Biyokimyasal Oksijen İhtiyacı

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ), aerobik mikroorganizmaların bir su numunesindeki organik maddeyi belirli bir süre boyunca ayrıştırırken tükettikleri çözünmüş oksijen miktarını nicelleştiren, tipik olarak litre başına miligram oksijen (mg/L) cinsinden ifade edilen temel bir su kalitesi göstergesidir.^[1] Bu süreç, organik kirleticilerin biyolojik bozunumunu yansıtarak atık suyun veya kirli suyun sucul ekosistemler üzerindeki potansiyel etkisine dair içgörü sağlar.^[2]

BOİ, yüzey sularındaki, atık su deşarjlarındaki ve endüstriyel atıklardaki organik kirlilik seviyelerini değerlendirmek için çok önemlidir; çünkü yüksek seviyeler alıcı su kütlelerinde oksijen tükenmesine yol açarak balıkları ve diğer sucul yaşamı tehdit eden hipoksik koşullarla sonuçlanabilir.^[3] ABD Çevre Koruma Ajansı (EPA) gibi düzenleyici kurumlar, deşarj limitlerini belirlemek ve Temiz Su Yasası’na uyumu izlemek, böylece sürdürülebilir su yönetimini sağlamak için BOİ ölçümlerini kullanır.^[4] Yüksek BOİ değerleri genellikle arıtılmamış kanalizasyon, tarımsal akış veya biyolojik olarak parçalanabilir organikler açısından zengin endüstriyel atıklarla ilişkilendirilir ve bu da onu çevresel değerlendirmelerde temel bir parametre haline getirir.^[5]

BOİ’yi ölçmek için kullanılan ve BOİ₅ olarak bilinen standart yöntem, seyreltilmiş bir su numunesinin karanlıkta 20°C’de beş gün boyunca inkübe edilmesini ve Winkler titrasyonu veya elektrokimyasal problar gibi teknikler kullanılarak başlangıç ve son ölçümler arasındaki çözünmüş oksijen konsantrasyonu farkının hesaplanmasını içerir.^[1] Aslen 20. yüzyılın başlarında geliştirilen bu test, doğal ayrışma süreçlerini simüle eder, ancak nitrifikasyon meydana gelirse toplam oksijen ihtiyacını eksik tahmin edebilir; bu durum azot oksidasyonunu engelleyen karbonlu BOİ (CBOD) gibi varyantların ortaya çıkmasına neden olmuştur.^[4] Gelişmiş sensörler ve respirometrik yöntemler, modern uygulamalarda doğruluğu artırmış ve analiz süresini kısaltmıştır.^[3]

Tanım ve Temeller

Temel Kavram ve Ölçüm

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ), aerobik bakterilerin ve diğer mikroorganizmaların kontrollü koşullar altında bir su numunesindeki biyolojik olarak parçalanabilir organik maddeyi ayrıştırırken tükettikleri çözünmüş oksijen miktarını nicelleştirir. Bu süreç, organik kirleticileri biyolojik oksidasyon yoluyla stabilize etmek için gereken oksijeni yansıtır. BOİ₅ olarak bilinen standart ölçüm, 20°C sıcaklıkta beş gün boyunca oksijen tüketimini değerlendirerek atık sudaki veya doğal sulardaki biyolojik olarak parçalanabilir organik yük için pratik bir gösterge sağlar.^[6]^[7]

BOİ, numune hacmi başına talep edilen oksijen kütlesini belirten litre başına miligram oksijen (mg O₂/L) birimiyle ifade edilir. Güçlü bir oksidan kullanarak hem organik hem de inorganik maddelerin kimyasal oksidasyonu için gereken toplam oksijeni tahmin eden kimyasal oksijen ihtiyacının (KOİ) aksine, BOİ yalnızca biyolojik olarak parçalanabilir organiklere odaklanır ve doğal mikrobiyal aktiviteyi simüle etmek için daha uzun bir inkübasyon süresi gerektirir.^[6]^[8]

Tipik BOİ seviyeleri su kaynağına bağlı olarak büyük ölçüde değişir: Temiz nehir veya kirlenmemiş doğal sular, düşük organik içeriği yansıtacak şekilde genellikle 5 mg/L’nin altında değerler sergiler; arıtılmamış evsel atık sular, yüksek konsantrasyonlarda ayrışabilir atık nedeniyle genellikle 200 ila 600 mg/L arasında değişir; ikincil arıtma süreçlerinden gelen arıtılmış belediye çıkış suyu ise düzenleyici standartları karşılamak için tipik olarak 30 mg/L’nin altına düşürülür.^[9]^[10]^[11]

Organik kirliliğin temel bir göstergesi olarak, yüksek BOİ seviyeleri, alıcı sularda çözünmüş oksijenin tükenme potansiyeline işaret eder; bu durum balıklar ve diğer organizmalar için oksijen mevcudiyetini sınırlayarak sucul ekosistemleri strese sokar. Yüksek BOİ ayrıca ötrofikasyon riskini artırır, çünkü ilişkili organik madde alg patlamalarını ve ayrışma üzerine takip eden hipoksik koşulları besleyebilir.^[6]^[12]

Biyokimyasal Mekanizmalar

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ), sudaki organik maddenin aerobik mikrobiyal ayrışmasından kaynaklanır; bu süreç, enerji elde etmek için çözünmüş oksijeni elektron alıcısı olarak kullanan heterotrofik mikroorganizmalar tarafından yürütülür. Bu ayrışma, polisakkaritler, proteinler ve lipidler gibi karmaşık organik bileşiklerin monosakkaritler, amino asitler ve yağ asitleri gibi daha basit çözünür formlara hidroliziyle başlayan sıralı aşamalarda gerçekleşir. Bu ilk hidroliz, bakteriler tarafından salgılanan hücre dışı enzimler aracılığıyla gerçekleştirilir ve çözünmeyen veya yüksek moleküler ağırlıklı organiklerin mikrobiyal hücre zarlarından taşınabilecek substratlara parçalanmasını kolaylaştırır.^[13]

Hidrolizi takiben, daha basit bileşikler mikrobiyal oksidasyona uğrar; burada glikoliz, trikarboksilik asit döngüsü ve elektron taşıma zinciri gibi metabolik yollarla katabolize edilerek nihayetinde karbondioksit, su ve yeni mikrobiyal biyokütle üretilir. Bu oksidasyon fazı, organik maddenin kimyasal bileşimine dayalı olarak stokiyometrik bir şekilde oksijen tüketir; örneğin, glikozun tam aerobik oksidasyonu şu denklemle temsil edilir:

$$ \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} $$

Bu reaksiyon, glikozun gramı başına yaklaşık 1.07 gram O₂ teorik oksijen gereksinimini göstererek, organik substrat ile BOİ’deki oksijen tükenmesi arasındaki doğrudan bağlantıyı vurgular. Süreç, karbon bazlı organiklerin oksidasyonunu içeren karbonlu BOİ (CBOD) ve amonyağın ototrofik nitrifiye edici bakteriler tarafından nitrit ve nitrata oksidasyonunu içeren azotlu BOİ (NBOD) olarak ikiye ayrılır. Pseudomonas ve Bacillus cinslerinden türler gibi heterotrofik bakteriler, karbonlu bileşikleri enerji ve büyüme için asimile edip oksitleyerek CBOD parçalanmasına hakim olurken; Nitrosomonas ve Nitrobacter gibi nitrifikasyon bakterileri, ilk karbonlu talep büyük ölçüde karşılandıktan sonra NBOD’ye katkıda bulunur.^[14]^[15]

BOİ’deki oksijen tüketim hızı, başta sıcaklık, pH ve besin mevcudiyeti olmak üzere çeşitli çevresel faktörlerden etkilenir. Sıcaklık, Q₁₀ kuralına göre deoksijenasyon hız sabitini (k) etkiler; burada reaksiyon hızı, mikrobiyal metabolizmadaki enzimatik aktivitelerin sıcaklık hassasiyetini yansıtacak şekilde 0–30°C aralığındaki her 10°C artış için yaklaşık iki katına çıkar. Mikrobiyal aktivite için optimal pH tipik olarak 6.5 ile 8.5 arasındadır, çünkü sapmalar enzim işlevini ve bakteriyel büyümeyi engelleyerek ayrışmayı yavaşlatabilir. Besin mevcudiyeti, özellikle azot ve fosfor, mikrobiyal biyokütle sentezi için gereklidir; eksiklikler popülasyon artışını ve dolayısıyla organik madde oksidasyonunun genel hızını sınırlar.^[16]

