46. Cos'è l'ossigeno disciolto?
L'ossigeno disciolto (DO, Dissolved Oxygen in italiano) rappresenta la quantità di ossigeno molecolare disciolto nell'acqua e la sua unità di misura è mg/L. Il contenuto di ossigeno disciolto nell'acqua, a saturazione, è correlato alla temperatura dell'acqua, alla pressione atmosferica e alla composizione chimica dell'acqua. A una pressione atmosferica, il contenuto di ossigeno disciolto nell'acqua distillata a 0 °C è di 14,62 mg/L, mentre a 20 °C è di 9,17 mg/L. Un aumento della temperatura dell'acqua, un aumento del contenuto di sale o una diminuzione della pressione atmosferica provocano una diminuzione del contenuto di ossigeno disciolto nell'acqua.
L'ossigeno disciolto è una sostanza essenziale per la sopravvivenza e la riproduzione dei pesci e dei batteri aerobici. Se la concentrazione di ossigeno disciolto è inferiore a 4 mg/L, la sopravvivenza dei pesci risulterà difficoltosa. Quando l'acqua è contaminata da materia organica, l'ossidazione di quest'ultima da parte dei microrganismi aerobici consuma l'ossigeno disciolto. Se questo non viene reintegrato tempestivamente dall'aria, la concentrazione di ossigeno disciolto nell'acqua diminuirà gradualmente fino a raggiungere valori prossimi allo zero, favorendo la proliferazione di microrganismi anaerobici che renderanno l'acqua nera e maleodorante.
47. Quali sono i metodi comunemente utilizzati per misurare l'ossigeno disciolto?
Esistono due metodi comunemente utilizzati per la misurazione dell'ossigeno disciolto: il metodo iodometrico e il relativo metodo di correzione (GB 7489–87) e il metodo con sonda elettrochimica (GB11913–89). Il metodo iodometrico è adatto per la misurazione di campioni d'acqua con una concentrazione di ossigeno disciolto superiore a 0,2 mg/L. Generalmente, il metodo iodometrico è adatto solo per la misurazione dell'ossigeno disciolto in acqua pulita. Quando si misura l'ossigeno disciolto nelle acque reflue industriali o nelle varie fasi di processo degli impianti di depurazione, è necessario utilizzare il metodo quantitativo o il metodo elettrochimico. Il limite inferiore di determinazione del metodo con sonda elettrochimica è correlato allo strumento utilizzato. Esistono principalmente due tipi: il metodo con elettrodo a membrana e il metodo con elettrodo senza membrana. Entrambi sono generalmente adatti per la misurazione di campioni d'acqua con una concentrazione di ossigeno disciolto superiore a 0,1 mg/L. Il misuratore di ossigeno disciolto in linea installato e utilizzato nei serbatoi di aerazione e in altri punti degli impianti di depurazione utilizza il metodo con elettrodo a membrana o il metodo con elettrodo senza membrana.
Il principio di base del metodo iodometrico consiste nell'aggiungere solfato di manganese e ioduro di potassio alcalino al campione d'acqua. L'ossigeno disciolto nell'acqua ossida il manganese a bassa valenza trasformandolo in manganese ad alta valenza, generando un precipitato marrone di idrossido di manganese tetravalente. Dopo l'aggiunta di acido, il precipitato marrone si dissolve e reagisce con gli ioni ioduro per generare iodio libero. Successivamente, utilizzando l'amido come indicatore, lo iodio libero viene titolato con tiosolfato di sodio per calcolare il contenuto di ossigeno disciolto.
