Determinazione del BOD nelle acque

Il crescente aumento della popolazione e soprattutto il tenore di vita medio dei paesi industrializzati comporta una sempre crescente richiesta d’acqua e allo stesso tempo ne provoca un inquinamento sempre maggiore. È infatti innegabile che il rischio antropogenico sia sempre maggiore e la contaminazione dell’acqua un dato certo, con effetti talvolta tossici sugli organismi viventi.

È quindi fondamentale la caratterizzazione delle acque per prevenire e gestire pericoli sulla salute umana, ma anche di tante specie animali.

Analisi dell’inquinamento delle acque

In termini molto generici potremmo classificare le analisi sull’acqua in due macrocategorie: analisi dei composti organici e dei composti inorganici. Spesso una caratterizzazione specifica dei singoli composti non è facile, sia in termini analitici che gestionali, ed è quindi importante riuscire a classificare le famiglie di composti per poter ottimizzare la fase analitica e disporre di dati significativi per una adeguata caratterizzazione dell’acqua in termini più macroscopici.

In questo contesto, la Domanda Biochimica di Ossigeno (BOD) è un parametro molto importante perché offre la possibilità di avere informazioni sulla capacità dei microorganismi aerobici di decomporre le sostanze organiche.

Come determinare la domanda biochimica di ossigeno

Il BOD (Biochemical Oxygen Demand) è un parametro di qualità dell’acqua. Esistono diversi metodi per determinare il BOD, tra cui i seguenti:

• EN ISO 5815:1-2019 (Determination of biochemical oxygen demand after n days (BODn) – Part 1: Dilution and seeding method with allylthiourea addition): questo metodo è stato sviluppato dall’Organizzazione internazionale per la normazione (ISO) ed è il più comune utilizzato per la determinazione della domanda biochimica di ossigeno dopo n giorni (BODn): l’acqua viene inoculata con batteri e mantenuta a una temperatura di 20 °C per n giorni, durante i quali viene misurata la quantità di ossigeno consumata.

Sostituisce i metodi EN 1899-2:1998 (Determination of biochemical oxygen demand after n days (BODn) – Part 2: Method for undiluted samples), EN 1899-1:1998 (Determination of biochemical oxygen demand after n days (BODn) – Part 1: Dilution and seeding method with allylthiourea addition).

• Standard Method 5210B (Determination of Biochemical Oxygen Demand (BOD5)): sviluppato dall’American Public Health Association (APHA), è ampiamente utilizzato negli Stati Uniti. In questo metodo, l’acqua viene inoculata con batteri e mantenuta a una temperatura di 20 °C per cinque giorni. Durante questo periodo, viene misurata la quantità di ossigeno consumata.

• DIN 38409-51 (Determination of biochemical oxygen demand after days, BOD, using dilution method): sviluppato dall’Ente tedesco di normazione (DIN) ed è utilizzato in Germania. In questo metodo, l’acqua viene inoculata con batteri e mantenuta a una temperatura di 20 °C per n giorni. Durante questo periodo, viene misurata la quantità di ossigeno consumata.

In sintesi, tutti questi metodi prevedono l’inoculazione dell’acqua con batteri e la misurazione della quantità di ossigeno consumata durante un periodo di cinque giorni. La differenza principale tra essi è l’organizzazione che li ha sviluppati e il loro uso prevalente in diverse regioni del mondo.

Il BOD rappresenta la concentrazione di ossigeno necessaria ai microrganismi aerobici per biodegradare la sostanza organica biodegradabile presente nel campione in esame, ed è espresso in mg/l di O2. Questo parametro fornisce una misura indiretta della quantità di sostanza organica biodegradabile presente nel campione: la biodegradazione è l’insieme delle trasformazioni biochimiche di tipo demolitivo di molecole organiche, mediate da microrganismi aerobici o anaerobici.

La misura del BOD dipende da tre aspetti fondamentali: la quantità di ossigeno, i microrganismi aerobici e la sostanza organica biodegradabile. La sostanza organica biodegradabile, oltre ad essere una variabile fondamentale, è anche l’oggetto dell’analisi: maggiore è la sua quantità, maggiore sarà il quantitativo di ossigeno richiesto dai microrganismi aerobici per assimilarla e degradarla.