BOİ’nin zamansal ilerlemesi, BOD_t = L₀(1 – e^-kt) üstel bozunma denklemi ile modellenen birinci dereceden kinetiği izler; burada BOD_t, t zamanında harcanan oksijen ihtiyacı, L₀ nihai BOİ (tam ayrışma için gereken toplam oksijen), k deoksijenasyon hız sabiti (20°C’de tipik olarak günde 0.1–0.23) ve e doğal logaritma tabanıdır. Bu model, substrat kullanım hızının kalan oksitlenebilir organik madde konsantrasyonuyla orantılı olduğu varsayımından türetilmiştir: dL/dt = -kL, burada L, t zamanındaki kullanılmamış BOİ’dir. Bu diferansiyel denklemin t = 0 anında L = L₀ başlangıç koşuluyla integrali alındığında L = L₀e^-kt elde edilir. t zamanında harcanan BOİ, başlangıç ve kalan BOİ arasındaki farktır: BOD_t = L₀ – L = L₀(1 – e^-kt). Nihai BOİ (L₀), ayrışma tamamlanana kadar devam ederse teorik maksimum oksijen ihtiyacını temsil ederken, standart 5 günlük BOİ (BOİ₅), 20°C’deki tipik koşullar altında (k ≈ 0.23 gün^-1) L₀‘ın yaklaşık %68’ini yakalar (e^-k·5 ≈ 0.32). Bu kinetik çerçeve, oksijen tükenme eğrilerinin tahmin edilmesine olanak tanır ve BOİ’deki mikrobiyal süreçlerin zamana bağlı doğasını vurgular.^[17]

Organik Kirlilikle İlişki

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ), kanalizasyon, tarımsal akış ve endüstriyel atıklar gibi kaynaklardan gelen organik maddeyi ayrıştırmak için mikroorganizmaların ihtiyaç duyduğu oksijeni nicelleştirerek, su kütlelerindeki biyolojik olarak parçalanabilir organik yükün temel bir göstergesi olarak hizmet eder. Yüksek BOİ seviyeleri, mikrobiyal aktiviteyi hızlandıran ve çözünmüş oksijeni (DO) tüketen önemli organik kirliliğe işaret eder; bu durum genellikle alıcı sularda oksijen tükenmesine yol açar. Bu tükenme, DO’nun 2-5 mg/L’nin altına düştüğü hipoksik koşullarla sonuçlanabilir; bu da balıklar dahil aerobik sucul organizmaları strese sokar veya öldürür ve ekosistemleri bozar. Örneğin, atık su deşarjlarından gelen aşırı organik girdiler, hızlı BOİ kullanımının doğal oksijen yenilenmesini aştığı durumlarda nehirlerde yaygın balık ölümleriyle ilişkilendirilmiştir.^[18]^[19]^[20]

Biyolojik parçalanabilirliğe bakılmaksızın tüm organik bileşiklerin toplam karbon içeriğini ölçen toplam organik karbon (TOK) ve hem biyolojik olarak parçalanabilir hem de parçalanamaz organiklerin kimyasal olarak oksitlenmesi için gereken oksijeni tahmin eden kimyasal oksijen ihtiyacının (KOİ) aksine, BOİ spesifik olarak yalnızca biyolojik olarak parçalanabilir fraksiyonu değerlendirir. Belediye atık sularında BOİ, tipik olarak KOİ’nin %40-70’ini temsil eder ve mikrobiyal parçalanmaya uygun kısmı yansıtır; TOK ise organik kirlilik potansiyeli için daha geniş ancak daha az doğrudan bir vekil sunar. Bu seçicilik, KOİ ve TOK’un daha kapsamlı ancak biyolojik olarak daha az ilgili metriklerinin aksine, kolayca ayrışabilen kirleticilerin oluşturduğu çevresel riski değerlendirmek için BOİ’yi özellikle değerli kılar.^[8]^[21]^[22]

Yüksek BOİ’nin çevresel sonuçları, gelen organik atığın deoksijenasyon nedeniyle akış aşağısında azalan bir DO profili oluşturduğu ve ardından atmosferik yeniden havalanma yoluyla iyileşmenin izlendiği akarsulardaki çözünmüş oksijen sarkma eğrisi (oxygen sag curve) ile belirgin bir şekilde gösterilir. Bu dinamik, t zamanındaki DO’yu DO_t = DO_sat – BOD_t + yeniden havalanma terimi olarak yaklaşık hesaplayan Streeter-Phelps denklemi ile modellenir; bu, BOİ yüklemesinin oksijen açığının boyutunu ve süresini nasıl etkilediğini vurgular. BOİ, akarsuyun yeniden havalanma kapasitesini aştığında, DO sıfıra yakın düşebilir; bu da ayrışmayı oksijenden bağımsız süreçlere kaydıran anaerobik koşulları teşvik eder, hidrojen sülfür gibi kötü kokulu bileşikler üretir ve septik su kalitesi bozulmasına katkıda bulunur.^[23]^[24]^[25]

Uluslararası alanda, BOİ eşikleri organik kirlilik risklerini azaltmak için su kalitesi değerlendirmelerine rehberlik eder; örneğin, arıtma sonrası içme suyu kaynakları için uygun olan kirlenmemiş doğal sular, minimum organik kontaminasyonu sağlamak ve halk sağlığını korumak için tipik olarak 5 mg/L’nin altında BOİ seviyeleri sergiler. Aşımlar kirlilik kontrolü ihtiyacını işaret eder; küresel standartlarda yüzey sularında BOİ > 6 mg/L, rekreasyonel ve ekolojik kullanımları bozabilecek orta derecede kirliliği gösterir. Bu ölçütler, değişen organik girdiler arasında sürdürülebilir sucul ortamların korunmasında BOİ’nin rolünün altını çizer.^[26]^[27]

Tarihsel Bağlam

Erken Gözlemler ve Gelişim

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) kavramı, 19. yüzyılda, özellikle hızlı sanayileşme sırasında kanalizasyon deşarjından kaynaklanan Avrupa nehirlerindeki organik kirlilik endişelerinin artmasıyla ortaya çıktı. İlk gözlemler, organik maddenin mikrobiyal ayrışması nedeniyle su kütlelerinde çözünmüş oksijenin tükenmesine odaklandı. 1870 yılında, İngiliz kimyager Edward Frankland, kanalizasyon numuneleri üzerinde ilk belgelenmiş BOİ ölçümlerini gerçekleştirdi ve parçalanma süreçleri sırasında aerobik bakteriler tarafından tüketilen oksijeni kaydetti; yaklaşımı numunelerin seyreltilmesini ve oksijen seviyelerinin zaman içinde izlenmesini içeriyordu ve daha sonraki analitik tekniklerin temelini oluşturdu.^[28] Bu bulgular, kentsel atıkları alan su yollarının oksijensiz koşullarında görüldüğü gibi, arıtılmamış kanalizasyonun nehirleri balıklar için yaşanmaz hale getirebileceğini ve halk sağlığı risklerini artırabileceğini vurguladı.

BOİ benzeri değerlendirmelerin ilk uygulamaları, 1860’lardan 1900’lerin başına kadar Londra’nın 19. yüzyıl genişlemesi sırasında kötü şöhretli bir açık kanalizasyona dönüşen Thames Nehri’ndeki kirliliğin değerlendirilmesinde çok önemliydi. Şehrin nüfusu 2.5 milyonu aştıkça, evsel atık sular ve endüstriyel atıklar nehri bunalttı, ciddi deoksijenasyona ve birikmiş organik maddenin yaygın koku ve hastalık salgınlarına neden olduğu 1858 Büyük Koku (Great Stink) gibi olaylara yol açtı. Kimyagerler ve sıhhi mühendisler, nehrin asimilasyon kapasitesini nicelleştirmek için erken oksijen talebi testlerini kullandılar; bu da kanalizasyonun yağmur suyundan ayrılması ve kesişen kanalizasyonların inşası çabalarını bilgilendirdi ve sonuçta 20. yüzyılın başlarında Thames’in ekolojik dengesinin geri kazanılmasına yardımcı oldu.^[29]

20. yüzyılın başlarında, BOİ testindeki iyileştirmeler, kanalizasyon arıtma etkinliğinin tutarlı bir şekilde değerlendirilmesi ihtiyacını ele aldı. 1898’de kurulan Kanalizasyon Bertarafı Kraliyet Komisyonu, 1908 tarihli raporunda, bu zaman diliminin Thames gibi nehirlerdeki kanalizasyonun stabilizasyon kinetiğine (kabaca Londra’dan haliç’e seyahat süresi) yaklaştığı gözlemlerine dayanarak, BOİ ölçümleri için 20°C’de standartlaştırılmış 5 günlük bir inkübasyon süresi önerdi. Bu süre, pratik olmayan uzunlukta testler gerektirmeden kirlilik potansiyeli için pratik bir vekil sağladı.^[30]

Ancak erken dönem BOİ yöntemleri, numunelerdeki tutarsız mikrobiyal aşılama (seeding) ve inkübasyon sıcaklığındaki dalgalanmalar nedeniyle sonuçlardaki değişkenlik gibi önemli zorlukları ortaya çıkardı; bu dalgalanmalar, her 10°C’lik değişimde ayrışma oranlarını %50’ye kadar değiştirebiliyordu. Aktif çamur veya nehir suyu ile aşılama, tekrarlanabilir mikrobiyal aktivite için gerekliydi, ancak aşı materyalinin canlılığı değişirse genellikle tutarsızlıklar ortaya çıkıyordu; bu da sonraki protokollerde kontrollü koşullar için çağrılara yol açtı.

Standardizasyon ve Evrim

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) protokollerinin resmi kuruluşu, Amerikan Halk Sağlığı Derneği’nin (APHA) 1936’da Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater‘ın 8. baskısında beş günlük BOİ testini (BOİ₅) kabul etmesiyle gerçekleşti. Bu standart, prosedürü, organik maddenin mikrobiyal ayrışmasıyla oksijen tükenmesini ölçmek için 20°C’de beş gün boyunca seyreltme tabanlı bir inkübasyon olarak tanımladı ve belediye ve endüstriyel bağlamlarda su kalitesi değerlendirmesi için tekrarlanabilir bir metrik sağladı.

