BOD กับการบ่งบอกคุณภาพน้ำ

เรียบเรียงโดย เอกดนัย กอกิมพงษ์
       ในการวิเคราะห์คุณภาพน้ำนั้น หนึ่งในปัจจัยสำคัญที่เป็นตัวบ่งบอกคุณภาพของน้ำก็คือปริมาณออกซิเจนละลาย (Dissolved Oxygen, DO) แต่หากเป็นน้ำเสียหรือน้ำทิ้ง จะต้องคำนึงถึงค่าปริมาณ ออกซิเจนที่จุลชีพใช้ในการย่อยสลายสารอินทรีย์ (Biochemical Oxygen Demand, BOD) ด้วย ซึ่งค่า BOD นี้จะมีประโยชน์อย่างมากในการนำไปใช้เป็นข้อมูลสำหรับการออกแบบระบบบำบัดน้ำ และควบคุมคุณภาพน้ำ

บทนำ
        BOD คือค่าปริมาณออกซิเจนที่จุลชีพใช้ในการย่อยสลายสารอินทรีย์ การหาค่า BOD ทำได้โดยการหาความแตกต่างของปริมาณออกซิเจนละลาย หรือค่า DO (Dissolved Oxygen) ก่อนและหลังการบ่มในภาชนะปิด ซึ่งการหาค่า BOD โดยปกติแล้วจะใช้เวลาบ่ม 5 วัน ส่วนภาชนะที่ใช้บ่มคือขวด BOD ซึ่งมีลักษณะเป็นขวดสีชามีจุกแก้วปิดสนิท เพื่อป้องกันอากาศภายนอกเข้าไปภายในและไปรบกวนสภาวะภายในขวด ค่า BOD ที่ได้จะเป็นตัวบ่งบอกถึงความสกปรกของน้ำที่นำมาตรวจ และสามารถนำไปใช้เป็นข้อมูลสำหรับการบำบัดน้ำได้ หลักการของการวัดค่า BOD การวิเคราะห์หาค่า BOD (Biochemical Oxygen Demand) เป็นการวิเคราะห์เพื่อให้ทราบถึงปริมาณความสกปรกของน้ำในแหล่งน้ำต่างๆ เช่น แม่น้ำลำคลอง น้ำทิ้งจากอาคารบ้านเรือน และน้ำทิ้งจากโรงงานอุตสาหกรรม โดยคิดเปรียบเทียบในรูปของปริมาณออกซิเจนที่จุลินทรีย์ใช้ในการย่อยสลายสารอินทรีย์ โดยทั่วไปการวิเคราะห์หาค่า BOD จะเป็นการวัดปริมาณออกซิเจนที่ถูกใช้ในระยะเวลา 5 วัน ภายในตู้ควบคุมอุณหภูมิที่ 20 องศาเซลเซียส และด้วยเหตุผลที่ออกซิเจนในอากาศนั้นสามารถละลายน้ำได้ในปริมาณจำกัดคือประมาณ 9 มิลลิกรัม/ลิตร (ในน้ำบริสุทธิ์ที่ อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส) ดังนั้น ในการวิเคราะห์ค่า BOD ในน้ำเสียซึ่งมีความสกปรกมาก จึงจำเป็นต้องเจือจางน้ำเสียลงให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมพอดีกับปริมาณออกซิเจนที่มีอยู่ และเนื่องจากการวิเคราะห์ค่า BOD เป็นการวิเคราะห์ที่เกี่ยวข้องกับจุลินทรีย์ในน้ำ ดังนั้น จึงจำเป็นต้องทำให้น้ำมีสภาพที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ด้วย เช่น ไม่มีสารพิษ แต่มีอาหารเสริมที่เพียงพอ สำหรับการเจริญเติบโตรวมทั้งต้องมีปริมาณจุลินทรีย์ที่มากพอจะทำการวิเคราะห์หากไม่มีหรือมีจุลินทรีย์ปริมาณน้อยเกินไปควร
เติมเชื้อจุลินทรีย์ หรือ หัวเชื้อ (seed) ลงไปเพิ่ม เพื่อให้มีจุลินทรีย์ปริมาณมากเพียงพอต่อการวิเคราะห์

