Реферат: Биохимическое потребление кислорода, как критерий чистоты воды

Биохимическое потребление кислорода, как критерий чистоты воды

Лариса Ивченко

Одним из критериев чистоты воды является параметр «биохимическое потребление кислорода» или БПК. Этот критерий свидетельствует о содержании в воде примесей органических веществ, что имеет значение для качества не только пищевой, но и технической воды, в частности, находящей применение в теплоэнергетике при коммунальном теплоснабжении.

Среди возможных органических загрязнителей воды могут быть фенолы, формальдегид и другие альдегиды, различные соединения ароматического строения, низшие спирты, некоторые виды нефтепродуктов, а также соединения, имеющие сульфогруппу. Некоторые из органических соединений имеют высокую токсичность и могут вызвать отравление при употреблении такой как питьевой. Кроме того, примеси органических веществ вызывают ускорение протекания коррозийных процессов металлов и способствуют образованию накипи. Ряд органических соединений способны катализировать процесс коррозийного разрушения металлов в условиях водоснабжения и теплоснабжения.

Кроме того, органические вещества, находящиеся в воде в виде примесей, могут участвовать в химических реакциях под действием дезинфицирующих агентов, таких как активный хлор или озон. В результате происходит, так называемое, «вторичное хлорирование» или «жесткое окисление», которое часто приводит к образованию ядовитых и химически устойчивых соединений.

Примеси органических веществ присутствуют в природных водах, которые добываются из открытых водозаборов. Естественными источниками таких загрязнений могут быть останки растений и животных водной среды обитания, или попавшие в нее, в том числе со сточными водами. Существенную долю загрязнений могут составлять примеси органических веществ, попавшие в нее в результате деятельности промышленных предприятий и сельскохозяйственных ферм.

Оценка содержания органических веществ в воде

На станциях водоочистки часто для оценки качества воды по содержанию в ней примесей органических веществ используют косвенные характеристики, такие как запах, привкус, мутность и цветность. Однако эти органолептические характеристики лишь отдаленно могут свидетельствовать о количественном содержании в воде органических соединений. Критерий БПК с этой точки зрения гораздо более информативен.

Процесс окисления примесей воды может протекать в различных условиях: при воздействии кислорода, генерируемого каким-либо образом, либо за счет кислорода, растворенного в самой воде. При окислении органических примесей воды растворенным в ней кислородом происходит, так называемое, биологическое разрушение загрязнений, в котором участвуют присутствующие там микроорганизмы. Окисление протекает до разных стадий превращения и с различными скоростями. О его завершении продуктивно судить по убыли концентрации растворенного в воде кислорода.

Природные воды в определенных концентрациях содержат растворенный кислород. Содержание растворенного кислорода в природных водоемах поддерживается за счет поступления кислорода из воздуха и произрастания водных растений. Также в этой воде находятся микроорганизмы, в частности аэробные и анаэробные бактерии. Первому виду бактерий для своей жизнедеятельности необходим свежий приток кислорода, а второй вид обходится без его доступа. При нахождении в воде загрязнений органическими веществами под действием растворимого кислорода и микроорганизмов происходит биологическое окисление, заканчивающееся образованием двуокиси углерода и воды.

По сути БПК - это то количество кислорода, которое расходуется за определенное время на аэробное окисление под действием микроорганизмов органических веществ, содержащихся в воде.

Методика анализа БПК

Если взять пробу воды и поместить ее в изолированную от внешнего воздуха емкость, то в этой пробе за счет только растворенного кислорода и присутствующих анаэробных бактерий будет происходить биологическое окисление загрязнений органических веществ. Лимитирующим параметром в этом процессе выступает лишь остаточная концентрация растворимого кислорода. Поэтому по временной убыли этого реагента можно будет судить о степени загрязнения данного вида природной воды примесями органических веществ. Таким образом, степень загрязнения воды органическими веществами будет определяться необходимым количеством кислорода, которое потребуется для биологического их окисления в аэробных условиях.

В зависимости от способности органических примесей реагировать с растворимым в воде кислородом различают мягкое, среднее и жесткое биологическое окисление. К биохимически мягкому окислению, которое охватывает самые легкоокисляемые органические продукты, обычно относят такие возможные примеси воды, как формальдегид, низшие алифатические спирты, фенол и форфурол. Среднее положение занимают ароматические примеси, такие как крезолы, нафтолы, ксиленолы, резорцин пирокатехин, а также различные анионные поверхностно-активные вещества. К категории медленно разрушающихся органических примесей воды, требующие жесткого биохимического окисления, обычно включают примеси гидрохинона, сульфанола и неионогенные поверхностно-активные вещества.