Uluslararası uyum, 1989’da ISO 5815’in ilk yayınıyla geldi; bu standart, dünya çapındaki laboratuvarlar için BOİ₅ seyreltme ve aşılama yöntemini standartlaştırarak, 1 ila 6.000 mg/L arasındaki aralıkları belirledi ve nitrifikasyon inhibisyonu için hükümler içerdi. Standart, aşılama ve seyreltme hesaplamalarında doğruluğu artırmak için 2003’te (ISO 5815-1 ve -2 olarak) revize edildi ve 2019’da güncellendi; böylece ulusal düzenlemelerle uyumluluğu korurken çeşitli su matrislerinde daha geniş uygulanabilirlik sağlandı.^[31]

BOİ₅‘in yalnızca kısmi organik bozunumu yakalama sınırlamasının üstesinden gelmek için, nihai BOİ (BOİ_u), özellikle uzun vadeli çevresel etkileri ve atık su arıtma verimliliğini modellemek için toplam oksijen ihtiyacını tahmin etmek üzere 20 ila 30 günlük inkübasyonlar kullanan bir uzantı olarak 1970’lerde ortaya çıktı.^[32]

2000 sonrası iyileştirmeler, 2005’teki Standard Methods‘ın 21. baskısı ve sonraki baskılar gibi onaylanmış yöntemlerdeki güncellemelere dahil edilen, alıştırılmış mikroorganizmalarla zorunlu aşılama yoluyla endüstriyel atıkları ele aldı ve hassas çözünmüş oksijen ölçümleri için otomasyon sağladı. Bu değişiklikler karmaşık numuneler için güvenilirliği artırdı ancak beş günlük gecikme nedeniyle alternatiflere olan ihtiyacı vurguladı ve arıtma süreçlerinde gerçek zamanlı izleme için biyosensörler gibi hızlı vekillere odaklanılmasını sağladı.^[32]^[33]^[34]

Standart Test Yöntemleri

Seyreltme Yöntemi Prosedürü

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) için seyreltme yöntemi, özellikle 5 günlük test (BOİ₅), çözünmüş oksijenin (DO) tamamen tükenmesi olmadan ölçülebilir oksijen tükenmesini sağlamak için numunelerin seri seyreltmeler yoluyla hazırlanmasını içerir. Numune hazırlama, atık su veya su numunelerinin temiz, toksik olmayan kaplarda toplanmasıyla başlar; mikrobiyal aktivitedeki değişiklikleri en aza indirmek için ideal olarak toplandıktan sonra 6 saat içinde analiz edilmelidir; gecikirse 4°C’de saklanmalı ancak 48 saati geçmemelidir.^[35] Seyreltme suyu, oksijenle neredeyse doygunluğa kadar havalandırılmış (en az 8 mg/L DO) yüksek kaliteli, klorsuz su kullanılarak 3 ila 5 gün önceden hazırlanır ve mikrobiyal büyüme için gerekli besinleri ve mineralleri sağlamak üzere fosfat tamponu (pH 6.5–7.5’i korumak için), magnezyum sülfat (22.5 g/L stok), kalsiyum klorür (27.5 g/L stok) ve ferrik klorür (0.25 g/L stok) ile her biri 1 mL/L oranında takviye edilir.^[13] Düşük organik içeriğe veya yetersiz mikrobiyal popülasyona sahip numuneler için, seyreltmeyi aşılamak üzere çökelmiş evsel atık su veya ticari PolySeed gibi bir aşı (seed) materyali, 300 mL’lik şişe başına 1–2 mL eklenir; aşının oksijen talebi daha sonra şahitler (blanks) yoluyla düzeltilir.^[36] Seyreltmeler, tahmini BOİ’ye dayalı olarak 2–7 mg/L DO tükenmesi elde etmek için tipik olarak %1 ila %10 numune hacmi arasında değişir (örneğin, 300 mL toplam hacimde 1–30 mL numune), oksijenin tamamen tükendiği (2 mg/L’den az kalıntı DO) veya değişmediği (2 mg/L’den az tükenme) uç noktalardan kaçınılır.^[8]

Gerekli ekipmanlar arasında, hava geçirmez sızdırmazlık sağlamak ve oksijen difüzyonunu önlemek için buzlu cam tıpalı 300 mL cam BOİ şişeleri, 20°C ± 1°C’de tutulan bir su banyosu veya inkübatör, hassas hacim ölçümü için pipetler (Sınıf A hacimsel tercih edilir) ve DO seviyelerinin doğru iyodometrik tayini için kalibre edilmiş bir prob veya Winkler titrasyon kiti gibi DO ölçüm araçları bulunur.^[37] Prosedür, hazırlanan seyreltmelerde başlangıç DO’sunun (D₁) ölçülmesiyle başlar: BOİ şişelerini numune-seyreltme suyu karışımıyla taşacak şekilde doldurun (tepe boşluğu veya hava kabarcığı olmamalı), kapatın ve karıştırdıktan hemen sonra DO’yu kaydedin. Mühürlü şişeleri karanlıkta 20°C’de tam olarak 5 gün inkübe edin; mikrobiyal solunum hızlarını değiştirebilecek çalkalanma veya sıcaklık dalgalanmaları olmamasını sağlayın. İnkübasyondan sonra, aynı şekilde son DO’yu (D₂) ölçün; bu sürede şahitlerde 0.1 mg/L’den fazla DO değişimi olmadığını doğrulayın.^[38]

BOİ₅, seyreltme ve herhangi bir aşı düzeltmesi için ayarlanan oksijen farkı kullanılarak hesaplanır. Aşısız numuneler için formül şöyledir:

$$ \text{BOD}_5 = \frac{D_1 – D_2}{P} $$

Burada D₁ başlangıç DO (mg/L), D₂ son DO (mg/L) ve P seyreltme faktörüdür (toplam şişe hacmindeki numune hacminin ondalık kesri, örneğin 300 mL’de 3 mL numune için 0.01). Aşılı numuneler için aşının talebini çıkarın:

$$ \text{BOD}_5 = \frac{D_1 – D_2}{P} – \frac{B_1 – B_2}{f} $$

Burada B₁ ve B₂, aşı şahidindeki başlangıç ve son DO, f ise numune seyreltmesindeki aşı hacminin şahitteki aşı hacmine oranıdır (hacimler eşitse genellikle 1). Tüm değerler mg/L cinsindendir. Örneğin, 0.02’lik bir seyreltme (300 mL’de 6 mL numune) aşısız olarak D₁ = 8.5 mg/L ve D₂ = 6.0 mg/L verirse, BOİ₅ = (8.5 – 6.0)/0.02 = 125 mg/L; 1.5 mg/L’lik bir aşı şahidi düzeltmesi gerekirse, 110 mg/L elde etmek için bu değeri çıkarın.^[13]^[39]

Kalite kontrolleri, güvenilirliği sağlamak için ayrılmaz bir parçadır; buna 0.2 mg/L’den az BOİ’yi doğrulamak için en az bir seyreltme suyu şahidi (numune yok, sadece besinler), düzeltme için aşı şahitleri ve değişkenliği değerlendirmek için her seyreltme için kopyalar dahildir. Bir glikoz-glutamik asit standardı (seyreltme suyunda her biri 300 mg/L), performans kontrolü olarak 198 ± 30.5 mg/L BOİ₅ vermelidir. Nitrifikasyonu hariç tutmak üzere karbonlu BOİ (CBOD) için, amonyak oksitleyen bakterileri baskılamak amacıyla 10–20 mg/L aliltiyoüre veya 2-kloro-6-(triklorometil)-piridin gibi bir inhibitör ekleyin. Tekrarlar 0.3 mg/L veya ortalamanın %10’u içinde (hangisi daha büyükse) uyuşmalıdır.^[40]^[41] Yöntem için tipik kesinlik, düşük BOİ numuneleri (5 mg/L’nin altı) için ±0.5 mg/L olup, daha yüksek aralıklar için ±%15 bağıl standart sapmaya kadar iyileşir; ancak yanlış mühürleme veya sıcaklık kontrolünden kaynaklanan hatalar oluşabilir.^[38]

Manometrik Yöntem Prosedürü

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) ölçümü için manometrik yöntem, kapalı bir sistemdeki mikrobiyal oksijen tüketiminin çözünmüş oksijeni tüketmesi ve kabın tepe boşluğunda ölçülebilir bir negatif basınç oluşturması prensibiyle çalışır; bu sırada üretilen karbondioksit, karşıt basınç oluşumunu önlemek için emilir.^[42] Bu basınç farkı, kullanılan oksijen hacmiyle doğrudan ilişkilidir ve doğrudan çözünmüş oksijen (DO) analizi gerektirmeden BOİ’nin dolaylı bir nicelleştirmesini sağlar.^[43]

