi için sise ters-düz edilerek karıştırılır. Çökelek çözündükten sonra şişedeki çözeltiden 200 ml ölçülerek bir erlene alınır.

Aşılama

Standart asılama maddesi, çöktürülmüş ve 20°C'de 24 ila 36 saat saklanmış evsel atıksudur. Genellikle kullanılan ası miktarı 1-2 mL/L'dir. Evsel atıksu ile aşılandıklarında bile içerdikleri bir kısım organik maddenin indirgenmesi mümkün olmayan atıkların BOI analizinde, bu tip atıklara adapte olmuş özel asıların kullanımı uygundur. Bu asılar ya biyolojik arıtma üniteleri çıkış sularından alınır veya deşarj edildiği yüzeysel sudan ve deşarj noktasından 3-8 km aşağıdan alınır. Bazı atıklara adapte olmuş özel asıların kullanımında, bu miktar arttırılabilir. Ası, alındıktan sonra 24 saat içinde kullanılmalı ve kullanılıncaya kadar sürekli havalandırılmalıdır. Asılamadan az önce havalandırma durdurulup asi numunesi çökeltilir. Asılama için üstteki çözünmüş ve kolloidal kısım (üst kısım) kullanılır.

Aşılama Düzeltmesi

Aşı düzeltmesi için, aşı olarak kullanılan havalandırılmış aşı numunesinden seyreltme suyu ile, %2'lik ve %5'lik iki seri seyreltme hazırlanır. Bu seyreltmelerde inkübatöre konur. Yapılan seyreltmelerden 5 günde % 40-70 çözünmüş oksijen tüketimi yapan bir tanesi aşı düzeltme hesabında kullanılır.

Seyreltme suyu kontrolü

İki BOİ şişesi, aşılanmamış seyreltme suyu ile doldurulur. Ağzı kapatılır ve biri inkübatörde 20°C'de tutulur ve birinde hemen çözünmüş oksijen tayini yapılır. İlk gün ve beşinci gün oksijen tüketimleri farkı 0,2 mg/L'yi geçmemelidir. Bu sonucu gösteren seyreltme suları deney için uygun bir şekilde kullanılabilir.

BOI deneyi kontrolü

BOI deneyi bir biyo sınama işlemidir. Seyreltme suyunun kalitesi, asının etkinliği ve analizcinin tekniği, periyodik olarak belli BOİ'ye sahip saf organik bileşiklerin kullanılması ile kontrol edilebilir. Genellikle BOİ tayininde Glikoz + Glutamik asit karışımı (her birinden 150 mg/L olmak üzere) bu amaç için uygun bulunmuştur.

Glikoz Glutamik asit kontrolü

105 °C'de 2 saat kurutulmuş glükoz ve glütamik asitten 150 şer mg/L içeren bir yapay örnekten seyreltme suyu ile %2'lik seyreltme yapılır, aşılanır ve BOI, bulunur. Sonuç 200±37 mg/L aşı düzeltmesi 0.6 mg/L'den büyük olmalıdır.

OKSİTOPLAR

Oksitoplar ile ölçme sistemi kapalı bir sistemdeki basınç ölçümleridir. Numunedeki mikroorganizmalar oksijen tüketip CO₂ oluştururlar. Bu NaOH tarafından emilerek direk mg/L olarak ölçülebilen bir vakum oluşturur. Kullanılan numune hacmi tam bir BOD deneyi için gerekli oksijen miktarını düzenler.

İnkübütör şişesi örnek ile çalkalanarak temizlenir.

Manyetik bar şişeye yerleştirilir.

Çeşitli örnek hacimleri için ölçüm aralığı

0-40 mg/lt ölçüm aralığı için 432 ml örnek alınır.

2 adet NaOH tableti plastik korumaya konulur.

Oxitop ölçüm başlığı şişeye takılır. Oxitop sıfırlanır ve başlatılır.

5 gün süre ile 20 °C' de sürekli karıştırılarak bekletilir. Okxitop 24 saatte bir otomatik olarak oksijen tüketimini kaydeder. 5 gün sonunda değer 12 olarak okunmuştur.

HESAPLAMA

Aşı gerekli değilse

mg/LBOI = D1-D2 / P

Aşılı seyreltme suyu kullanıldığında

mg/LBOI = (D1-D2)-(B1-B2)ƒ  / P

Burada;

D1: Numunenin hazırlandıktan 15 dakika sonraki çözünmüş oksijen değeri, (mg/L)

D2: Seyreltik numunenin 5. gün sonundaki çözünmüş oksijen değeri, (mg/L)

BI: Aşının birinci gün çözünmüş oksijen değeri, (mg/L)

B2: Aşının beşinci gün çözünmüş oksijen değeri, (mg/L)

f: Numunedeki aşı yüzdesinin, aşı kontrolündeki aşı yüzdesine oranı

(D1'deki % aşı / BI'deki % aşı)

p: Numunenin seyreltme oranı (ondalık kesir olarak)

Kaynaklar: 1. Standard Methods for the examination of water and wastewater

2. Çevre Mühendisliği Kimyası, Prof. Dr. Ahmet SAMSUNLU