Biodegradabilitate metoda zahn-wellens

BIODEGRADABILITATE METODA ZAHN-WELLENS

1. METODA

1.1 Introducere

Scopul metodei este evaluarea potentialului de biodegradabilitate al substantelor organice solubile in apa, nevolatile cand se expun la concentratii mari de microorganisme intr-un test static.

Poate avea loc adsorbtia fizico-chimica pe materiile in suspensie si acest lucru trebuie luat in considerare la interpretarea rezultatelor (vezi 3.2.).

Substantele ce trebuie studiate se folosesc in concentratii corespunzand valorilor COD in domeniul 50-400 mg/l, sau valorilor CCO in domeniul 100-1000 mg/l (COD = carbon organic dizolvat; CCO = consum chimic de oxigen). Aceste concentratii relativ mari au avantajul unei sigurante analitice. Compusii cu proprietati toxice pot intarzia sau inhiba procesul de degradare.

In aceasta metoda se foloseste masurarea concentratiei de carbon organic dizolvat sau a consumului chimic de oxigen pentru a evalua biodegradabilitatea ultima a substantei de testat.

Utilizarea simultana a unei metode analitice specifice poate permite evaluarea biodegradabilitatii ultime a substantei (disparitia structurii chimice de baza).

Metoda este aplicabila numai pentru acele substante de testat organice care la concentratia folosita in test:

sunt solubile in apa in conditiile de testare;

au presiune de vapori neglijabila in conditiile de testare;

nu sunt inhibitoare pentru bacterii;

sunt adsorbite in sistemul de testare numai in cantitate limitata;.

nu se pierd prin spumare din solutia de testat.

Informatiile despre proportiile relative ale principalelor componente ale compusului de testat vor fi utilizate la interpretarea rezultatelor obtinute, in special in cazurile in care rezultatele sunt scazute sau marginale.

Informatiile despre actiunea toxica a substantei de testat asupra microorganismelor din inocul sunt utilizate pentru interpretarea rezultatelor scazute si pentru selectia concentratiilor de testat adecvate.

1.2. Definitii si unitati

Gradul de degradare atins la sfarsitul testului este raportat ca "Biodegradabilitate in testul Zahn-Wellens":

(C_T -C_B)

Dt = 1 - x 100

(C_A -C_BA)

Unde:

D_t = gradul de biodegradare exprimat in % la momentul T,

C_A = valori COD sau (CCO) in amestecul de testare, masurate la trei ore dupa inceperea testului (mg/l ) (COD = carbon organic dizolvat, CCO = consum chimic de oxigen),

C_T = valori COD sau CCO in amestecul de testare la momentul prelevarii probelor (mg/l),

C_B = valori COD sau CCO ale probei martor la momentul prelevarii probelor (mg/l),

C_BA = valorile COD sau CCO ale probei martor, masurate la trei ore dupa inceperea testului (mg/l).

Gradul de degradare este rotunjit la cel mai apropiat procent intreg.

Procentul de degradare este mentionat ca procentul de indepartare a COD (sau CCO) din substanta de testat.

Diferenta intre valoarea masurata dupa trei ore si valoarea calculata sau de preferinta cea masurata initial poate da informatii utile despre eliminarea substantei (a se vedea 3.2. Interpretarea Rezultatelor).

Substante de referinta

In unele cazuri, cand se investigheaza substante noi, substantele de referinta pot fi utile; totusi, nu se pot recomanda inca substante de referinta specifice.

Principiul metodei de testare

Namolul activ, nutrientii minerali si compusul de testat - ca singura sursa de carbon in solutia apoasa - se introduc impreuna intr-un vas de sticla de 1-4 litri, echipat cu un agitator si un aerator. Amestecul este agitat si aerat la 20-25˚C, in conditii de iluminare difuza sau intr-o camera intunecata, timp de 28 zile. Procesul de degradare este monitorizat prin determinarea valorilor COD (sau CCO) in solutie filtrata, zilnic sau la alte intervale de timp regulate. Proportia de COD (sau CCO) eliminat dupa fiecare interval si la trei ore dupa inceperea testului, este exprimata ca procent de biodegradare si serveste ca masura a gradului de degradare in acel moment. Rezultatul este reprezentat grafic in functie de timp, pentru a obtine curba de biodegradare.