Kurulum, tipik olarak 250–300 mL kapasiteli, solunan CO₂’yi hapsetmek için potasyum hidroksit (KOH) peletleri veya soda kireci gibi kimyasal bir CO₂ emici ile donatılmış ve hassas ölçüm için bir manometreye (geleneksel cıva dolgulu veya modern dijital basınç sensörleri) bağlı sızdırmaz respirometre şişelerini kullanır.^[42] Hach BODTrak II veya WTW OxiTop gibi ticari sistemler, çoklu şişe kapasitesine, homojenlik için manyetik karıştırıcılara ve entegre veri kaydına sahip otomatik respirometreler kullanır. Numune hazırlama, oksijenli seyreltme suyu ile seyreltme (oksijen sınırlamasını önlemek için BOİ ~200 mg/L’yi aşarsa) ve düşük BOİ’li numuneler için aşı mikroorganizmalarının eklenmesini içeren standart seyreltme yaklaşımını yansıtır; basınç gelişimi için %10–20’lik bir tepe boşluğu hacmi sağlanır.^[32]

Prosedürde, hazırlanan numune şişeye uygun dolum çizgisine kadar dökülür, CO₂ emici yerleştirilir ve hava geçirmez bir sistem oluşturmak için kap güvenli bir şekilde kapatılır.^[42] Manometre, inkübasyonun başlangıcında (0. gün) atmosferik basınca karşı sıfırlanır. Şişeler daha sonra standart 5 günlük bir süre boyunca 20 ± 1°C’de tutulan sıcaklık kontrollü bir inkübatöre yerleştirilir; karıştırılan sistemler kullanılıyorsa, tekdüze mikrobiyal aktiviteyi teşvik etmek için hafifçe çalkalanır.^[44] Basınç okumaları, manometre ölçeği veya dijital ekran kullanılarak periyodik olarak (genellikle 0, 1, 2 ve 5. günlerde) kaydedilir ve bu değişiklikler, sıcaklık ve tepe boşluğu hacmini hesaba katan enstrümana özgü kalibrasyon tabloları aracılığıyla eşdeğer DO konsantrasyonlarına dönüştürülür.^[45] Endojen oksijen talebini çıkarmak için şahitler (yalnızca seyreltme suyu) ve aşılı kontroller eşzamanlı olarak çalıştırılır.^[32]

BOİ hesaplaması, basınç değişiminden türetilir ve şu şekilde ifade edilir:

$$ \text{BOD} = \frac{(P_i – P_f) \times F}{V} $$

Burada P_i ve P_f başlangıç ve son basınçlardır (mmHg cinsinden), F dönüşüm faktörüdür (standart tepe boşluğuna sahip 300 mL’lik bir şişe için 20°C’de tipik olarak 0.31 mg O₂/mmHg/L, ideal gaz yasası ve oksijen çözünürlüğünden türetilmiştir) ve V litre cinsinden numune hacmidir.^[42] Kalibrasyon, faktörün bilinen DO standartlarına karşı doğrulanmasını, barometrik basınç dalgalanmaları ve gaz hacmi üzerindeki sıcaklık etkileri için ayarlamayı (V_O2 = (ΔP × V_h) / 760 × (273 / T) kullanarak, burada V_h tepe boşluğu hacmi ve T Kelvin cinsinden mutlak sıcaklıktır, ardından yoğunluk yoluyla kütleye dönüştürülür) içerir.^[43] Modern dijital sistemler bunu otomatikleştirerek doğrudan BOİ değerlerini verirken nihai BOİ tahmini için eğri uydurmaya olanak tanır.

Bu yöntem, manuel DO titrasyonlarının ortadan kaldırılması nedeniyle daha düşük iş gücü gereksinimleri ve zaman içindeki oksijen alımının kinetik profillerini (inkübasyon süresine karşı BOİ_t) oluşturan çoklu ara okuma kapasitesi dahil olmak üzere geleneksel seyreltme tekniklerine göre avantajlar sunar.^[46] Seyreltme artefaktlarının azaldığı ve konsantre atık sular için doğruluğun arttığı, 1000 mg/L’ye kadar endüstriyel atık sular gibi daha yüksek BOİ’li numunelerin analizi için çok uygundur.^[47]

Gelişmiş ve Alternatif Teknikler

Biyosensör ve Elektrokimyasal Yaklaşımlar

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) tahmini için biyosensörler, tipik olarak, mikroorganizmaların organik madde bozunumu sırasında oksijen tüketimini tespit etmek için oksijen algılayan bir elektrotun yüzeyine immobilize edildiği elektrokimyasal prensipleri kullanır. Yaygın bir tasarım, oksijen geçirgen bir membranla ayrılmış bir platin katot ve gümüş anottan oluşan ve katot üzerine immobilize edilmiş bakteri veya maya içeren bir membran gibi bir mikrobiyal tabakanın kaplandığı Clark tipi amperometrik oksijen elektrotunu içerir. Bu kurulum, mikropların çözünmüş oksijen ve numuneden gelen organik substratların varlığında solunum yapmasına izin vererek, elektrot yüzeyindeki oksijen konsantrasyonunda ölçülebilir bir düşüşe yol açar. İlk BOİ biyosensörü, 1977 yılında Isao Karube tarafından bir oksijen elektrotu üzerine immobilize edilmiş Clostridium butyricum bakterisi kullanılarak geliştirilmiştir. 1979’da Trichosporon cutaneum mayası kullanılarak geliştirilen dikkate değer bir erken örnek, 1990’lardaki sonraki iyileştirmelerde elektrot yüzeyinde foto-çapraz bağlanabilir bir polivinil alkol (PVA) polimeri içinde tutma yoluyla immobilizasyon sağlamıştır.^[48]

İşletimde, numune biyosensörü içeren bir akış hücresine enjekte edilir; burada immobilize edilmiş mikroplar organik kirleticileri metabolize ederek oksijen tüketir ve katotta indirgeme akımında orantılı bir düşüşe neden olur. Tepki hızlıdır; standart 5 günlük BOİ inkübasyonunun aksine, tipik olarak 15-30 dakika içinde kararlı durum okumalarına ulaşır ve neredeyse gerçek zamanlı analize olanak tanır. Kalibrasyon, yaklaşık 200 mg/L’lik bilinen bir BOİ değeri sağlayan glikoz-glutamik asit (GGA) gibi standart çözeltiler kullanılarak gerçekleştirilir ve akım düşüşünün BOİ konsantrasyonuyla ilişkilendirilmesine olanak tanır. Temel elektrokimyasal prensip, oksijen indirgenmesi için amperometrik denklemi izler; burada kararlı durum akımı I, şu şekilde verilir:

$$I = n F A D (C_b – C_s)/\delta$$

Burada n elektron sayısı (O₂ için 4), F Faraday sabiti, A elektrot alanı, D difüzyon katsayısı, C_b ve C_s sırasıyla yığın ve yüzey oksijen konsantrasyonları ve $\delta$ difüzyon tabakası kalınlığıdır; mikrobiyal aktivite C_s‘yi artırarak I’yı tüketilen oksijenle orantılı olarak azaltır.^[49]^[50]^[48]^[49]

Standart BOİ testlerindeki çeşitli mikrobiyal konsorsiyumları taklit etmek için, öncelikle geniş substrat özgüllüğüne sahip aerobik mikroorganizmalar kullanılarak çeşitli tam hücreli biyosensörler geliştirilmiştir. Dikkate değer örnekler arasında, glikoz ve glutamik asit gibi yaygın atık su organiklerine karşı iyi hassasiyet sunan Trichosporon cutaneum içeren maya bazlı sensörler ve benzer polimer matrislerinde immobilize edilmiş Escherichia coli veya Bacillus subtilis kullanan bakteriyel varyantlar yer alır. Bu sensörler, yaklaşık 0.2 ila 200 mg/L BOİ arasında doğrusal bir yanıt aralığı ve yaklaşık 0.1 mg/L tespit limitleri sergileyerek düşük ila orta düzeyde kirlilik seviyeleri için uygun hale gelir. T. cutaneum ile Bacillus licheniformis gibi çoklu suşların birlikte immobilize edildiği hibrit sistemler, karmaşık numunelerde daha doğru BOİ tahmini için substrat kapsamını artırır.^[49]^[51]^[50]

Bu elektrokimyasal biyosensörlerin avantajları arasında kompakt elektrot tasarımları nedeniyle taşınabilirlikleri, çok kanallı akış sistemlerinde otomasyon potansiyeli ve geleneksel seyreltme yöntemlerine kıyasla azaltılmış reaktif kullanımı yer alır. Uygun şekilde bakımı yapıldığında %10’un altında varyasyon katsayıları ile tekrarlanabilir sonuçlar sağlayarak yerinde çevresel izlemeyi kolaylaştırırlar. Bununla birlikte, biyofilm aşırı büyümesinden veya numune partiküllerinden kaynaklanan elektrot kirlenmesi gibi sınırlamalar devam etmektedir; bu durum hassasiyeti 1-2 hafta içinde bozabilir ve periyodik yeniden kalibrasyon ve membran değişimi gerektirebilir. Ek olarak, seçicilik, mikrobiyal aktiviteyi engelleyen toksik maddelerden etkilenebilir ve aracı (mediator) ekleme gibi koruyucu stratejiler gerektirebilir.^[52]^[49]^[53]

