Биохимическое потребление кислорода (БПК)

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 БПК_полн 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 БПК_полн, причем загрязнители различной природы могут повышать (понижать) значение БПК. Динамика биохимического потребления кислорода при окисле­нии органических веществ в воде приведена на рис. 1.

Рис. 1. Динамика биохимического потребления кислорода:

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.

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 %БПК_полн, но может составлять от 10 до 90 % в зависимости от окисляющегося вещества.

В лабораторных условиях наряду с БПК_полн 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 (табл.17).

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

Таблица 17

Величины БПК₅ в водоемах с различной степенью загрязненности [1]

Степень загрязнения (классы водоемов)	БПК5, мг O2/дм^3
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.

БПК_полн. Полным биохимическим потреблением кислорода (БПК_полн.) 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 БПК_полн.

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

Особенностью биохимического окисления органических веществ в воде является сопутствующий ему процесс нитрифика­ции, искажающий характер потребления кислорода (рис. 2).

Нитрификация протекает под воздействиемособых 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,

2НNО₂+О₂=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 длябиохимического окисления органических углеродсодержащих соединений. Начало нитрификацииможно зафик­сировать по минимуму на графике суточных приращений БПК за период инкубации. Нитрификацияначинается приблизительно на 7-е сутки инкубации (см. рис. 2), поэтому при определении БПК за 10 и более суток необходимо вводить в пробу специальныевещества – 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.

	полн.

Рис. 2. Изменение характера потребления кислорода при нитрификации

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) обычноприменяют разбавление водой, насы­щенной кислородом и содержащей добавки адаптированных мик­роорганизмов. При определении БПК_полн 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 (БПК_полн).

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 инкубационногопериода 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 БПК_полн 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.

Определение концентрации растворенного кислорода при анализе воды на БПК может выполняться различными методами. Наиболее распространен для определения РК при анализе БПК метод йодометрического титрования – метод Винклера (подроб­но описан в разделе «Растворенный кислород»).

Мешающее влияние на определениеБПК оказывают про­цессы, происходящие в пробе в промежуток времени между отбо­ром пробы и ее обработкой в лаборатории. Для исключения этого влияния начинать определение необходимо сразу же на месте от­бора пробы. При этом следует соблюдать те же условия, что и при работе в лаборатории (хранение пробы в темноте, без доступа воздуха, при температуре 20°С).

Поскольку анализ на БПК связан с определением РК, ме­шающее влияние на результат анализа могут оказывать те же при­меси, которые мешают точному определению РК (взвешенные и окрашенные вещества, биологически активные взвешенные вещества, восстановители и окислители). Следует отметить, что мешающее влияние указанные компоненты оказы­вают, как правило, в концентрациях, встречающихся только в сточных и загрязненных поверхностных водах.

В полевом вариантепредлагаемый метод определения БПК предусматривает определение БПК₅ для относительно не­загрязненных и обычно достаточно насыщенных кислородом при­родных поверхностных вод, поэтому аэрация проб, добавление разбавляющей воды и введение ингибиторов нитрификации не проводятся. Используемый метод применяется в том числе для арбитражного анализа поверхностных и сточных вод при содер­жании органических веществ, соответствующем потреблению кислорода на их окисление до 6 мг/л. Однако при высоком содер­жании органических веществв воде данный метод в предлагае­мом, упрощенном, варианте не может дать точных результатов (весь РК расходуется еще до окончания 5-дневной инкубации), поэтому необходимо применять разбавление пробы незагрязнен­ной аэрированной водой.

Альтернативным методом определения БПК может быть метод с электродным (потенциометрическим) измерением концен­трации РК с помощью оксиметра. При этом следует иметь в виду все вышеизложенные особенности БПК как показателя качества воды, также биохимические процессы, протекающие в пробе.

Дата добавления: 2014-12-26