Domanda biochimica di ossigeno

La domanda biochimica di ossigeno BOD, acronimo di Biochemical oxygen demand rappresenta la quantità di ossigeno consumato da batteri e altri microrganismi mentre decompongono la materia organica in condizioni aerobiche a una temperatura specifica.

La determinazione della domanda biochimica di ossigeno consente di quantificare la presenza di una concentrazione sufficiente di ossigeno disciolto che è fondamentale per il mantenimento della vita acquatica e della qualità di corsi d’acqua e laghi.

Alcuni fattori ambientali come l’elevata temperatura e altri fattori dovuti all’uomo come l’introduzione di fertilizzanti in eccesso in un corpo idrico possono ridurre la quantità di ossigeno disciolto pertanto la domanda biochimica di ossigeno viene spesso utilizzata negli impianti di trattamento delle acque reflue come indice del grado di inquinamento organico dell’acqua.

acque di scarico
acque di scarico

Fonti comuni di materiali organici sono quelli derivanti dalla decomposizione di piante, foglie, erba, detriti legnosi, rifiuti animali oltre che da acque reflue provenienti da aree residenziali, impianti di trasformazione alimentare, stabilimenti lattiero-caseari, cartiere e vari tipi di industrie

La domanda biochimica di ossigeno, unitamente alla domanda chimica di ossigeno COD, al carbonio organico totale TOC e all’analisi di oli e grassi O&G, costituisce uno dei test più comuni per determinare l’inquinamento organico nelle acque

Determinazione della domanda biochimica di ossigeno

La procedura del test della domanda biochimica di ossigeno prevede il riempimento di un contenitore ermeticamente chiuso con un campione e il suo posizionamento in un ambiente controllato a una determinata temperatura, generalmente di 20°C, per un periodo di cinque giorni e pertanto il test è indicato come BOD5

Per la sua determinazione si misurano i livelli iniziali (DO1) e finali (DO2) di ossigeno disciolto (DO) nel campione sia prima che dopo il periodo di incubazione di cinque giorni. La formula che si utilizza per la determinazione della domanda biochimica di ossigeno che viene espressa in g/mL è:
BOD = [(DO1) – (DO2)] f/V

Dove V è il volume del campione e f è il fattore di diluizione che è utilizzato nel caso in cui si diluisce il campione ed è dato dal rapporto tra il volume del campione e il volume del campione diluito

Metodica

La determinazione della domanda biochimica di ossigeno dell’acqua prevede una procedura standardizzata che comprende diversi passaggi necessari per evitare di ottenere un risultato poco attendibile.

Neutralizzazione del campione

Per la neutralizzazione del campione per determinare la domanda biochimica di ossigeno si prelevano 50 mL di campione d’acqua che vengono messi in un becker da 100 mL. Si misura il pH con un pHmetro e si regola il pH a un valore di 7.00 ± 0.2.

Si aggiunge acido solforico 0.5 M se il pH è superiore a 7.00 o idrossido di sodio 1 M se il valore è inferiore. Si annota il volume di acido solforico o idrossido di sodio utilizzato per neutralizzare il campione da 50 mL a pH 7.00 e si aggiunge al campione.

Bisogna tener presente che non si può aggiungere acido cloridrico per la neutralizzazione in quanto il cloro può interferire con il risultato del test. Calcolare la quantità di acido solforico o idrossido di sodio necessaria per neutralizzare il campione da 1000 mL. Ad esempio se sono stati necessari 2.5 mL di NaOH per neutralizzare 50 mL di campione, la quantità necessaria per neutralizzare 1000 mL è pari a 2.5 · 1000/50 =50 mL

Allontanamento del cloro

Il cloro è un agente ossidante che può inibire la crescita microbica nel corso del test della domanda biochimica di ossigeno e pertanto va preventivamente rimosso. Per far ciò si preleva un campione di acqua da 50 mL e si aggiungono 2.5 mL di acido acetico diluito al 50% e 2.5 ml di una soluzione di ioduro di potassio al 10 % m/V ottenuta solubilizzando 0.25 g di KI e portando a 2.5 mL con acqua distillata.

salda d'amido
salda d’amido

Si titola con una soluzione di solfito di sodio 0.0125 M ottenuta solubilizzando 1.575 g di Na2SO3 in acqua distillata e portando a volume a 1 L. Si aggiunge 1 mL di salda d’amido preparata di fresco poco prima del punto finale ovvero quando la colorazione giallo-marrone dello iodio è diventata appena visibile. La soluzione si colora di blu.