Ticari örnekler 1990’larda ve 2000’lerde, Central Kagaku Corporation tarafından geliştirilen Japon BOİ sensörü gibi erken sistemlerle ortaya çıktı. Dr. Bruno Lange GmbH’nin (şimdi Hach Lange) ürünleri gibi çok kanallı varyantlar, birden fazla numunenin eş zamanlı test edilmesine izin vererek 2010’larda laboratuvar ortamlarında verimi artırdı. Veri kayıt yazılımıyla entegre edilen bu cihazlar, endüstriyel süreç kontrolü için benimsenmiştir, ancak uzun ömürlülük konusundaki devam eden zorluklar yaygın saha dağıtımını sınırlamıştır.^[50]^[54]

Optik ve Floresans Yöntemleri

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) ölçümü için optik ve floresans yöntemleri, mikrobiyal solunum sırasında çözünmüş oksijen (DO) tükenmesini invazif olmayan bir şekilde izlemek için lüminesans probları kullanır ve geleneksel inkübasyon tekniklerine hızlı alternatifler sunar. Bu yaklaşımlar, organik madde bozunumunun bir vekili olarak oksijen tüketiminin gerçek zamanlı değerlendirilmesini sağlamak için lüminesansın oksijen molekülleri tarafından dinamik olarak söndürülmesinden yararlanır. Elektrokimyasal sensörlerin aksine, optik problar akım üretmez veya oksijen tüketmez, bu da kapalı inkübasyon sistemlerindeki paraziti en aza indirir.^[55]

Temel ilke, söndürme verimliliğini şu denklemle nicelleştiren Stern-Volmer ilişkisine dayanır:

$$ \frac{I_0}{I} = 1 + K_{SV} [O_2] $$

Burada I₀ oksijen yokluğundaki lüminesans yoğunluğu, I gözlemlenen yoğunluk, K_SV boya-oksijen etkileşimine özgü Stern-Volmer söndürme sabiti ve [O₂] DO konsantrasyonudur. Bu ilişki, lüminesans sinyallerinden hassas DO tayinine izin verir ve mikrobiyal deneylerde başlangıç ve son DO ölçülerek doğrudan BOİ takibine uygulanır. Tris(2,2′-bipiridin)rutenyum(II) gibi Rutenyum(II) kompleksleri, sağlam fotostabiliteleri, uzun emisyon ömürleri (yaklaşık 5–10 μs) ve görünür dalga boylarında (örneğin 450 nm) uyarılmaları nedeniyle tercih edilen boyalardır; bu da onları, boyanın geçirgen bir polimer matrisine hapsedildiği optot (optode) üretimi için ideal hale getirir.^[56]^[57]

Floresans tabanlı varyantlar, dolaylı BOİ göstergeleri olarak indirgenmiş nikotinamid adenin dinükleotid (NADH) veya flavinler gibi içsel mikrobiyal floroforlardan yararlanır ve bakteriyel popülasyonlardaki aktif metabolik süreçleri yansıtır. Solunumda önemli bir koenzim olan NADH, 340 nm’de uyarılma ve 460 nm’de emisyon sergiler; yoğunluğu, atık su numunelerindeki canlı biyokütle ve oksijen alım oranlarıyla ilişkilidir. Bu sinyaller, doğrudan DO ölçümü olmaksızın biyolojik olarak parçalanabilir organik yükün anlık bir görüntüsünü sağlar, ancak doğruluk için standart BOİ değerleriyle korelasyon gerektirir. Söndürme boyalarını içeren optotlar, inkübasyonlarda sürekli DO profillemesine olanak tanıyarak ve genellikle tükenme eğrilerinin yüksek frekanslı örneklemesi yoluyla analizi günlerden saatlere kısaltarak bunu daha da geliştirir.^[58]

Bu yöntemlerin temel avantajları arasında prob tarafından sıfır oksijen tüketimi (değişmemiş mikrobiyal kinetik sağlar), düşük oksijenli ortamlar için uygun olan 0.01 mg/L DO’ya kadar olağanüstü hassasiyet ve taşınabilir, yüksek verimli testler için mikroakışkanlarla sorunsuz entegrasyon yer alır. 2000’lerdeki fiber optik konfigürasyonlar gibi gelişmeler, yerinde nehir suyu BOİ değerlendirmesi için optotları problara gömerek sürekli izlemeyi ilerletti ve toplu yöntemlere göre zamansal çözünürlüğü iyileştirdi. Kalibrasyon, K_SV ve lüminesans verimi üzerindeki termal etkileri düzeltmek için yerleşik sıcaklık telafisi (ek sensörler veya algoritmalar aracılığıyla) ile birlikte, söndürme taban çizgilerini oluşturmak için tipik olarak glikoz-glutamik asit standart çözeltilerini kullanır.^[59]^[60]^[61]^[62]

Gerçek Zamanlı ve Yazılım Tabanlı İzleme

Sanal veya çıkarımsal sensörler olarak da bilinen yazılım sensörleri, çok değişkenli regresyon modelleri aracılığıyla kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), toplam organik karbon (TOK) ve amonyak konsantrasyonları gibi kolayca ölçülebilen vekil parametrelerden yararlanarak biyokimyasal oksijen ihtiyacının (BOİ) tahmin edilmesini sağlar. Bu modeller, tipik olarak atık su arıtma tesislerinden alınan geçmiş laboratuvar verileri kullanılarak kalibre edilir; burada örneğin BOİ = a × KOİ + b × TOK + c × NH₄⁺ formundaki denklemlerle doğrusal veya doğrusal olmayan ilişkiler kurulur ve katsayılar (a, b, c) BOİ seviyelerini genellikle %15’in altındaki hatalarla tahmin etmek için sahaya özgü regresyon analizinden türetilir. Bu tür yaklaşımlar, özellikle atık su akışları gibi dinamik ortamlarda geleneksel inkübasyon yöntemlerine uygun maliyetli bir alternatif sunar.^[63]^[64]

Gerçek zamanlı BOİ izleme, minyatür kurulumlarda biyolojik arıtma süreçlerini simüle eden ve bir saatin altındaki yanıt süreleriyle BOİ eşdeğerlerini tahmin etmek için oksijen alım oranlarını ölçen çevrimiçi respirometreler aracılığıyla ilerlemiştir. Bu sistemler, BOİ5 değerleriyle güçlü bir şekilde ilişkili olan ve doğrudan inkübasyon olmadan sürekli vekil ölçümlere izin veren 260 nm civarındaki dalga boylarında spektral absorbans gibi vekil organik madde göstergelerini analiz etmek için UV-Vis spektroskopisi ile entegre olur. Örneğin, UV-Vis tabanlı vekillerin, standart BOİ5 testlerine kıyasla %90’ı aşan tahmin doğruluklarıyla çıkış sularındaki BOİ dalgalanmalarını takip ettiği doğrulanmıştır.^[65]^[66]

Yapay sinir ağları (YSA) ve kısmi en küçük kareler (PLS) regresyonu dahil olmak üzere makine öğrenimi teknikleri, gerçek zamanlı olarak BOİ tahmini yapmak üzere giriş suyu özellikleri ve arıtma değişkenlerini kapsayan veri kümeleri üzerinde eğitilerek, 2010’lardan bu yana yazılım tabanlı BOİ tahminine giderek daha fazla entegre edilmiştir. Özellikle YSA’lar, atık su verilerindeki doğrusal olmayan kalıpları yakalamada mükemmeldir ve tam ölçekli tesislerde BOİ tahmini için 5-10 mg/L kadar düşük ortalama mutlak hatalara ulaşırken, PLS sağlam çok değişkenli modelleme için KOİ ve TOK gibi vekiller arasındaki çoklu bağlantıyı ele alır. 2024–2025 itibariyle, topluluk (ensemble) makine öğrenimi teknikleri ve üç boyutlu floresans spektroskopisi, bazı atık su uygulamalarında %5’in altındaki hatalara ulaşarak tahmin doğruluğunu daha da artırmıştır.^[67]^[68]^[69]^[70]^[71] Bu 2010 sonrası gelişmeler, kestirimci bakım ve süreç ayarlamalarını sağlamak için aktif çamur sistemlerinden gelenler gibi büyük ölçekli veri kümelerinden yararlanmaktadır.