Tuttavia, se il campione non contiene una quantità sufficiente di flora batterica in grado di biodegradare la sostanza organica, non è possibile effettuare una misura di BOD. In questo caso, è necessario introdurre nel campione ulteriori microrganismi (inoculo) per aumentare la quantità di sostanza organica biodegradabile. La presenza di una maggiore o minore quantità di microrganismi, o di specie diverse, non deve influenzare l’esito della misura, altrimenti la misura non sarebbe corretta.Inizio modulo

L’analisi del BOD dipende da altri tre fattori fondamentali: il tempo, la temperatura e la radiazione luminosa, oltre alle variabili già menzionate. Il consumo di ossigeno da parte dei microrganismi per degradare la sostanza organica biodegradabile dipende infatti dal tempo concesso per il processo di biodegradazione. Un tempo maggiore significa una maggiore quantità di sostanza organica degradata e una maggiore quantità di ossigeno consumata dai microrganismi. La domanda biochimica di ossigeno a 5 giorni (BOD5) rappresenta il consumo di ossigeno dopo 5 giorni e fornisce un valore caratteristico del BOD. Per ottenere una misura indiretta di tutta la sostanza organica presente nel campione, teoricamente si dovrebbe concedere un tempo infinito ai microrganismi per completare il processo di degradazione. Il BOD ultimo (BOD_u) rappresenta il quantitativo di ossigeno richiesto per ossidare l’intera frazione organica.

BOD_u = BOD_residuo + BOD_consumato

Il consumo di ossigeno, rappresentato dal BOD, segue una curva caratteristica nel tempo, che è la curva di Thierault (vedi figura 1). Tale curva è composta da due stadi successivi:

• 1° stadio, in cui il consumo di ossigeno è generato dall’ossidazione biologica della frazione carboniosa della sostanza organica;
• 2° stadio, in cui il consumo di ossigeno è generato dall’ossidazione della frazione azotata della sostanza organica (nitrificazione).

La curva di Thierault, rappresentata in figura 1, mostra la caratteristica gobba che indica il passaggio dalla fase di ossidazione biologica della frazione carboniosa della sostanza organica alla fase di nitrificazione della frazione azotata. Questo passaggio avviene dopo almeno 5 giorni, il che rende il BOD5 una misura importante per le acque reflue civili e i corsi d’acqua debolmente inquinati. Il BOD misurato entro il tempo t₁ < 5d rappresenta solo l’ossidazione della frazione carboniosa, mentre dopo i primi cinque giorni il fenomeno della nitrificazione inizia ad avere un ruolo.

Il BOD totale è dato dalla somma del BOD carbonioso e del BOD azotato.

La temperatura influenza il tasso di sviluppo del BOD, essendo più rapido a temperature elevate. L’attività dei microrganismi, difatti, aumenta con l’aumento della temperatura entro certi limiti, portando ad un aumento della velocità di consumo della sostanza organica presente nel campione e richiedendo maggiori quantità di ossigeno in tempi minori. Il BOD ultimo non dipende dalla temperatura, in quanto rappresenta una misura indiretta di tutta la sostanza organica biodegradabile presente nel campione. La determinazione del BOD si esegue al buio per evitare l’influenza delle radiazioni luminose sui processi biologici. Convenzionalmente, la misura del BOD si esegue alla temperatura di 20°C.

Lo sviluppo del BOD carbonioso ha un andamento abbastanza regolare (vedi figura 2) che può essere espresso, in termini analitici, attraverso una cinetica del 1° ordine:

dove k = costante della cinetica di 1° ordine del BOD carbonioso alla temperatura di 20 °C, tipicamente espressa in d ^–1.

Il BOD5 viene determinato direttamente misurando la quantità di ossigeno disciolto presente nel campione prima e dopo l’incubazione di cinque giorni, alla temperatura di 20 °C e al buio. La differenza tra queste due misurazioni corrisponde al valore del BOD5 del campione, espressa in mg/l di ossigeno.

Procedura di determinazione del BOD per diluizione:

• Il campione diluito utilizzato per determinare il BOD deve avere un pH compreso tra 6,5 e 7,5. Per i campioni sconosciuti, controllare il pH e, se necessario, neutralizzare i campioni con acido solforico 1N o idrossido di sodio 1N. Non diluire il campione con l’acido o la base oltre lo 0,5% (1,5 ml in una bottiglia per BOD da 300 ml)
• Testare l’effluente finale per il cloro residuo. La declorazione è necessaria se è presente un residuo di cloro prima del test.
• La saturazione in ossigeno dell’acqua a 20 °C e a pressione normale è di 8,8 mg/l di ossigeno. Campioni supersaturi di ossigeno disciolto, oltre 8,8 mg/l a 20°C, hanno spesso un’alta concentrazione di organismi nitrificanti che può portare ad interferenze nei risultati del BOD. In tal caso, è possibile aggiungere degli inibitori della nitrificazione, secondo la procedura appropriata.
• I campioni di rifiuti industriali non trattati, rifiuti disinfettati (effluenti finali), rifiuti ad alta temperatura o rifiuti con valori di pH estremi potrebbero non contenere abbastanza microrganismi per ossidare la materia biodegradabile nei campioni. Tali rifiuti vanno inoculati seguendo la procedura appropriata.
• Stimare il BOD del campione e selezionare le diluizioni adatte dalle seguenti tabelle:

