Биохимическое потребление кислорода (БПК) - Петин А.Н. и др. Анализ и оценка качества поверхностных вод
23.08.2018
А.Н. Петин, М.Г. Лебедева, О.В. Крымская
Анализ и оценка качества поверхностных вод Учебное пособие. – Белгород: Изд-во БелГУ, 2006. – 252 с.1.3.1. 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 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 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 % 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 (табл.17).
Для водоемов, загрязненных преимущественно хозяйственно-бытовыми сточными водами, БПК5 составляет обычно около 70% БПКполн.
Таблица 17
Величины БПК5 в водоемах с различной степенью загрязненности [1]
|
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. 2).
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:
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 (см. рис. 2), 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.
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) 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.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 определение БПК 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 варианте предлагаемый 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 веществ в 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.
Оборудование и реактивы
Оборудование, реактивы и принадлежности для определения растворенного кислорода методом Винклера; кислородные калиброванные склянки для инкубирования проб; чашки Петри; термостат-инкубатор, обеспечивающий поддержание температуры (20±1)°С.
Проведение анализа
1. Отберите пробы воды в кислородные склянки (не менее 3 шт.), как описано в методе определения РК.
Примечание. Для получения представительной пробы отбор проб воды проводите, по возможности, на удалении от берегов, дна, водных растений и т.п., которые могут быть источниками выделений в воду органических веществ и/ или микроорганизмов.
2. В первой склянке сразу же фиксируйте кислород и определите концентрацию РК.
3. Другие склянки – инкубационные (две или больше) поместите в темноте в инкубатор через водяной затвор из чашки Петри, как показано на рисунке (это воспрепятствует контакту воды в склянке с воздухом).
Примечание. Инкубации желательно подвергнуть несколько проб, т.к. в случае получения ошибочных результатов (об этом можно судить по сходимости анализов проб) выполнить анализ повторно будет уже невозможно.
4. По истечении 5 суток инкубации в склянках определите концентрацию остаточного РК как среднее арифметическое результатов по каждой инкубационной склянке.
5. Рассчитайте значение БПК5 в мг/л по формуле:
БПК5=С1-С2,
где С1 – концентрация РК в первоначальной пробе, мг/л; С2 – средняя концентрация РК по истечении периода инкубации, мг/л.