Bu yazılım tabanlı sistemlerin birincil avantajları, atık su arıtımında proaktif süreç kontrolü için sürekli, yüksek frekanslı veri akışlarının sağlanmasını içerir ve operasyonel ortamlarda emek yoğun laboratuvar BOİ testlerine olan bağımlılığı %70-80 oranında önemli ölçüde azaltır. Bu değişim, operasyonel verimliliği artırır, anormalliklerin erken tespitini sağlar ve otomatik uyarılar yoluyla deşarj standartlarına uyumu destekler. Aktif çamur sistemlerinde uygulamalar, tahmin edilen BOİ’nin havalandırma ayarlamalarına rehberlik ettiği belediye tesislerinde uygulanan YSA modellerinde görüldüğü gibi, %10’un altındaki kök ortalama kare hataları ile BOİ5’e karşı doğrulamayı göstermiştir.^[72]^[67]

Bu faydalara rağmen, özellikle atık su bileşimindeki mevsimsel değişikliklerin veya mikrobiyal topluluk değişimlerinin neden olduğu model kayması (drift) gibi zorluklar devam etmektedir; bu durum tahmin doğruluğunu zamanla bozabilir ve güvenilirliği sürdürmek için güncellenmiş laboratuvar verileri kullanılarak periyodik yeniden eğitimi (genellikle her 3-6 ayda bir) gerektirebilir. Kaymanın ele alınması, yazılım sensörü performansında uzun vadeli istikrarı sağlamak için temel gerçek (ground-truth) ölçümlerine ve uyarlanabilir algoritmalara karşı sürekli doğrulama gerektirir.^[73]^[74]

Pratik Uygulamalar

Atık Su Arıtımındaki Rolü

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ), alıcı sularda oksijen tükenmesini önlemek için azaltılması gereken organik yükü nicelleştirerek atık su arıtımında merkezi bir rol oynar. Aktif çamur sistemleri gibi ikincil arıtma süreçlerinde, BOİ ölçümleri, deşarj standartlarına uyumu sağlamak için giriş ve çıkış suyu kalitesini izler. ABD Çevre Koruma Ajansı (EPA), ikincil arıtmayı, BOİ5’in en az %85 oranında giderilmesini ve aylık ortalama çıkış suyu konsantrasyonlarının 30 mg/L’yi, haftalık ortalamaların ise 45 mg/L’yi aşmamasını gerektirecek şekilde tanımlar.^[75] İleri ikincil veya üçüncül arıtmalar, özellikle hassas havzalarda, çıkış sularını daha fazla parlatmak için genellikle %90-95 BOİ giderimini hedefler.^[76]

Proses kontrolünde BOİ, özellikle BOİ yüklemesinin karışık sıvı uçucu askıda katı maddelere (MLVSS) bölünmesiyle hesaplanan gıda/mikroorganizma (F/M) oranı aracılığıyla biyolojik arıtma ünitelerinin tasarımını ve işletimini bilgilendirir. Geleneksel aktif çamur sistemlerinde tipik olarak günde 0.2-0.5 kg BOİ/kg MLVSS seviyesinde tutulan bu oran, mikrobiyal aktiviteyi optimize etmek ve şişmeyi veya eksik arıtmayı önlemek için havalandırma oranlarında ve geri devir aktif çamur akışlarında yapılan ayarlamalara rehberlik eder.^[77] Operatörler F/M’yi dengeleyerek, oksijenasyon için enerji kullanımını en aza indirirken verimli BOİ asimilasyonunu sağlar.

Anaerobik çürütmede, BOİ uçucu katı maddeler içindeki biyolojik olarak parçalanabilir organik fraksiyonun bir göstergesi olarak hizmet eder ve stabilizasyon verimliliğinin değerlendirilmesini sağlar. Çürütme sırasında mikroorganizmalar bu organikleri biyogaza dönüştürür; verimler tipik olarak yok edilen kg uçucu katı başına 0.8 ila 1.1 m³ arasında değişir ve potansiyel enerji geri kazanımının bir ölçüsü olarak doğrudan başlangıç BOİ seviyeleriyle ilişkilidir.^[78] Bu süreç, susuzlaştırma ve bertaraftan önce genel tesis performansını artırarak çamur akışlarında BOİ’yi %50-70 oranında azaltır.^[79]

Çamur yaşı veya ortalama hücre kalış süresi (MCRT) ve oksijen transfer verimliliği gibi performans metrikleri, mevsimsel olarak veya endüstriyel girdiler nedeniyle dalgalanabilen giriş suyu BOİ değişkenliği ile yakından ilişkilidir. Düşük değişkenlik koşullarında daha uzun MCRT (5-15 gün) kararlı BOİ giderimi ve nitrifikasyonu desteklerken, oksijen transfer verimliliği (ince kabarcıklı havalandırma sistemlerinde genellikle %10-20), havalandırıcılarda hipoksik bölgelerden kaçınmak için tepe BOİ taleplerini karşılayacak şekilde ölçeklendirilmelidir.^[80] Giriş suyu BOİ yükselmeleri, verimliliği ve çıkış suyu kalitesini korumak için dinamik ayarlamalar gerektirir.

Belediye atık su tesisleri, hedeflenen teknolojiler aracılığıyla BOİ yönetimini örneklendirmektedir. Örneğin, ABD tesislerindeki damlatmalı filtre sistemleri, çıkış sularında 20 mg/L’nin altına BOİ düşüşleri elde etmiştir; plastik ortam yükseltmeleri kullanan EPA tarafından değerlendirilen bir tesis, değişen yükler altında tutarlı bir şekilde %85 giderim bildirmiştir.^[81] Membran biyoreaktörler (MBR’ler), belediye atık sularını arıtan laboratuvar ölçekli bir çalışmada gösterildiği gibi, 3.7 kg KOİ/m³·gün’e kadar yüksek organik yükleme oranlarında bile 10 mg/L’nin altında çıkış suyu veren %97-99 BOİ giderimi ile üstün performans sunar.^[82]

2020’lerdeki son eğilimler, uyarlanabilir süreç kontrolü için gerçek zamanlı BOİ sensörlerinin denetleyici kontrol ve veri toplama (SCADA) sistemleriyle entegre edilmesini vurgulamaktadır. Bu kurulumlar, anlık giriş suyu BOİ’sine dayalı olarak havalandırmada ileri beslemeli ayarlamalar yapılmasını sağlayarak oksijen dağıtımını ve çamur atımını optimize ederek enerji maliyetlerinde %20-30 tasarruf potansiyeli sunar.^[83] Avrupa ve Kuzey Amerika tesislerindeki pilot uygulamalar, otomatik mikrobiyal dozlama yoluyla çıkış suyu BOİ sapmalarını azaltarak fırtına olayları sırasında iyileştirilmiş kararlılık göstermiştir.

Çevresel Değerlendirmede Kullanımı

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ), su kalitesini değerlendirmek ve kirlilik kaynaklarını saptamak için nehirleri ve gölleri izlemede çok önemli bir rol oynar. Çevre bilimcileri, su kütleleri boyunca BOİ gradyanlarını ölçerek, endüstriyel deşarjlar gibi noktasal kaynaklar ile etkilenen akışta tipik olarak 20 ila 100 mg/L arasında değişen yüksek BOİ seviyelerine yol açan gübreler, gübre ve erozyona uğramış topraklardan organik madde getiren tarımsal akış gibi noktasal olmayan kaynaklar arasında ayrım yapabilirler.^[84] Bu yaklaşım, organik kirliliğin çözünmüş oksijeni (DO) tükettiği ve sucul ekosistemleri tehdit ettiği sıcak noktaların belirlenmesine yardımcı olur. Örneğin, göl sistemlerinde, BOİ testi, dağınık akışın noktasal atıklardan gelen yerel ani yükselmelere kıyasla yaygın oksijen açıklarına nasıl katkıda bulunduğunu ortaya koymaktadır.^[9]

Ötrofikasyon modellemesinde, BOİ, özellikle besin zenginleşmesiyle tetiklenen alg patlamaları sırasında çürüyen organik maddeden kaynaklanan oksijen talebini nicelleştirir. Alg ayrışmasından kaynaklanan yüksek BOİ, sınırlı karışım ve yüksek mikrobiyal solunum nedeniyle alt katmanların hipoksik hale geldiği tabakalı sularda DO minimumlarını şiddetlendirir.^[85] Modeller, patlama dinamiklerini ve oksijen sarkma eğrilerini tahmin etmek için BOİ’yi dahil eder ve besin yüklerinin göllerde ve rezervuarlarda deoksijenasyonu nasıl artırdığının değerlendirilmesine yardımcı olur. Bu durum, fitoplankton çürümesinden kaynaklanan BOİ katkılarının mevsimsel düşük oksijen bölgeleri oluşturduğu tabakalı haliçler gibi sistemlerde belirgindir.^[86]

Yüksek BOİ, DO’yu hassas türler için kritik seviyelerin altına düşürdüğünden, ekolojik etki değerlendirmeleri kirliliği sucul yaşam eşikleriyle ilişkilendirmek için BOİ’ye dayanır. Örneğin, salmonidler (alabalık vb.) optimum büyüme ve hayatta kalma için 5 mg/L’nin üzerinde DO konsantrasyonlarına ihtiyaç duyar; bu da kronik stresi ve ölümü önlemek için tipik olarak 4 mg/L’nin altındaki BOİ seviyelerine karşılık gelir.^[87] Bu BOİ eşiklerinin aşılması balık göçünü, üremeyi ve topluluk yapısını bozabilir; bu da kirli su yollarında habitat restorasyon önceliklerini bilgilendirir.^[88]

Akarsularda BOİ için saha örnekleme protokolleri, temsili koşulları yakalamak için anlık ve kompozit numuneler arasındaki seçimi vurgular. Belirli bir zamanda toplanan anlık numuneler, hızlı akan akarsularda akut kirlilik olaylarını veya günlük değişimleri tespit etmek için idealken; saatler veya günler boyunca birden fazla alikotun entegre edildiği kompozit numuneler, değişken akışlarda kronik yükleri değerlendirmek için ortalamalar sağlar.^[89] Saha BOİ analizörleri ve otomatik örnekleyiciler dahil olmak üzere taşınabilir kitler, yerinde toplamayı ve ilk işlemeyi mümkün kılarak inkübasyon için laboratuvarlara nakliye sırasında numune bütünlüğünü sağlar.^[90] Bu yöntemler, genellikle akarsu hidrolojisini hesaba katmak için akışla orantılı kompozitlerle, uzak bölgelerde hızlı değerlendirmeleri destekler.