Quando il campione d'acqua è colorato o contiene sostanze organiche che possono reagire con lo iodio, non è opportuno utilizzare il metodo iodometrico e il relativo metodo di correzione per misurare l'ossigeno disciolto nell'acqua. In questi casi, si può utilizzare un elettrodo a film sensibile all'ossigeno o un elettrodo senza membrana. L'elettrodo sensibile all'ossigeno è costituito da due elettrodi metallici a contatto con l'elettrolita di supporto e una membrana selettivamente permeabile. La membrana può far passare solo ossigeno e altri gas, ma non acqua e sostanze solubili in essa. L'ossigeno che attraversa la membrana viene ridotto sull'elettrodo. Si genera una debole corrente di diffusione, la cui intensità è proporzionale al contenuto di ossigeno disciolto a una determinata temperatura. L'elettrodo senza film è composto da un catodo in lega d'argento speciale e un anodo di ferro (o zinco). Non utilizza un film né un elettrolita e non viene applicata alcuna tensione di polarizzazione tra i due poli. Comunica solo con i due poli attraverso la soluzione acquosa misurata per formare una batteria primaria, e le molecole di ossigeno nell'acqua vengono ridotte. La riduzione viene eseguita direttamente sul catodo e la corrente di riduzione generata è proporzionale al contenuto di ossigeno nella soluzione misurata.
48. Perché l'indicatore di ossigeno disciolto è uno degli indicatori chiave per il normale funzionamento dell'impianto di trattamento biologico delle acque reflue?
Mantenere un certo livello di ossigeno disciolto nell'acqua è la condizione fondamentale per la sopravvivenza e la riproduzione degli organismi acquatici aerobici. Pertanto, l'indicatore di ossigeno disciolto è uno degli indicatori chiave per il corretto funzionamento dell'impianto di depurazione biologica delle acque reflue.
Il dispositivo di trattamento biologico aerobico richiede che l'ossigeno disciolto nell'acqua sia superiore a 2 mg/L, mentre il dispositivo di trattamento biologico anaerobico richiede che l'ossigeno disciolto sia inferiore a 0,5 mg/L. Se si desidera entrare nella fase ideale di metanogenesi, è meglio non avere ossigeno disciolto rilevabile (per 0), e quando la sezione A del processo A/O è in uno stato anossico, l'ossigeno disciolto è preferibilmente 0,5~1 mg/L. Quando l'effluente dal serbatoio di sedimentazione secondaria del metodo biologico aerobico è qualificato, il suo contenuto di ossigeno disciolto non è generalmente inferiore a 1 mg/L. Se è troppo basso (<0,5 mg/L) o troppo alto (metodo di aerazione dell'aria >2 mg/L), causerà lo scarico di acque reflue. La qualità dell'acqua si deteriora o addirittura supera gli standard. Pertanto, è necessario prestare la massima attenzione al monitoraggio del contenuto di ossigeno disciolto all'interno del dispositivo di trattamento biologico e nell'effluente del suo serbatoio di sedimentazione.
La titolazione iodometrica non è adatta per le analisi in loco, né può essere utilizzata per il monitoraggio continuo o la determinazione in loco dell'ossigeno disciolto. Nel monitoraggio continuo dell'ossigeno disciolto negli impianti di depurazione, si utilizza il metodo elettrochimico a membrana. Per rilevare in tempo reale le variazioni di ossigeno disciolto nel liquido misto presente nel serbatoio di aerazione durante il processo di depurazione, si utilizza generalmente un misuratore di ossigeno disciolto con sonda elettrochimica in linea. Il misuratore di ossigeno disciolto è inoltre un componente fondamentale del sistema automatico di controllo e regolazione dell'ossigeno disciolto nel serbatoio di aerazione, poiché riveste un ruolo cruciale per il corretto funzionamento del sistema. Costituisce inoltre una base importante per gli operatori di processo per regolare e controllare il normale funzionamento dell'impianto di depurazione biologica.
49. Quali sono le precauzioni da adottare per la misurazione dell'ossigeno disciolto mediante titolazione iodometrica?
È necessario prestare particolare attenzione durante il prelievo di campioni d'acqua per la misurazione dell'ossigeno disciolto. I campioni d'acqua non devono rimanere a lungo a contatto con l'aria e non devono essere agitati. Quando si preleva il campione dal serbatoio di raccolta dell'acqua, utilizzare una bottiglia per la misurazione dell'ossigeno disciolto da 300 ml con collo stretto e misurare e registrare contemporaneamente la temperatura dell'acqua. Inoltre, quando si utilizza la titolazione iodometrica, oltre a selezionare un metodo specifico per eliminare le interferenze dopo il prelievo, è necessario ridurre al minimo i tempi di conservazione ed è preferibile analizzare i campioni immediatamente.