Si annota il volume della soluzione di tiosolfato e si calcola la quantità da aggiungere al campione da 1000 mL così come fatto nella neutralizzazione del campione. Si aggiunge al campione il volume determinato di soluzione di solfito di sodio per eliminare il cloro.

Preparazione delle soluzioni

Preparazione della soluzione tampone

Per la preparazione della soluzione tampone  solubilizzare  8.5 g di diidrogeno fosfato di potassio KH2PO4, 21.75 g di idrogeno fosfato di potassio K2HPO4, 33.4 g di idrogeno fosfato di potassio eptaidrato Na2HPO4 ·7 H2O e 1.7 g di cloruro di ammonio NH4Cl in 50 mL di acqua distillata e diluire la soluzione a 1 L. Il tampone fosfato, oltre a garantire il pH intorno alla neutralità, è il nutriente fondamentale per stimolare le crescite di contaminanti

Preparazione della soluzione alcalina ioduro-azide

Solubilizzare 500 g di idrossido di sodio e 135 g di ioduro di sodio in acqua distillata e portare a volume a 1 L. Solubilizzare 10 g di sodio azide nella soluzione

Preparazione dell’acqua di diluizione

L’acqua necessaria alla diluizione deve essere satura di ossigeno pertanto si utilizza acqua bidistillata ed è necessario che sia lasciata equilibrare nell’incubatore o con aria esterna per almeno 24 ore a 20°C prima dell’uso utilizzando aria compressa che è fatta passare attraverso un filtro per impedire l’introduzione di contaminanti.

Aggiungere 5 mL di una soluzione di carbonato di calcio al 27.5% m/v , 5 mL di una soluzione di solfato di magnesio al 22.5% m/v e 5 mL di una soluzione di cloruro di ferro (III)  allo 0.15% p/v. Aggiungere infine 5 mL della soluzione tampone fosfato e mescolare accuratamente e lasciare riposare per due ore

Analisi

L’analisi della domanda biochimica di ossigeno prevede di aggiungere 10 mL del campione di acqua a due delle bottiglie Winkler da 300 mL appositamente progettate con una parte superiore conica per aiutare a escludere le bolle e riempire lo spazio rimanente 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.

bottiglia Winkler
bottiglia Winkler

Riempire due delle bottiglie Winkler con acqua di diluizione per il test del bianco e sigillare rapidamente le bottiglie senza bolle d’aria all’interno. Si disporrà così di quattro bottiglie di cui due contengono il campione e due la sola acqua di diluizione per il bianco.

Un campione e un bianco vengono messi a incubare a 20°C per cinque giorni per poi determinarne l’ossigeno disciolto (DO2). In un altro campione e in un bianco si determina l’ossigeno disciolto (DO1).

Il test per l’ossigeno disciolto si basa sulla classica titolazione Winkler dell’ossigeno sviluppata per la prima volta dal chimico analitico ungherese Lajos Winkler nel 1888.  Nella titolazione una soluzione basica contenente manganese (II) viene aggiunta alla bottiglia del campione. In condizioni alcaline l’ossigeno disciolto ossiderà il manganese (II) a manganese (IV).

Questa reazione è veloce e stechiometrica, e ogni mole di ossigeno produce due moli di Mn(IV):
2 Mn2+(aq) + O2(g) + 4 OH(aq) → 2 MnO(OH)2(s)

L’eccesso di Mn(II) e di base vengono aggiunti in modo che l’ossigeno sia il reagente limitante. Si aggiungono pertanto 2 mL di soluzione di solfato di manganese (II) monoidrato al 36.4 % e 2 mL del reagente alcalino-ioduro-azide al campione di acqua e lasciare che le soluzioni reagiscano con l’ossigeno disciolto nel campione.

Una volta che il precipitato si è depositato sul fondo, aggiungere 2 mL di acido solforico e mescolare accuratamente per sciogliere il precipitato. La reazione che avviene è

MnO(OH)2 (s) + 2 I (aq) + 4 H +(aq) → Mn2+ (aq) + I2(aq) + 3 H2O(l)

Trasferire 203 ml del campione BOD in una beuta.

Titolare prontamente con una soluzione di tiosolfato di sodio 0.0125 M utilizzando la salda d’amido fino allo sbiadimento della tonalità blu e annotare la lettura della buretta ed eseguire la stessa procedura per il bianco

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