В начало

Биохимическое потребление кислорода

 

В природной воде водоемов всегда присутствуют органи­ческие вещества. Их концентрации могут быть иногда очень малы (например, в родниковых и талых водах). Природными источника­ми органических веществ являются разрушающиеся останки орга­низмов растительного и животного происхождения как живших в воде, так и попавших в водоем с листвы, по воздуху, с берегов и т.п. Кроме природных, существуют также техногенные источники органических веществ: транспортные предприятия (нефтепродук­ты), целлюлозно-бумажные и лесоперерабатывающие комбинаты (лигнины), мясокомбинаты (белковые соединения), сельскохозяйственные и фекальные стоки и т.д. Органические загрязнения попа­дают в водоем разными путями, главным образом со сточными во­дами и дождевыми поверхностными смывами с почвы.

В естественных условиях находящиеся в воде органичес­кие вещества разрушаются бактериями, претерпевая аэробное биохимическое окисление с образованием двуокиси углерода. При этом на окисление потребляется растворенный в воде кислород. В водоемах с большим содержанием органических веществ боль­шая часть РК потребляется на биохимическое окисление, лишая таким образом кислорода другие организмы. При этом увеличи­вается количество организмов, более устойчивых к низкому со­держанию РК, исчезают кислородолюбивые виды и появляются виды, терпимые к дефициту кислорода. Таким образом, в процес­се биохимического окисления органических веществ в воде про­исходит уменьшение концентрации РК, и эта убыль косвенно яв­ляется мерой содержания в воде органических веществ. Соответствующий показатель качества воды, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ, называется биохимическим потреблением кислорода (БПК).

Степень загрязнения воды органическими соединениями определяют как количество кислорода, необходимое для их окисления микроорганизмами в аэробных условиях. Биохимическое окисление различных веществ происходит с различной скоростью. К легкоокисляющимся («биологически мягким») веществам относят формальдегид, низшие алифатические спирты, фенол, фурфурол и др. Среднее положение занимают крезолы, нафтолы, ксиленолы, резорцин, пирокатехин, анионоактивные ПАВ и др. Медленно разрушаются «биологически жесткие» вещества, такие, как гидрохинон, сульфанол, неионогенные ПАВ и др.

Определение БПК основано на измерении концентрации РК в пробе воды непосредственно после отбора, а также после инку­бации пробы. Инкубацию пробы проводят без доступа воздуха в кислородной склянке (т.е. в той же посуде, где определяется значе­ние РК) в течение времени, необходимого для протекания реакции биохимического окисления. Так как скорость биохимической ре­акции зависит от температуры, инкубацию проводят в режиме по­стоянной температуры (20 ± 1) °С, причем от точности поддержания значения температуры зависит точность выполнения анализа на БПК. Обычно определяют БПК за 5 суток инкубации (БПК5), однако содержание некоторых соединений более информативно характеризуется величиной БПК за 10 суток или за период полно­го окисления (БПК10 или БПКполн соответственно). Погрешность в определении БПК может внести также освещение пробы, влияю­щее на жизнедеятельность микроорганизмов и способное в некото­рых случаях вызывать фотохимическое окисление. Поэтому инку­бацию пробы проводят без доступа света (в темном месте).

Величина БПК увеличивается со временем, достигая неко­торого максимального значения БПКполн, причем загрязнители различной природы могут повышать (понижать) значение БПК.

Динамика биохимического потребления кислорода при окисле­нии органических веществ в воде приведена на рисунке ниже.

 

 

а – легкоокисляющиеся вещества – сахара, формальдегид, спирты, фенолы и т.п.;
в – нормально окисляющиеся вещества – нафтолы, крезолы, аниогенные ПАВ, сульфанол и т.п.;

с – тяжело окисляющиеся вещества – неионогенные ПАВ, гидрохинон и т.п.

Рис. Динамика биохимического потребления кислорода

 

Таким образом, БПК – количество кислорода в миллиметрах, требуемое для окисления находящихся в 1 л воды органи­ческих веществ в аэробных условиях, без доступа света, при 20 ºС, за определенный период в результате протекающих в воде биохимических процессов. Ориентировочно принимают, что БПК5 составляет около 70 % БПКполн, но может составлять от 10 до 90 % в зависимости от окисляющегося вещества.

В лабораторных условиях наряду с БПКполн определяется БПК5 – биохимическая потребность в кислороде за 5 суток.

В поверхностных водах величины БПК5 изменяются обычно в пределах 0,5–4 мг O2/дм3 и подвержены сезонным и суточным колебаниям.

Сезонные колебания зависят в основном от изменения температуры и от исходной концентрации растворенного кислорода. Влияние температуры сказывается через ее воздействие на скорость процесса потребления, которая увеличивается в 2–3 раза при повышении температуры на 10 oC. Влияние начальной концентрации кислорода на процесс биохимического потребления кислорода связано с тем, что значительная часть микроорганизмов имеет свой кислородный оптимум для развития в целом и для физиологической и биохимической активности.

Суточные колебания величин БПК5 также зависят от исходной концентрации растворенного кислорода, которая может в течение суток изменяться на 2,5 мг О2/дм3 в зависимости от соотношения интенсивности процессов его продуцирования и потребления. Весьма значительны изменения величин БПК5 в зависимости от степени загрязненности водоемов.

Для водоемов, загрязненных преимущественно хозяйственно-бытовыми сточными водами, БПК5 составляет обычно около 70 % БПКполн.