การวิเคราะห์หาค่า BOD
        การวิเคราะห์หาค่า BOD ที่ใช้กันโดยทั่วไปเรียกว่า Dilution BOD ซึ่งเป็นวิธีมาตรฐานของ EPA ซึ่งมีวิธีการทำดังนี้
        1. นำตัวอย่างน้ำที่เตรียมพร้อมสำหรับการนำมาวิเคราะห์แล้วมาปรับอุณหภูมิให้ได้ประมาณ 20 องศาเซลเซียส
        2. เติมอากาศให้มีออกซิเจนอิ่มตัว (ใช้เวลาประมาณ 5 - 10 นาที)
        3. รินตัวอย่างน้ำลงในขวด BOD จนเต็มอย่างน้อย 3 ขวด โดยจะต้องระวังไม่ให้มีฟองอากาศภายในขวด จากนั้น ปิดจุกให้สนิทแล้วนำขวดหนึ่งมาหาปริมาณออกซิเจนละลาย (Dissolved Oxygen) ก่อน ส่วนอีกสองขวดนำไปบ่มที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 5 วัน
        4. หลังจาก 5 วันแล้ว นำตัวอย่างน้ำที่บ่มมาหาปริมาณออกซิเจนละลายที่เหลืออยู่
        5. การคำนวณ
            BOD = D1 - D2
      เมื่อ BOD = ค่าบีโอดี (มิลลิกรัม/ลิตร)
                D1 = ปริมาณออกซิเจนละลายที่วัดได้ในวันแรก (มิลลิกรัม/ลิตร)
                D2 = ปริมาณออกซิเจนละลายที่วัดได้ในวันที่ 5 (มิลลิกรัม/ลิตร)
        วิธีการวัดข้างต้นนี้จะใช้ในกรณีที่คาดว่าตัวอย่างน้ำมีค่า BOD น้อยกว่า 7 มิลลิกรัม/ลิตร ซึ่งถือเป็นน้ำที่มีความสกปรกไม่มาก แต่หากในกรณีที่คาดว่าตัวอย่างน้ำมีความสกปรกสูง หรือมีค่าบีโอดี มากกว่า 7 มิลลิกรัม/ลิตร จะต้องนำตัวอย่างน้ำมาเจือจางก่อน เพราะออกซิเจนในน้ำมีไม่เพียงพอสำหรับจุลินทรีย์เพื่อใช้ในการย่อยสลาย จึงจำเป็นต้องทำให้ตัวอย่างน้ำที่สกปรกเจือจางลงโดยใช้น้ำผสมลงไปเพื่อเจือจาง ซึ่งจะต้องเจือจาง
จนทำให้น้ำมีค่า BOD ต่ำกว่า 7 มิลลิกรัม/ลิตร และควรทำหลายๆ ความเข้มข้น (โดยทั่วไปไม่น้อยกว่า 3 ความเข้มข้น) สำหรับอัตราส่วนในการผสมเจือจางอาจจะประมาณการได้จากชนิดของตัวอย่างลักษณะของตัวอย่าง หรือข้อมูลของแหล่งน้ำ จากนั้น ทำการวัด โดยวิธีเดียวกัน แต่เวลาคำนวณจะต้องนำค่าการเจือจางมาร่วม

รูป 1 ตัวอย่างน้ำเสียที่ถูกปลอ่ ยทิ้งลงสูค่ ลอง คำนวณด้วย

ตารางที่ 1 ตัวอย่างค่า BOD ของสารประกอบอินทรีย์บางชนิด

BOD meter
        จริงๆแล้ว BOD meter ก็คือ DO meter นั่นเอง เพราะการวิเคราะห์หาค่า BOD ก็คือการวัดค่าปริมาณของออกซิเจนละลาย จะต่างกันที่หัววัดที่ใช้ที่จะเป็นหัววัด BOD โดยเฉพาะ ซึ่งจะมีคุณสมบัติพิเศษ ที่แตกต่างจากหัววัด DO ปัจจุบัน การวัดค่า BOD โดยใช้เครื่องมือนั้น สามารถทำการวัดได้ตลอดทั้งกระบวนการ กล่าวคือสามารถหาค่า BOD ได้ตลอดตั้งแต่เริ่มจนจบกระบวนการ และนำข้อมูลที่ได้มาเขียนเป็นกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่า BOD/เวลา ได้ นอกจากนี้ ยังมี BOD meter อีกประเภทหนึ่งที่ใช้ วิธีการวัดค่า BOD แตกต่างไปจากวิธีพื้นฐานทั่วไป (Dilution BOD) คือ วิธี Manometric Respirometric ซึ่งจะได้กล่าวถึงใน หัวข้อเทคโนโลยีของ BOD meter ต่อไป

รูป 2 AUTO-STIR Probe รูป 4 BOD Trak™

รูป 3 Manometric, respirometric BOD measureme รูป 5 OxiDirect ®

เทคโนโลยีของ BOD meter ในปัจจุบัน
AUTO-STIR Probe
        หัววัดชนิด AUTO-STIR Probe นี้เป็นเทคโนโลยีของหัววัด BOD ยี่ห้อ Thermo Orion มีความพิเศษคือเป็นหัววัดที่มีระบบการกวนภายใน ทำให้สามารถกวนตัวอย่างน้ำได้เอง เพื่อป้องกันการเกิดแบ่งชั้นของออกซิเจนภายในตัวอย่างน้ำ ซึ่งจะทำให้ออกซิเจนไม่สามารถละลายน้ำได้เต็มที่ และมีขาตั้งหัววัดซึ่งทำหน้าที่เป็นดัง air-calibration beaker และสามารถใช้เป็นที่เก็บหัววัดเมื่อไม่ได้ใช้งานได้ นอกจากนี้ หัววัดชนิดนี้ยังถูกออกแบบมาให้ถอด-ประกอบง่ายทำให้สามารถถอดมาทำความสะอาดได้สะดวก ส่วนการควบคุมหัววัดใช้ระบบควบคุมแบบสัมผัส (One-Touch) และมีระบบชดเชยอุณหภูมิแบบอัตโนมัติทำให้สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ และวัดค่า BOD ได้อย่างแม่นยำมากขึ้น

