BOD และ COD MO Memoir : Wednesday 16 December 2552

เมื่อสัปดาห์ที่แล้วมีสมาชิกของกลุ่มที่จบการศึกษาจากกลุ่มไปแล้ว (แต่ก็ยังวนเวียนอยู่แถวนี้ ยังไม่ไปไหน) มาถามเรื่องเกี่ยวกับการกำจัดสารอินทรีย์ที่ละลายอยู่ในน้ำเพื่อที่จะไปเตรียมสอบ เนื่องจากเห็นว่าเรื่องดังกล่าวมีประเด็นที่น่าสนใจอยู่หลายข้อจึงขอนำมาเล่าให้ฟังในบันทึกฉบับนี้ (ไม่รู้ว่าจะช่วยคนที่กำลังจะสอบอยู่เร็ว ๆ นี้หรือเปล่า)

การทำลายสารอินทรีย์ที่ละลายปนเปื้อนอยู่ในน้ำทิ้งนั้นนับว่าเป็นปัญหาสำคัญปัญหาหนึ่งในการบำบัดน้ำเสีย สารอินทรีย์ที่ละลายอยู่ในน้ำทิ้งนั้นแบ่งออกได้เป็น ๒ ประเภทด้วยกันคือ พวกที่แบคทีเรียสามารถย่อยสลายได้ และพวกที่แบคที่เรียไม่สามารถย่อยสลายได้

สารอินทรีย์ประเภทที่แบคทีเรียสามารถย่อยสลายได้นั้นไม่ค่อยเป็นปัญหาเท่าใดนักในการจัดการ เพราะเพียงแค่มีบ่อบำบัดและมีเชื้อแบคทีเรีย และให้เวลาเชื้อมันทำงานสักหน่อย สารอินทรีย์นั้นก็จะหมดไปด้วยการบริโภคของแบคทีเรีย แม้ว่าในน้ำทิ้งจะมีสารอินทรีย์ประเภทนี้อยู่มาก แต่ถ้าให้เวลามันเพียงพอมันก็จัดการได้

ส่วนสารอินทรีย์ประเภทที่แบคที่เรียไม่สามารถย่อยสลายได้นั้นเป็นพวกที่ก่อให้เกิดปัญหามาก เพราะพวกนี้จะตกค้างอยู่ในสิ่งแวดล้อมต่าง ๆ เป็นเวลานาน และสามารถเข้าไปสะสมอยู่ในสิ่งมีชีวิตได้ สารอินทรีย์ประเภทหลังนี้มีปัญหามากในการทำลาย ตัวอย่างสารอินทรีย์ประเภทนี้ได้แก่พวกที่มีโครงสร้างแอโรแมติกต่าง ๆ เช่น ฟีนอล และอัลคิลเบนซีน

ทีนี้เราจะรู้ได้อย่างไรว่าสารอินทรีย์ที่อยู่ในน้ำทิ้งของเรานั้นเป็นสารอินทรีย์ประเภทไหน ในปริมาณเท่าใด

การวัดปริมาณสารอินทรีย์ที่อยู่ในน้ำทิ้งนั้นวัดจากปริมาณออกซิเจนที่ใช้ในการทำลายสารอินทรีย์นั้น ออกซิเจนที่ใช้ในการทำลายสารอินทรีย์นั้นมีอยู่ ๒ ชนิดด้วยกัน คือออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำ (dissolved oxygen หรือ DO) และออกซิเจนจากสารเคมีที่เติมเข้าไป

ปริมาณสารอินทรีย์ที่แบคทีเรียย่อยสลายได้วัดได้จากค่าที่เรียกว่า Biological Oxygen Demand - BOD (หรือบางทีเรียกว่า Biochemical Oxygen Demand) การวัดค่า BOD ทำโดยการนำน้ำตัวอย่างมาผสมกับน้ำบริสุทธิ์ที่มีออกซิเจนละลายอยู่จนอิ่มตัวและเชื้อแบคทีเรีย จากนั้นนำตัวอย่างไปเก็บไว้ในที่มืดที่อุณหภูมิ ๒๐ องศาเซลเซียสเป็นเวลา ๕ วัน (การเก็บในที่มืดก็เพื่อป้องกันการเกิดการสังเคราะห์แสง ซึ่งจะทำให้ปริมาณออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำเพิ่มสูงขึ้น) จากค่าผลต่างระหว่างปริมาณออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำบริสุทธิ์เริ่มต้น (DOinitial) และปริมาณออกซิเจนที่เหลืออยู่ในตัวอย่างหลังเวลาผ่านไป ๕ วัน (DOfinal) และปริมาณตัวอย่างต่อน้ำบริสุทธิ์ที่ใช้ ก็จะสามารถคำนวณปริมาณออกซิเจนที่แบคทีเรียใช้ในการบริโภคสารอินทรีย์ได้ (บางทีก็เรียกค่านี้ว่า BOD5)