 

Таблица. Величины БПК5 в водоемах с различной степенью загрязненности

Степень загрязнения
(классы водоемов)

БПК5,
мг O2/дм3

Очень чистые

0,5–1,0

Чистые

1,1–1,9

Умеренно загрязненные

2,0–2,9

Загрязненные

3,0–3,9

Грязные

4,0–10,0

Очень грязные

10,0

 

В зависимости от категории водоема величина БПК5 регламентируется следующим образом: не более 3 мг O2/дм3 для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования и не более 6 мг O2/дм3 для водоемов хозяйственно-бытового и культурного водопользования. Для морей (I и II категории рыбохозяйственного водопользования) пятисуточная потребность в кислороде (БПК5) при 20 оС не должна превышать 2 мг O2/дм3.

Определение БПК5 в поверхностных водах используется с целью оценки содержания биохимически окисляемых органических веществ, условий обитания гидробионтов и в качестве интегрального показателя загрязненности воды. Необходимо использовать величины БПК5 при контролировании эффективности работы очистных сооружений.

БПКполн. Полным биохимическим потреблением кислорода (БПКполн.) считается количество кислорода, требуемое для окисления органических примесей до начала процессов нитрификации. Количество кислорода, расходуемое для окисления аммонийного азота до нитритов и нитратов, при определении БПК не учитывается. Для бытовых сточных вод (без существенной примеси производственных) определяют БПК20, считая, что эта величина близка к БПКполн.

Полная биологическая потребность в кислороде БПКполн. для внутренних водоемов рыбохозяйственного назначения (I и II категории) при 20оС не должна превышать 3 мг O2/дм3.

Особенностью биохимического окисления органических веществ в воде является сопутствующий ему процесс нитрифика­ции, искажающий характер потребления кислорода.

Рис. Изменение характера потребления кислорода при нитрификации

Рис. Изменение характера потребления кислорода при нитрификации

 

Нитрификация протекает под воздействием особых нитри­фицирующих бактерий – Nitrozomonas, Nitrobacter и др. Эти бак­терии обеспечивают окисление азотсодержащих соединений, кото­рые обычно присутствуют в загрязненных природных и некоторых сточных водах, и тем самым способствуют превращению азота сна­чала из аммонийной в нитритную, а затем и нитратную формы. Соответствующие процессы описываются уравнениями:

 

2NН4++3О2 = 2НNО2+2Н2О+2Н++Q,

NО22=2НNО3+Q,

 

где Q – энергия, высвобождающаяся при реакциях.

Процесс нитрификации происходит и при инкубации пробы в кислородных склянках. Количество кислорода, пошедшее на нит­рификацию, может в несколько раз превышать количество кислоро­да, требуемое для биохимического окисления органических углеродсодержащих соединений. Начало нитрификации можно зафик­сировать по минимуму на графике суточных приращений БПК за период инкубации. Нитрификация начинается приблизительно на 7-е сутки инкубации, поэтому при определении БПК за 10 и более суток необходимо вводить в пробу специальные вещества – ингибиторы, подавляющие жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий, но не влияющие на обычную микрофлору (т.е. на бакте­рии-окислители органических соединений). В качестве ингибито­ра применяют тиомочевину (тиокарбамид), который вводят в пробу либо в разбавляющую воду в концентрации 0,5 мг/мл.

В то время как и природные, и хозяйственно-бытовые сточ­ные воды содержат большое количество микроорганизмов, спо­собных развиваться за счет содержащихся в воде органических веществ, многие виды промышленных сточных вод стерильны, или содержат микроорганизмы, которые не способны к аэробной переработке органических веществ. Однако микробы можно адап­тировать (приспособить) к присутствию различных соединений, в том числе токсичных. Поэтому при анализе таких сточных вод (для них характерно, как правило, повышенное содержание орга­нических веществ) обычно применяют разбавление водой, насы­щенной кислородом и содержащей добавки адаптированных мик­роорганизмов. При определении БПКполн промышленных сточных вод предварительная адаптация микрофлоры имеет решающее значение для получения достоверных результатов анализа, т.к. в состав таких вод часто входят вещества, которые силь­но замедляют процесс биохимического окисления, а иногда оказывают токсическое действие на бактериальную микрофлору.

Для исследования различных промышленных сточных вод, которые трудно подвергаются биохимическому окислению, ис­пользуемый метод может применяться в варианте определения полного БПК (БПКполн).

Если в пробе очень много органических веществ, к ней добавляют разбавляющую воду. Для достижения максимальной точности анализа БПК анализируемая проба или смесь пробы с разбавляющей водой должна содержать такое количество кисло­рода, чтобы во время инкубационного периода произошло сни­жение его концентрации на 2 мг/л и более, причем остающаяся концентрация кислорода спустя 5 суток инкубации должна составлять не менее 3 мг/л. Если же содержание РК в воде недостаточно, то пробу воды предварительно аэрируют для насыщения кислородом воздуха. Наиболее правильным (точным) считается результат такого определения, при котором израсходовано око­ло 50 % первоначально присутствовавшего в пробе кислорода.

В поверхностных водах величина БПК5 колеблется в пре­делах от
0,5 до 5,0 мг/л; она подвержена сезонным и суточным
изменениям, которые, в основном, зависят от изменения темпера­туры и от физиологической и биохимической активности микро­организмов. Весьма значительны изменения БПК5 природных во­доемов при загрязнении сточными водами.

Норматив на БПКполн не должен превышать: для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования – 3 мг/л, для водоемов культурно-бытового водопользования – 6 мг/л. Соответственно можно оценить предельно допустимые значения БПК5 для тех же водоемов, равные примерно 2 мг/л и 4 мг/л.

 


MasterCard Virtual 3 + Выписка
MasterCard Virtual 3 + Выписка


Разблокировка МТС SMART Sprint
Разблокировка МТС SMART Sprint


XBOX Live 1000 рублей (RUS)
XBOX Live 1000 рублей (RUS)