• Utilizzando una pipetta volumetrica – per campioni inferiori a 50 ml – o un cilindro graduato per volumi di campione maggiori, misurare la giusta quantità di campione ben miscelato in bottiglie da 300 ml
• L’acqua di diluizione può essere preparata immediatamente prima dell’uso, oppure, fatta eccezione per l’aggiunta del tampone fosfato, giorni o settimane prima del tempo. Aggiungere 1 ml a ciascuna soluzione nutritiva per litro di acqua di diluizione. Il tampone fosfato è il nutriente fondamentale per stimolare le crescite di contaminanti, quindi deve essere aggiunto il giorno in cui l’acqua deve essere utilizzata. L’acqua distillata deve essere lasciata equilibrare nell’incubatore o con aria esterna per almeno 24 ore a 20°C prima dell’uso. Bisogna fare attenzione a garantire che l’acqua di diluizione sia satura di ossigeno. La tecnica migliore consiste nell’utilizzare aria compressa che viene fatta passare attraverso un filtro per impedire l’introduzione di contaminanti.
• Ciascuna bottiglia di BOD viene riempita aggiungendo lentamente acqua di diluizione sufficiente in modo che il tappo possa essere inserito senza lasciare bolle d’aria ma non così tanto da traboccare.
• Riempire completamente due bottiglie con acqua di diluizione da incubare come bianchi.
• Etichettare attentamente ogni bottiglia in base al campione e al volume utilizzato.
• Determinare il DO dei due bianchi dell’acqua di diluizione e di tutte le bottiglie dei campioni e registrarli sulla scheda tecnica come DO iniziale.
• Collocare i campioni ei 2 bianchi di acqua di diluizione in un incubatore a 20 ± 1°C per 5 giorni.
• Dopo 5 giorni, determinare il DO dei due bianchi di acqua di diluizione e dei campioni.

Le soluzioni automatiche MANTECH

MANTECH ha sviluppato una varietà di sistemi che hanno automatizzato l’analisi del BOD a 5 e 7 giorni, e ha rilasciato il sistema FAST BOD (stima del BOD in 10 minuti tramite PeCOD che permette di stimare rapidamente il BOD dei campioni in ingresso e fare valutazioni nell’immediato), consentendo di aumentare notevolmente l’efficienza e la capacità di produzione di un laboratorio.

L’analizzatore BOD Pro di MANTECH automatizza la preparazione e l’analisi di set di campioni utilizzando:

• autocampionatori AM400 multiposizione (capacità bottiglia BOD da 18, 36, 54, 72 e 90 posizioni x 300 ml),
• pompe per la diluizione automatizzata o per l’aggiunta di inoculi o inibitori

Tutti i componenti hardware sono dotati di connettività IoT e stabiliscono la comunicazione con il software prima e durante l’intera corsa, semplificando l’analisi e riducendo la manutenzione.

L’operatore inserisce le bottiglie nell’autocampionatore e il sistema BOD automatizzato prepara ogni campione ed esegue le letture iniziali, come previsto dai metodi standard. Al termine dell’analisi, l’operatore ripone le bottiglie nell’incubatrice. La lettura finale viene effettuata dopo cinque/sette giorni di incubazione. Per i sistemi BOD Pro è estremamente vantaggioso mantenere le bottiglie in posizione sui rack e posizionare i rack pieni nell’incubatrice, per risparmiare tempo e fatica per gli operatori.

L’analizzatore BOD Pro è gestito dal software BOD Pro, che registra e archivia le misurazioni DO, tiene traccia dei periodi di incubazione, esegue calcoli, gestisce i dati tramite LIMS.

MANTECH Duo system

È possibile personalizzare i sistemi MANTECH combinando l’analisi BOD con i sistemi di titolazione automatica multi-parametrici della serie MT, in base alle proprie esigenze. Il sistema utilizza gli stessi campionatori e basta sostituire il porta sonda e posizionare il nuovo rack nello stesso porta-tray. Molti componenti hardware dei sistemi BOD e della serie MT sono identici; pertanto, sia le pompe peristaltiche per l’aggiunta di reagenti che la preparazione dei campioni sono gestiti in modo simile, semplificando anche la manutenzione preventiva. Il software ha un’interfaccia utente simile e può essere eseguito sullo stesso computer, semplificando la formazione degli analisti. La combinazione della titolazione e dell’analisi BOD in un unico sistema offre l’opportunità di lavorare con un unico sistema per più parametri, con un unico software e con un ingombro ridotto.