จะเห็นว่าการวัดค่า BOD นั้นค่อนข้างยุ่งยากและที่สำคัญคือใช้เวลามาก (ตั้ง ๕ วัน) ทำให้หลายรายไม่ชอบวัดค่า BOD ในน้ำทิ้ง แต่หันไปวัดค่า COD แทน COD ย่อมาจากคำว่า Chemical Oxygen Demand คือปริมาณออกซิเจนที่ต้องใช้ในการทำลายสารอินทรีย์ให้กลายไปเป็น CO2 H2O และ NH3 (ถ้ามีไนโตรเจนอยู่ด้วย) ออกซิเจนที่ใช้ทำลายสารอินทรีย์ดังกล่าวได้มาจากสารเคมีที่เติมเข้าไป เดิมที่นิยมใช้กันคือเปอร์แมงกาเนต (MnO4-) แต่ในปัจจุบันจะใช้ไดโครเมต (Cr2O72-) ในสารละลายที่เป็นกรด
COD นั้นจะเป็นการวัดปริมาณออกซิเจนที่ต้องใช้เพื่อทำลายสารอินทรีย์ทั้งชนิดที่แบคทีเรียย่อยสลายได้และแบคทีเรียย่อยสลายไม่ได้ ดังนั้นจะว่าไปแล้วค่า COD ควรมีค่ามากกว่าค่า BOD ถ้าต้องการทราบปริมาณสารอินทรีย์ที่แบคทีเรียย่อยสลายไม่ได้ก็ต้องวัดทั้งค่า COD และค่า BOD จากนั้นจึงนำค่า BOD มาหักออกจากค่า COD

การลดปริมาณสารอินทรีย์ที่แบคทีเรียย่อยสลายไม่ได้ในน้ำทิ้งนั้นมีปัญหาหลายประการ เช่นการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์จะพบกับปัญหาอุณหภูมิของน้ำทิ้งที่ต่ำและความเข้มข้นของออกซิเจนที่สามารถละลายอยู่ในน้ำได้นั้นต่ำมาก ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานได้ดีกับเฟสแก๊สไม่สามารถทำงานได้ดีกับเฟสของเหลว และยังมีปัญหาเรื่องสิ่งปนเปื้อนต่าง ๆ ในน้ำที่จะไปปิดปกคลุมผิวตัวเร่งปฏิกิริยา (เกิด fouling) จนทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาทำงานไม่ได้

การใช้สารออกซิไดซ์ที่เป็นของเหลวเติมลงไปในน้ำก็เป็นวิธีการหนึ่งในการลดค่า COD (แต่ไม่ได้หมายความว่าไปเพิ่มค่า BOD นะ) แต่สารออกซิไดซ์ที่เติมลงไปก็อาจทำให้เกิดปัญหาอื่นตามมา เช่นพวกที่เป็นสารประกอบของโลหะหนัก (เช่นเปอร์แมงกาเนตหรือไดโครเมต) ก็จะก่อให้เกิดปัญหาโลหะหนักในน้ำทิ้งแทน พวกที่เป็นสารประกอบคลอไรต์ (ตระกูลน้ำยาฟอกสีหรือซักผ้าขาว) ก็จะทำให้เกิดปัญหาน้ำเค็มจากเกลือ NaCl ที่เกิดขึ้น ตัวที่ไม่ก่อให้เกิดปัญหาเพิ่มเติมเห็นจะมีแต่ H2O2 เท่านั้น แต่สารนี้ก็มีราคาแพง

อันที่จริงแล้วเป็นการยากที่จะหวังว่าสารออกซิไดซ์ที่เติมลงไปนั้นจะทำลายสารอินทรีย์ที่แบคทีเรียย่อยสลายไม่ได้ให้กลายเป็น CO2 H2O และ NH3 ทั้งหมด ที่คาดหวังได้มากกว่าคือสารออกซิไดซ์ที่เติมลงไป เข้าไปทำการออกซิไดซ์ สารอินทรย์ที่แบคทีเรียย่อยสลายไม่ได้ (หรือทำลายโมเลกุลเดิม) ให้กลายเป็นโมเลกุลใหม่ที่แบคทีเรียสามารถย่อยสลายได้ ดังนั้นจึงมีงานวิจัยหลายงานที่ทำการวิจัยตรงจุดนี้ (เปลี่ยนโมเลกุลสารตั้งต้นเดิมที่แบคทีเรียย่อยสลายไม่ได้ ให้กลายเป็นโมเลกุลใหม่ที่แบคทีเรียย่อยสลายได้) แต่การอ่านและแปลผลการทดลองดังกล่าวก็ต้องใช้ความระมัดระวังอยู่เหมือนกัน