Grazie ai progressi tecnologici e alle migliori apparecchiature, nonché all'ausilio di strumenti specifici, la titolazione iodometrica rimane il metodo di titolazione più preciso e affidabile per l'analisi dell'ossigeno disciolto. Al fine di eliminare l'influenza di diverse sostanze interferenti presenti nei campioni d'acqua, esistono vari metodi specifici per la correzione della titolazione iodometrica.
Ossidi, riducenti, materia organica, ecc. presenti nei campioni d'acqua interferiscono con la titolazione iodometrica. Alcuni ossidanti possono dissociare lo ioduro in iodio (interferenza positiva), e alcuni agenti riducenti possono ridurre lo iodio a ioduro (interferenza negativa). Quando il precipitato di manganese ossidato viene acidificato, la maggior parte della materia organica può essere parzialmente ossidata, producendo errori negativi. Il metodo di correzione con azide può eliminare efficacemente l'interferenza del nitrito, e quando il campione d'acqua contiene ferro a bassa valenza, si può utilizzare il metodo di correzione con permanganato di potassio per eliminare l'interferenza. Quando il campione d'acqua contiene colore, alghe e solidi sospesi, si dovrebbe utilizzare il metodo di correzione con flocculazione all'allume, e il metodo di correzione con flocculazione solfato di rame-acido solfammico viene utilizzato per determinare l'ossigeno disciolto nella miscela di fanghi attivi.
50. Quali sono le precauzioni da adottare per misurare l'ossigeno disciolto utilizzando il metodo dell'elettrodo a film sottile?
L'elettrodo a membrana è costituito da un catodo, un anodo, un elettrolita e una membrana. La cavità dell'elettrodo è riempita con una soluzione di KCl. La membrana separa l'elettrolita dal campione d'acqua da analizzare, e l'ossigeno disciolto penetra e diffonde attraverso la membrana. Dopo l'applicazione di una tensione di polarizzazione fissa in corrente continua compresa tra 0,5 e 1,0 V tra i due poli, l'ossigeno disciolto nell'acqua analizzata attraversa la membrana e viene ridotto al catodo, generando una corrente di diffusione proporzionale alla concentrazione di ossigeno.
Le pellicole comunemente utilizzate sono quelle in polietilene e fluorocarbonio, che consentono il passaggio delle molecole di ossigeno e presentano proprietà relativamente stabili. Poiché la pellicola può permeare diversi gas, alcuni di essi (come H2S, SO2, CO2, NH3, ecc.) si depositano sull'elettrodo indicatore. La depolarizzazione è difficile da ottenere, il che riduce la sensibilità dell'elettrodo e può causare errori nei risultati di misurazione. Olio e grasso presenti nell'acqua misurata e microrganismi nel serbatoio di aerazione spesso aderiscono alla membrana, compromettendo seriamente la precisione della misurazione; pertanto, sono necessarie pulizie e calibrazioni periodiche.
Pertanto, gli analizzatori di ossigeno disciolto a membrana utilizzati negli impianti di depurazione delle acque reflue devono essere utilizzati in stretta conformità con i metodi di calibrazione del produttore, e sono necessarie pulizie, calibrazioni, rabbocchi dell'elettrolita e sostituzione della membrana dell'elettrodo periodici. Quando si sostituisce la membrana, è necessario procedere con attenzione. Innanzitutto, bisogna evitare la contaminazione di componenti sensibili. In secondo luogo, bisogna fare attenzione a non lasciare piccole bolle d'aria sotto la membrana. In caso contrario, la corrente residua aumenterà e influenzerà i risultati della misurazione. Per garantire dati accurati, il flusso d'acqua nel punto di misurazione dell'elettrodo a membrana deve presentare un certo grado di turbolenza, ovvero la soluzione di prova che attraversa la superficie della membrana deve avere una portata sufficiente.
In generale, per la calibrazione di controllo si possono utilizzare aria o campioni con concentrazione nota di ossigeno disciolto (DO) e campioni privi di DO. Naturalmente, è preferibile utilizzare il campione d'acqua in esame per la calibrazione. Inoltre, è opportuno controllare frequentemente uno o due punti per verificare i dati di correzione della temperatura.
Data di pubblicazione: 14 novembre 2023