Cand se foloseste o metoda analitica specifica, se pot masura schimbarile in concentratia moleculei primare datorate biodegradarii (biodegradabilitate primara).

Criterii de calitate

Reproductibilitatea acestui test s-a dovedit a fi satisfacatoare in testul repetitiv.

Sensibilitatea metodei este determinata, in mare parte, prin variabilitatea probei martor si intr-o masura mai mica, prin precizia determinarii carbonului organic dizolvat si nivelul compusului de testat in solutie.

1.6.Descrierea procedurii de testare

1.6.1.Pregatiri

1.6.1.1.Reactivi

Apa de testare: apa potabila cu continut de carbon organic < 5 mg/l. Concentratia de ioni de magneziu si calciu, luate impreuna, nu trebuie sa depaseasca 2,7 mmol/litru, altfel este necesara o diluare adecvata cu apa deionizata sau distilata.

Acid sulfuric, reactiv analitic    (RA) 50 g/l.

Solutie    de hidroxid de sodiu (RA) 40 g/l.

Solutie de nutrienti minerali: dizolvati intr-un litru de apa deionizata:

Clorura de amoniu, NH₄Cl (RA) 38,5 g,

Dihidrogenofosfat de sodiu, NaH₂PO₄ . 2H₂O (RA) 33,4 g,

Dihidrogenofosfat de potasiu, KH₂PO₄    (RA) 8,5 g,

Monohidrogenofosfat dipotasic K₂HPO₄ (RA) 21,75 g.

Amestecul serveste atat ca nutrient, cat si ca sistem tampon.

1.6.1.2. Aparatura

Vase de sticla cu un volum de 1-4 litri (de exemplu, vase cilindrice);

Sistem de agitare cu agitator din sticla sau metal pe un ax adecvat (agitatorul trebuie sa se roteasca la aproximativ 5-10 cm deasupra bazei vasului). Se poate folosi, in schimb, si un agitator magnetic cu bara lunga de 7-10 cm;

Tub de sticla cu diametrul interior de 2-4 mm, folosit pentru a introduce aer. Deschiderea tubului trebuie sa fie de aproximativ 1 cm peste baza recipientului;

Centrifuga (aproximativ 3550 g);

pH-metru;

Oxigenometru;

Aparat de filtrare cu membrana;

Membrane filtrante, cu dimensiunea porilor de 0,45μm. Membranele filtrante sunt potrivite daca nu elimina carbon si nici nu adsorb substanta in faza de filtrare;

Echipament analitic pentru determinarea continutului de carbon organic si consumului chimic de oxigen.

1.6.1.3. Pregatirea inoculului

Namolul activ, provenit dintr-o instalatie de tratare biologica, este spalat prin centrifugare (repetata) sau decantare in apa de testare (ca mai sus).

Namolul activ trebuie sa fie in stare adecvata. Un astfel de namol poate fi prelevat de la o instalatie de tratare a apei uzate care functioneaza corect. Pentru a obtine specii sau grupe bacteriene pe cat posibil diferite, este preferabila amestecarea de inocul provenit din diferite surse (de exemplu, diferite instalatii de tratare, extracte de sol, apa de suprafata, etc). Amestecul trebuie tratat dupa descrierea de mai sus.

Pentru verificarea activitatii namolului activ vezi "Control functional" de mai jos.

1.6.1.4. Pregatirea solutiilor de testare

In vasul de testare se adauga:

500 ml apa de testare;

2,5 ml/l solutie nutritiva minerala

namol activ intr-o cantitate care sa corespunda cu 0,2 pana la 1,0 g/l substanta uscata in amestecul final;

se adauga suficienta solutie stoc a substantei de testat, pentru a rezulta in amestecul final o concentratie COD de 50-400 mg/l. Valorile CCO corespunzatoare sunt de 100-1000 mg/l;

se adauga apa de testare pana la un volum total de 1-4 litri. Volumul total ce trebuie selectat depinde de numarul de probe ce trebuie prelevate pentru determinarile COD sau CCO si de volumele necesare pentru metoda analitica. In mod normal, un volum de 2 litri poate fi considerat satisfacator.