Küresel örnekler, kentsel ve kırsal girdilerden kaynaklanan ciddi organik kontaminasyonu gösteren 30-50 mg/L ortalama BOİ seviyelerinin rapor edildiği 2013 tarihli bir değerlendirme ile Ganj Nehri gibi yerlerde BOİ’nin kirlilik değerlendirmesindeki faydasını vurgulamaktadır.^[91] 2025 itibariyle, seviyeler izlenen birçok bölümde iyileşmiş olsa da (örneğin Ocak ayında Prayagraj’da ~3 mg/L), 10 mg/L’yi aşan kentsel bölgelerde kirlilik devam etmekte ve deoksijenasyona katkıda bulunmaktadır.^[92]^[93] Benzer şekilde, Chesapeake Körfezi’nde BOİ ölçümleri, 2024 itibariyle balıkçılığı ve biyolojik çeşitliliği etkileyen ortalama büyüklükte düşük DO’lu ölü bölgeler oluşturan besin kaynaklı alg çürümesinden kaynaklanan oksijen talebini izleyerek hipoksiyi değerlendirir.^[94]^[95]

İklim etkileri, özellikle daha yüksek sıcaklıklar, mikrobiyal ayrışma oranlarını artırarak ve DO çözünürlüğünü azaltarak doğal sularda BOİ kullanımını hızlandırır. Artan küresel sıcaklıklar, nehirlerde BOİ’yi santigrat derece başına %10-20 artırabilir, zaten kirli sistemlerde oksijen tükenmesini ve hipoksi risklerini yoğunlaştırabilir.^[96] Bu etkileşim, iklim değişikliği altında organik kirliliğin etkilerini artırarak uyarlanabilir izleme stratejilerini gerektirir.^[97]

Düzenleyici ve Uyumluluk Bağlamları

Amerika Birleşik Devletleri’nde, Çevre Koruma Ajansı (EPA), 1972 Temiz Su Yasası kapsamındaki Ulusal Kirletici Deşarj Eliminasyon Sistemi (NPDES) izinleri aracılığıyla biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) standartlarını uygular; ikincil arıtma tesislerinin BOİ5’in en az %85’ini gidermesinin yanı sıra, 30 günlük ortalamada 30 mg/L’yi veya haftalık ortalamada 45 mg/L’yi aşmayan çıkış suyu BOİ5 konsantrasyonlarına ulaşmasını gerektirir.^[75]^[11]

Avrupa Birliği’nde, 2024’te revize edilen ve 2025 itibariyle yürürlüğe giren Kentsel Atık Su Arıtma Direktifi (91/271/EEC), 10.000 nüfus eşdeğerinden (p.e.) fazlasına hizmet eden aglomerasyonlardan gelen kentsel atık sular için ikincil arıtmayı zorunlu kılar; hassas bölgelerde en az %85 BOİ giderimi veya 25 mg/L’yi aşmayan bir çıkış suyu konsantrasyonu hedeflenirken, 2045 yılına kadar enerji nötrlüğü ve mikro kirletici giderimi için ek hedefler getirir.^[98]

Uluslararası alanda, Dünya Sağlık Örgütü (WHO) tarımda güvenli atık su yeniden kullanımı kılavuzları patojen azaltımını vurgular; birçok ulusal adaptasyon, sınırsız sulama için sağlık risklerini en aza indirmek amacıyla mikrobiyolojik standartların yanı sıra 10-30 mg/L’nin altında BOİ5 önerirken, Japonya daha katı deşarj standartları uygular ve alıcı suları korumak için birçok vilayette belediye kanalizasyon çıkış suyu BOİ’sini genellikle 10 mg/L veya daha az ile sınırlar.^[99]^[100]

BOİ düzenlemelerine uyum, düzenli testleri içerir; büyük atık su arıtma tesisleri (1 milyondan fazla nüfusa hizmet verenler) genellikle çıkış suyu BOİ5’i kompozit örnekleme yoluyla günlük olarak izler ve sonuçları Deşarj İzleme Raporlarında (DMR’ler) toplam askıda katı madde (TSS) ve pH ile birlikte düzenleyici makamlara aylık olarak bildirir.

BOİ aşımları için yaptırım işlemleri, Temiz Su Yasası kapsamında ihlal başına günlük 68.445 $’a kadar (2025 itibariyle) idari para cezalarını içerir; 2020’lerde su kütlelerindeki çözünmüş oksijen bozukluklarını ele almak için BOİ tahsislerini içeren toplam maksimum günlük yüklere (TMDL’ler) artan bir vurgu yapılmaktadır.^[101]

2000 sonrası, gelişen standartlar, amonyak ve toplam azot limitlerini çıkış suyu izinlerine ve TMDL’lere entegre ederek azotlu biyokimyasal oksijen ihtiyacını (NBOD) giderek daha fazla hesaba katmış ve alıcı sulardaki genel oksijen tükenmesine katkısını kabul etmiştir.^[102]

Sınırlamalar ve Hususlar

Doğal Test Kısıtlamaları

BOİ5 testi, 20°C’de sadece beş gün boyunca oksijen tüketimini ölçtüğü için nihai biyokimyasal oksijen ihtiyacını (BOİu) doğal olarak eksik tahmin eder ve tipik atık sulardaki toplam bozunabilir organik maddenin yaklaşık %60-80’ini yakalar. Bu sınırlama, yavaş bozunan veya inatçı bileşikler içeren numuneler için özellikle belirgindir; burada nihai BOİ, test inkübasyon süresinin ötesine uzanan uzun süreli mikrobiyal oksidasyon süreçlerini kaçırdığından, BOİ5 değerinden 1.5 ila 2 kat daha yüksek olabilir.^[103]^[34]

BOİ ölçümlerindeki değişkenlik kaynakları arasında, partiküllerin ve çözünmüş organiklerin düzensiz dağılımının kopyalar arasında tutarsız oksijen tükenmesine yol açtığı numune heterojenliği yer alır. İnkübasyon sırasındaki sıcaklık dalgalanmaları bunu şiddetlendirir; 20°C’den her bir santigrat derece sapma, mikrobiyal solunumun sıcaklığa bağlı kinetiği nedeniyle potansiyel olarak ±%5 hata getirir; bu genellikle bozunma oranlarını doğrusal olmayan bir şekilde hızlandıran veya yavaşlatan 1.5-2.1’lik bir Q10 faktörü ile modellenir.^[104]^[34]

Biyolojik olarak parçalanamayan organikler ve bazı inorganikler, demir (Fe²⁺) veya sülfür (S²⁻) gibi indirgenmiş türlerin kimyasal oksidasyonu gibi abiyotik çözünmüş oksijen (DO) tüketimini kolaylaştırarak aşırı tahmine neden olabilir; bu da biyolojik aktiviteden bağımsız olarak DO’yu tüketir ve testin mikrobiyal talebe odaklanmasını karıştırır.^[13]

Tekrarlanabilirlik bir zorluk olmaya devam etmektedir; karmaşık çevresel veya atık su numuneleri için laboratuvarlar arası varyasyon katsayıları tipik olarak %20 ila %30 arasında değişmektedir. Bu durum, seyreltme teknikleri, mikrobiyal aşı kalitesi ve tesisler arasındaki DO ölçüm hassasiyetindeki farklılıklara atfedilebilir.^[34]^[105]

Laboratuvar ölçekli BOİ testleri, alıcı sulardaki gerçek dünya oksijen dinamiklerini etkileyen advektif akış, ışığa maruz kalmaktan kaynaklanan fototrofik oksijen üretimi veya günlük sıcaklık değişimleri gibi dinamik saha koşullarını kopyalayamayan, sabit 20°C’de statik, karanlık inkübasyon koşulları kullanarak ölçek sınırlamaları getirir.^[13]

2010’lardan yapılan çalışmalar, kağıt hamuru ve kağıt fabrikalarından gelenler gibi inatçı kirleticilerle yüklü endüstriyel atıklar için BOİ5 testinin uygunluğunu eleştirmiştir; burada düşük BOİ5/kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) oranları (genellikle 0.2’nin altında), yöntemin kalıcı sentetik organikler için uzun vadeli biyolojik parçalanabilirliği ve oksijen gereksinimlerini doğru bir şekilde yansıtamadığını göstermektedir.^[106]^[34]

Toksisite ve İnhibitörlerin Etkisi

Atık su numunelerindeki toksik maddeler, mikrobiyal solunumu engelleyerek biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) testini önemli ölçüde bozabilir; bu da organik madde bozunumunun ve oksijen tüketiminin eksik tahmin edilmesine yol açar. 1 mg/L’yi aşan konsantrasyonlarda bakır (Cu) ve krom (Cr) gibi ağır metaller, enzimlere bağlanarak ve bakteriyel metabolik süreçleri bozarak özellikle güçlü inhibitörlerdir; bu, metale ve maruz kalma süresine bağlı olarak BOİ kullanımını %20-60 veya daha fazla azaltabilir. Örneğin, 1-2 mg/L’deki Cu’nun BOİ5 ölçümlerini önemli ölçüde baskıladığı gösterilmiştir; 1.2 mM’ye kadar olan daha yüksek seviyeler ise bazı mikrobiyal sistemlerde neredeyse tam (%100’e kadar) inhibisyon sağlayabilir. Benzer şekilde, kadmiyum (Cd) ve kurşun (Pb) güçlü toksisite sergiler; daha büyük etkiler gösteren Cu hariç, çeşitli metaller genelinde göreceli inhibisyon genellikle %40-60 arasında değişir.^[107]^[108]^[109]^[110]