Manometric, respirometric BOD measurement
        วิธีนี้เปน็ การวัดค่า BOD โดยใชห้ ลักในเรื่องความดัน โดยความดันจากการหายใจจะสัมพันธ์กับปริมาณอออกซิเจนที่ถูกจุลินทรีย์ดูดซึมไปใช้ และทำให้ความดันภายในขวดเกิดการเปลี่ยนแปลงลดลง การวัดค่า BOD ด้วยวิธีนี้จะทำให้ได้ค่า BOD ออกมาโดยตรงโดยไม่ต้องนำไปคำนวณเปรียบเทียบ จึงอาจเรียกวิธีนี้ได้อีกอย่างว่า BOD self-check สำหรับ BOD meter ที่ใช้หลักการนี้ในการวัดค่า BOD ได้แก่
       BODTrak™
        เทคโนโลยี BODTrak™ เป็นเทคโนโลยีของ HACH® company มีหลักการทำงานคือ อากาศที่อยู่ในระบบปิด และมีปริมาณออกซิเจนอยู่เต็ม เมื่อมีการใช้ออกซิเจน จะเป็นผลให้ความดันภายในขวดลดลง ซึ่งเครื่องมือจะวัดการลดลงของระดับความดันภายในขวดและรายงานผลออกมาเป็นค่า BOD ในหน่วยมิลลิกรัม/ลิตรได้โดยตรง โดยในระหว่างช่วงการทดสอบเพื่อหาค่า BOD นี้ ภายในขวดจะมีการกวนโดยแท่งแม่เหล็กอยู่ตลอดเวลา เพื่อให้การถ่ายเทออกซิเจนภายในขวดเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยปริมาณออกซิเจนที่เหลืออยู่จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความดันภายในขวด ส่วนคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกผลิตขึ้นจากการออกซิเดชั่นของสารอินทรีย์จะถูกกำจัดออกโดยใช้ลิเทียมไฮดรอกไซด์ซึ่งใส่อยู่ในฝาปิดของขวดตัวอย่างแต่ละขวด โดยลิเทียมไฮดรอกไซด์นี้จะทำหน้าที่ดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้น เพื่อไม่ให้รบกวนต่อความดันในระบบ อีกทั้งขวด BOD ยังถูกออกแบบมาอย่างดีจึงไม่มีแม้แต่รอยรั่ว ทำให้สามารถแน่ใจได้ว่าสภาวะภายในขวดจะไม่ได้รับการรบกวนจากสภาพแวดล้อมภายนอก และทำให้การวัดค่า BOD ทำได้อย่างมีประสิทธิภาพและแม่นยำ

ประโยชน์ของการวัดค่า BOD
        ค่า BOD ถือเป็นค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญในการจัดการทรัพยากรน้ำเป็นค่าที่บ่งบอกถึงคุณภาพและการปนเปื้อนของน้ำสำหรับในโรงงานอุตสาหกรรมการวัดค่า BOD ถือเป็นงานที่ต้องทำเป็นประจำ เพื่อควบคุมคุณภาพของน้ำเสียที่เกิดจากกระบวนการผลิตและน้ำที่ผ่านการบำบัดแล้วให้ได้มาตรฐาน และไม่ก่อมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ ค่า BOD ยังมักถูกนำไปใช้เป็นข้อมูลในการวางแผนและออกแบบระบบบำบัดน้ำเสียอยู่เสมอด้วย

สรุป
        การวัดคุณภาพน้ำโดย BOD สามารถบ่งบอกได้ถึง ความสกปรกหรือการปนเปื้อนของน้ำได้ โดยค่า BOD ยิ่งสูง ยิ่งแสดงว่าแหล่งน้ำนั้นมีคุณภาพต่ำ เพราะ BOD คือการวัดปริมาณออกซิเจนในน้ำก่อนและหลังการบ่ม การที่ค่า BOD มากก็ย่อมหมายถึงปริมาณออกซิเจนในน้ำถูกใช้ไปมากหรือมีจุลชีพอยู่ในน้ำมาก ซึ่งจะเป็นสาเหตุให้น้ำเน่าเสีย ในทางกลับกัน หากค่า BOD น้อย ก็สามารถบ่งบอกได้ว่าน้ำมีความสกปรกน้อย ค่า BOD จึงมักจะถูกใช้ในการออกแบบระบบบำบัดน้ำ เพราะสามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงถึงประสิทธิภาพของระบบบำบัดได้ ซึ่งหากโรงงานอุตสาหกรรมหรือแม้กระทั่งบ้านเรือน คำนึงถึงคุณภาพของน้ำ ไม่ทำให้น้ำเน่าเสียโดยความมักง่ายของตนแล้ว สภาพแวดล้อมก็จะไม่ถูกทำลายและคงความสวยงามได้อยู่ตลอดไป

LAB.TODAY
บทความบางส่วนติดตามได้ในเล่ม
เว็บไซต์ที่เกี่ยวข้อง www.vertichrom.com, www.ligandsci.com