Pentru fiecare serie de testare se pune in paralel cel putin un martor; acesta    contine numai namol activ si solutie nutritiva minerala completata cu apa de testare la acelasi volum total ca in vasele de testare.

1.6.2. Efectuarea testului

Vasele de testare sunt agitate cu agitatoare magnetice sau cu elice, in conditii de iluminare difuza, sau intr-o camera intunecata, la 20-25˚C. Aerarea se face cu aer comprimat, filtrat printr-un filtru de bumbac-lana si o sticla de spalare, daca este necesar. Trebuie sa se asigure ca namolul nu se decanteaza si concentratia de oxigen nu scade sub 2 mg/l.

Valoarea pH-ului trebuie verificata la intervale regulate (de exemplu, zilnic) si ajustata la 7-8, daca e necesar.

Pierderile prin evaporare sunt completate chiar inaintea prelevarii fiecarei probe, cu apa deionizata sau distilata in cantitatile necesare. O procedura buna este de a marca nivelul lichidului in vasul de testare inainte de inceperea testului. Noi marcaje se fac dupa fiecare prelevare de probe (fara aerare si amestecare). Primele probe se preleveaza intotdeauna la 3 ore de la inceperea testului, pentru a detecta adsorbtia compusului de testat pe namolul activ.

Eliminarea compusului de testat este urmata de determinari COD sau CCO facute zilnic sau la alte intervale regulate. Probele din vasul de testare si proba martor sunt filtrate printr-o hartie de filtru spalata atent. Primii 5 ml de solutie de testat filtrata sunt indepartati. Namolurile greu de filtrat se pot inlatura anterior prin centrifugare timp de 10 minute. Determinarile COD si CCO se fac cel putin de 2 ori. Testul dureaza 28 de zile .

Nota: Probele care raman tulburi sunt filtrare prin membrana filtranta. Membrana filtranta nu trebuie sa elimine sau sa adsoarba nici o substanta organica.

Controlul functional al namolului activ

Un vas ce contine o substanta cunoscuta trebuie sa functioneze in paralel cu fiecare serie de testare pentru a verifica capacitatea functionala a namolului activ. S-a observat ca dietilenglicolul este util in acest scop.

Adaptare

Daca analizele se fac la intervale relativ scurte (de exemplu, zilnic) adaptarea poate fi recunoscuta clar din curba de degradare (vezi figura 2).    De aceea testul nu trebuie sa inceapa imediat inainte de weekend.

Daca adaptarea are lor la sfarsitul perioadei, testul poate fi prelungit pana cand degradarea s-a terminat.

Nota: Daca e nevoie de cunostinte mai ample despre comportarea namolului activ, acelasi namol activ este expus din nou la acelasi compus de testat in concordanta cu urmatoarea procedura:

Se conecteaza agitatorul si aeratorul si se lasa namolul activ sa decanteze.Se elimina supernatantul, se aduce la 2 litri cu apa de testare, se agita 15 minute si se lasa sa decanteze din nou. Dupa ce se elimina din nou supenatantul, se foloseste namolul ramas pentru a repeta testul cu acelasi compus in concordanta cu 1.6.1.4. si 1.6.2. Namolul activ poate fi izolat si prin centrifugare in loc de decantare.

Namolul adaptat poate fi amestecat cu namol proaspat intr-o concentratie de 0,2 la 1 g substanta uscata pe litru.

Mijloace analitice

In mod normal probele sunt filtrate printr-o hartie de filtru spalata atent (pentru spalare se foloseste apa deionizata).

Probele care raman tulburi sunt filtrate prin filtre cu membrana (0,45μm).