Dezenfekte edilmiş çıkış sularında yaygın olarak bulunan artık klor gibi kimyasal inhibitörler, mikrobiyal hücre bileşenlerini oksitleyerek ve bakteriyel büyümeyi durdurarak, oksijen alımını engeller ve böylece BOİ sonuçlarını geçersiz kılar. Tespit edilebilir seviyeler kadar düşük klor kalıntıları, test için gerekli olan aşı mikroorganizmalarını öldürebilir veya yaralayabilir, bu da doğru ölçümler için ön arıtma gerektirir. ABD Çevre Koruma Ajansı (EPA) ve standart yöntemler, daha fazla parazite neden olmadan kalıntıları nötralize etmek için mg klor başına yaklaşık 10 mg dozajda sodyum tiyosülfat (Na₂S₂O₃) kullanılarak klorsuzlaştırma yapılmasını önerir. Fenoller ve pestisitler dahil olmak üzere organik toksikler, membran bozulması veya enzim inhibisyonu yoluyla mikrobiyal aktiviteyi daha da baskılar; doz-yanıt ilişkileri genellikle dehidrojenaz aktivitesinin veya büyümenin %50 inhibisyonuna neden olan konsantrasyon olan IC50 değerleri ile karakterize edilir. Örneğin, fenol, adapte olmamış biyokütlede yaklaşık 1.252 mg/L’lik bir IC50 sergilerken, 2,4-diklorofenol gibi daha toksik türevler 42 mg/L kadar düşük bir IC50’ye sahiptir ve pestisit 2,4-D, mikromolar konsantrasyonlarda BOİ deneylerinde inhibitör etkiler gösterir.^[111]^[112]^[113]^[114]^[115]

BOİ testlerinde toksisiteyi azaltma stratejileri, öncelikle inhibitör etkileri izole etmek ve düzeltmek için numune ön arıtma ve doğrulama tekniklerini içerir. Toksisite içermeyen seyreltici su ile seyreltme standart bir yaklaşımdır; BOİ değerleri daha yüksek seyreltmelerle artarsa (örneğin 20 mL’den 5 mL numune hacimlerine), bu toksisiteyi gösterir ve analistlerin geçerli seyreltmeleri seçmesine veya hesaplamaları buna göre ayarlamasına olanak tanır. Seri seyreltme serileri veya oksijen alım hızı için respirometrik kontroller gibi ayrı toksisite deneyleri, tam BOİ inkübasyonu olmadan paraziti doğrulayabilir; ancak endüstriyel uygulamalar için gerçek zamanlı izleme sağlayan ToxAlarm gibi özel testler ortaya çıkmaktadır. Azo boyalar ve ağır metaller içeren tekstil boyama atıkları gibi endüstriyel atık sular söz konusu olduğunda, boyalar mikrobiyal büyüme oranlarını %66.6’ya kadar azalttığı ve kendi kendini temizlemeyi bozduğu için inhibisyon %60-70’e ulaşabilir; bu da genellikle biyolojik testten önce kombine fiziksel-kimyasal ön arıtma gerektirir.^[116]^[117]^[118]^[119]

EPA onaylı yöntemler dahil olmak üzere düzenleyici çerçeveler (40 CFR Bölüm 136 kapsamında), uyum testi güvenilirliğini sağlamak için toksik numuneler için ön arıtmayı zorunlu kılar; klor, Cu gibi ağır metaller ve diğer inhibitörlerin seyreltme veya kimyasal nötralizasyon yoluyla uzaklaştırılmasını vurgular. Şüpheli toksisiteye sahip numuneler, tükenme kriterlerini karşılayan çoklu geçerli seyreltmeler yoluyla (en az 2 mg/L DO alımı ve 1 mg/L kalıntı) hiçbir parazit olmadığını göstermelidir; rehberlik, NPDES izinlerinde organik yüklerin eksik raporlanmasını önlemek için toksik maddelerin yokluğunu önceliklendirir. Bu protokoller, mikrobiyal canlılığı ve doğru çevresel değerlendirmeleri sürdürmek için ön arıtmanın altını çizen Amerikan Halk Sağlığı Derneği’nin standart yöntemleriyle uyumludur.^[120]^[44]^[118]

Mikrobiyal Canlılık Gereksinimleri

Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) testinde, organik madde bozunumu sırasında oksijen tüketiminin doğru ölçümü için mikroorganizmaların canlılığı esastır. Temiz yüzey suyu veya yeraltı suyu gibi numunelerdeki yerli mikroplar, genellikle mevcut spesifik organikleri tam olarak oksitlemek için gereken metabolik çeşitlilikten yoksundur ve bu da eksik BOİ kullanımına yol açar. Bunu ele almak için, aktif çamur veya benzeri atık su kaynaklarından alıştırılmış mikrobiyal popülasyonlarla aşılama (seeding) yapılması önerilir; tipik olarak aşırı endojen solunum olmadan yeterli biyokütle sağlamak için numune hacminin %1-5’i oranında kullanılır.^[121]

Aşı mikroplarının alıştırılması (aklimasyon), numunenin organik substratlarına adaptasyonlarını artırarak bozunma verimliliğini ve tekrarlanabilirliği iyileştirir. Bu süreç, aşıyı atık su tipine, BOİ değerleri yüksek ve tutarlı bir seviyede stabilize olana kadar birkaç gün veya hafta boyunca önceden maruz bırakmayı içerir; bu da başarılı adaptasyonu gösterir. Benzer atık suları işleyen arıtma tesislerinden alınan aktif çamur, karmaşık organikleri parçalayabilen çeşitli heterotrofik bakteri konsorsiyumu içerdiği için ideal bir aşı kaynağı görevi görür.^[44]^[122]

İnkübasyon süresi boyunca mikrobiyal canlılığın sürdürülmesi, test tamamlandığında çözünmüş oksijen seviyelerinin 1 mg/L’nin üzerinde kalmasını ve 20°C’de 9 mg/L’ye yakın başlangıç doygunluğunu sağlamak için yeterli havalandırma dahil olmak üzere optimal çevresel koşulları gerektirir. Seyreltme suyunda besin takviyesi kritiktir; besin sınırlaması olmadan bakteriyel büyümeyi desteklemek için fosfat tamponu (azot için amonyum klorür ve fosfor için çeşitli fosfatlar içeren) aracılığıyla standart bir BOİ:N:P oranı 100:5:1 sağlanır. Tampon ayrıca 20°C’deki 5 günlük inkübasyon boyunca pH stabilitesini 6.5 ile 7.5 arasında tutar, çünkü sapmalar mikrobiyal aktiviteyi engelleyebilir.^[32]^[123]^[124]

Aşılama protokolleri, çökelmiş aktif çamur gibi aşı materyalinin seyreltme suyuna karıştırılmasını ve endojen solunumu hesaba katmak için bir aşı kontrolü veya şahit testi yoluyla oksijen alımının belirlenmesini içerir. Aşı BOİ’si, şu formül kullanılarak numune BOİ’sinden çıkarılır: Numune BOİ = (Numune DO tükenmesi – Aşı düzeltme faktörü) / seyreltme faktörü; burada düzeltme faktörü (aşı DO tükenmesi × numune aşı hacmi / toplam şişe hacmi)’dir. Bu, ölçülen BOİ’nin yalnızca numunenin organik yükünü yansıtmasını sağlar. Tekrarlanabilir sonuçlar için aşı, %2’lik bir seyreltmede en az 180 mg/L’lik bir BOİ uygulamalı ve aktivitesini doğrulamalıdır.^[39]^[44]

Doğal mikrobiyal biyokütlenin düşük olduğu yeraltı suları gibi oligotrofik numunelerde, aşısız testler genellikle yetersiz ayrıştırıcılar nedeniyle BOİ’yi eksik tahmin eder; bu da en az 2 mg/L oksijen tükenmesi elde etmek için aşılama veya uzun süreli alıştırma yoluyla zenginleştirmeyi gerektirir. Bu olmadan test, minimum DO tüketimi gibi kalite kriterlerini karşılayamayabilir.^[125]^[126]

Gelişmiş yaklaşımlar, özellikle azotlu BOİ (NBOD) ölçümü için tanımlanmış mikrobiyal konsorsiyumların kullanımını içerir; burada Nitrosomonas ve Nitrobacter gibi spesifik nitrifiye edici bakteriler, amonyağın nitrata tekrarlanabilir oksidasyonunu sağlamak için yetiştirilir. Bu konsorsiyumlar, heterojen doğal aşılardan kaynaklanan değişkenliği en aza indirerek tutarlı NBOD değerleri sağlar.^[127]^[128]

APHA Standart Yöntemleri’nde belirtilen en iyi uygulamalar, canlılığı korumak için aşının 4°C’de 1 haftaya kadar saklanmasını ve glikoz-glutamik asit standartları aracılığıyla periyodik aktivite kontrollerini önerir. Aşı ve seyreltme suyunun toksisite taraması da tavsiye edilir; hiçbir inhibitör etkinin 0.1 mg/L oksijen alımı parazitini aşmadığını doğrulamak için aşılı bir şahit kullanılır.^[44]^[129]