อย่างที่บอกเอาไว้แล้วว่าการวัดปริมาณสารอินทรีย์ที่ย่อยสลายได้นั้นต้องดูจากค่า BOD แต่การวัดค่า BOD นั้นยุ่งยากและใช้เวลานาน ทำให้หลายงานวิจัยหลีกเลี่ยงไปใช้การวิเคราะห์ค่า COD แทน แต่ค่า COD ลดลงก็ไม่ได้หมายความว่าค่า BOD จะเพิ่มขึ้น มันขึ้นอยู่กับว่าผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจากการออกซิไดซ์นั้นแบคทีเรียสามารถย่อยสลายได้หรือเปล่า

ตัวอย่างเช่นสารตั้งต้นของเราอาจเป็นเบนซีน (C6H6) 100 โมเลกุล และเมื่อเราทำการออกซิไดซ์ด้วย H2O2 ให้กลายเป็นฟีนอล (C6H5OH) 100 โมเลกุล แล้ววัดค่า COD ก่อนการออกซิไดซ์และหลังการออกซิไดซ์ เราจะพบว่าค่า COD หลังการออกซิไดซ์จะลดลง ทั้งนี้เป็นเพราะเราได้เติมออกซิเจนเข้าไปอยู่ในโมเลกุลผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น (ลองเขียนสมการเคมีดูก็ได้ จะเห็นว่าปริมาณออกซิเจนที่ต้องใช้ในการทำลายเบนซีนให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำจะสูงกว่าปริมาณออกซิเจนที่ต้องใช้ในการทำลายฟีนอลให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ) แต่ถ้าดูจากปริมาณสารอินทรีย์ที่แบคทีเรียย่อยสลายไม่ได้ที่ยังคงค้างอยู่ในน้ำทิ้ง ก็จะเห็นว่ามีอยู่ 100 โมเลกุลเท่าเดิม (แบคทีเรียไม่ย่อยสลายเบนซีนและฟีนอล)

ในบางครั้งผู้วิจัยอาจหลีกเลี่ยงการวัดค่า COD แล้วไปใช้การวัดปริมาณสารตั้งต้นที่หายไปแทน สาเหตุเป็นเพราะการออกซิไดซ์ดังกล่าวนั้นเป็นการออกซิไดซ์แบบไม่เลือกเกิด และผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นก็มีสารพัดอย่าง เช่นอาจทำการออกซิไดซ์สาร A (ซึ่งเป็นสารที่แบคทีเรียย่อยสลายไม่ได้) ไปเป็นสาร B C D ฯลฯ (ซึ่งก็ไม่รู้เหมือนกันว่าเป็นสารที่แบคทีเรียย่อยสลายได้หรือไม่) ซึ่งเมื่อทำการวิเคราะห์แล้วก็จะพบว่าปริมาณสาร A ที่เหลืออยู่นั้นลดลง (และค่า COD ก็ลดลงด้วย) แต่สิ่งนี้ก็ไม่ได้หมายความว่า "ปัญหา" น้ำเสียจะลดลง เพราะถ้าสาร B C D ฯลฯ ที่เกิดขึ้นใหม่นั้นเป็นสารอินทรีย์ที่แบคทีเรียย่อยสลายไม่ได้ ปัญหามันก็ยังคงอยู่เหมือนเดิม

อีกประเด็นที่น่าสนใจคือถ้าเราออกซิไดซ์สารอินทรีย์เดิมให้กลายเป็นสารอินทรีย์ตัวใหม่ ทำให้ค่า COD ของน้ำลดลง แล้วความเป็นพิษของน้ำนั้นจะเป็นอย่างไร ถ้าสารอินทรีย์ตัวเดิมนั้นมีความเป็นพิษต่ำ แต่พอถูกออกซิไดซ์แล้วได้สารตัวใหม่ (oxygenate) ที่มีความเป็นพิษสูงกว่าเดิม การกระทำดังกล่าวก็ไม่น่าจะเป็นสิ่งที่ดีนัก ผมเองก็ไม่ทราบเหมือนกันว่ามีใครที่ทำงานวิจัยด้านนี้เคยมองประเด็นนี้บ้างหรือเปล่าเพราะไม่ได้อยู่ในวงการนี้ เท่าที่เคยเห็นก็พูดแต่ลดค่า COD แต่ไม่พูดถึงความเป็นพิษของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาการออกซิไดซ์ดังกล่าว