Concentratia COD se determina de doua ori pe probele filtrate (primii 5 ml sunt inlaturati) cu ajutorul instrumentului TOC. Daca filtratul nu poate fi analizat in aceeasi zi, acesta trebuie pastrat in frigider pana a doua zi. Nu se recomanda o depozitarea mai indelungata.

Concentratia CCO este determinata in proba filtrata cu metoda analitica CCO initiata de procedura descrisa la referinta (2) de mai jos.

2. DATE SI EVALUARE

Concentratiile COD si/sau CCO se determina cel putin de doua ori pe probe conform 1.6.2.

Degradarea la momentul T se calculeaza conform formulei (cu definitii) date la punctul 1.2.

Gradul de degradare este rotunjit la procentul intreg cel mai apropiat. Gradul de degradare atins la sfarsitul testului este raportat ca 'Testul de biodegradabilitate Zahn Wellens'.

Nota: daca se atinge o degradare completa inainte de a se incheia timpul de testare si acest rezultat este confirmat de a doua analiza din ziua urmatoare, testul trebuie incheiat.

3. Raportare

3.1. Raport de testare

Daca se poate, raportul de testare trebuie sa contina urmatoarele:

concentratia initiala a substantei

toate celelalte informatii si rezultatele experimentale privind substanta testata, substanta de referinta daca se foloseste si proba martor,

concentratia dupa 3 ore,

curba de biodegradare cu descriere,

data si locul de unde s-a prelevat namolul activ, stadiul de adaptare,concentratia folosita,etc.

motivele stiintifice pentru orice modificari ale procedurii de testare

3.2. Interpretarea rezultatelor

Indepartarea    COD (CCO) care are loc gradat dupa zile sau saptamani indica faptul ca substanta de testat se biodegradeaza.

Totusi, in unele cazuri adsorbtia fizico-chimica poate sa joace un rol si acest lucru este indicat cand exista o eliminare completa sau partiala de la inceput in primele 3 ore si diferenta intre control si supernatantul de testat ramane la un nivel neasteptat de scazut.

Sunt necesare teste suplimentare daca trebuie sa se faca o distinctie intre biodegradare (sau biodegradare partiala) si adsorbtie.

Acest lucru se poate face in mai multe moduri, dar cel mai convingator este utilizarea supernatantului sau namolului ca agent de inoculare in testul de baza (de preferinta test respirometric).

Substantele de testat care duc la o eliminare avansata neadsorbtiva a COD (CCO) in acest test, trebuie considerate ca potential biodegradabile. Partial, eliminarea neadsorbtiva arata ca substanta chimica este supusa cel putin unei biodegradari. Indepartari reduse sau nule ale COD (CCO) se pot datora inhibarii microorganismelor de catre substanta de testat si acest lucru este relevat de liza si pierderea de namol din care rezulta supernatanti tulburi. Testul trebuie repetat folosind o concentratie mai scazuta a substantei de testat.

Folosirea metodei analitice specifice cu compus sau cu substanta de testat marcata ¹⁴C, poate permite o sensibilitate mai mare. In cazul compusului de testat ¹⁴C, recuperarea ¹⁴CO₂, va confirma ca biodegradarea a avut loc.

Cand rezultatele sunt exprimate ca biodegradare primara, trebuie sa se dea o explicatie despre schimbarea structurii chimice care duce la lipsa de raspuns a substantei de testat initiala.

Validarea metodei analitice trebuie data impreuna cu raspunsul descoperit in mediul martor.

4. BIBLIOGRAFIE

OECD, Paris, 1981, Test Guideline 302 B, Decizion of the Council (81) 30 final.

C.6.    Degradation: Chemical Oxygen Demand.

Anexa

EXEMPLU DE EVALUARE

FIGURA 1

Exemple de curbe de biodegrabilitate

	Degradare

Substante: Peptone Amine alifatice Glicoleter

Timp(zile)

Figura 2

Exemple de adaptare a namolului

	Degradare
						Substante: polivinilalcool adaptare neadaptare
										Timp (zile)
		faza de adaptare			faza de degradare			final