Поскольку скорость биологического окисления для каждого вида органических примесей воды различна, то для получения корректного значения БПК требуется проведение измерения в различные периоды времени. Обычно измерение биологического потребления кислорода проводят после 5 и 10 суток инкубации - времени выдержки в регламентированных условиях, а также при полном, завершенном, процессе окисления. Для этих измерений значение биологического потребления кислорода обозначается с помощью индексов: БПК5 , БПК10 и БПКполн.. В большинстве случаев с увеличением времени инкубации величина БПК возрастает, достигая некоторого максимального значения. К сожалению, на многих станциях водоочистки при определении биологического потребления кислорода ограничиваются лишь измерением БПК5. Однако более информативной характеристикой состояния воды будет сопоставление результатов в различные периоды времени инкубации, в частности, БПК 10 и величина соответствующая БПКполн. В тех же случаях, когда измерение биологического потребления кислорода не делают вообще, то в этих случаях используют эмпирическое соотношение, согласно которому величина БПК5 составляет 70 % от значения БПКполн. Но, как показали практические наблюдения, такое соотношение наблюдается лишь для поверхностных водоёмов, загрязненных преимущественно хозяйственно-бытовыми сточными водами. В тех же случаях, когда поверхностные водоемы загрязнены другими видами стоков, соотношение БПК5/БПК10 может меняться в пределах от 10 % до 90 %.

Помимо времени инкубации на процесс биологического потребления кислорода значительное влияние оказывает температура, при которой происходит выдержка пробы. Как известно из научной литературы увеличение температуры на 10 0С градусов может привести к возрастанию скорости процесса в 2-3 раза. Поэтому выдержку пробы следует производить в строго регламентируемых условиях. Обычно инкубация производится при 20 ± 10 С . Кроме этого в определение значение биохимического потребления кислорода вносят искажения микроорганизмы, на жизнедеятельность которых влияет внешнее освещение, а также и сам процесс фотохимическое окисление примесей, протекающий под действием внешнего светового облучения. Чтобы избежать этого выдержку склянки с испытуемой водой следует держать в темноте.

Расчёт значений БПК основан на вычислении разницы между величиной концентрации растворимого кислорода в момент отбора пробы воды, и в различные периоды времени инкубации. Обычно для определения биологического потребления кислорода производят отбор пробы испытуемой воды, которую помещают в кислородную склянку с притертой крышкой, то есть в той посуде, где производят определение концентрации растворенного кислорода без попадания его извне.

Как известно из технической литературы определение концентрации растворенного в воде кислорода может производиться различными методами, одним из которых является метод йодометрического титрования. При йодометрии определяют массу кислорода растворенного кислорода в 1 литре пробы воды. Поэтому результаты получают с размерностью мг О2/л. Этот метод определения растворимого кислорода носит название «метод Винклера». Среди других методов определения концентрации кислорода, растворенного в воде, метод Винклера является, пожалуй, самым старым, но он до сих пор не потерял своей ценности, и поэтому достаточно часто используется при оценке качества природной воды. Химическая сущность этого метода заключается в следующем. Для анализа используется свежеосажденная гидроокись Mn (II):

Mn2+ + 2OH- = Mn(OH)2 (щелочная среда).

загрязнитель вода кислород биохимический

Полученная гидроокись достаточно активно реагирует с кислородом, растворенным в воде:

2Mn(OH)2 + O2 = 2(MnO2 * H2O)

В дальнейшем гидратированный диоксид марганца в кислой среде реагирует с анионом йода в количествах эквивалентных содержанию в воде растворенного кислорода:

(MnO2 * H2O) + 4H+ + 2I- = Mn2+ + I2 +3H2 O

Образующийся молекулярный йод немедленно реагирует с анионом йода, а затем его количество определяется титрованием раствором тиосульфата:

I2 + I- = (I3) -

(I3)- + 2 (S2 O3 ) 2 - = 3I- + (S4O6)2 -

Погрешность этого метода зависит от исходного содержания растворимого кислорода. Так, при малых концентрациях около 0,05 мг О2/ л погрешность составляет ~30 %. При повышении концентрации растворимого кислорода до 0,2-0,3 мгО2/л, погрешность определения уже понижается до 10-20 %, а при 0,8-1,7 мгО2 /л она уже составляет 3-5 %. Дальнейшее повышение исходного содержание растворимого кислорода до 3 мг О2/л и более приводит к последующему понижению погрешности до 1 %.

Проведению данного анализа мешают некоторые примеси, которые могут находиться в воде. В первую очередь это касается примесей железа. Так, соединения железа (2) на стадии фиксации кислорода могут выступать, как конкурентные реагенты по отношению к соединению марганца (4).

Fe+ 2 + O2 = Fe+ 3 + O- 2

Однако катионы Fe+ 3, образующиеся в результате химической реакции примесей железа с растворимым кислородом, в кислой среде обладают значительно меньшей активностью по отношению к аниону йода, что будет оказывать влияние на величину БПК. Поэтому при содержании примесей железа (2) в воде более 25 мг / л необходимо использовать добавки фторидов или фосфорной кислоты. Искажение результатов данного анализа также может наблюдаться при высокой общей концентрации примесей органических веществ (окисляемость 15-30мгО2/л), и в присутствии примесей сульфидов.

Достаточно сильное влияние на точность определение величины концентрации растворимого кислорода оказывает присутствие в воде примесей нитратов, особенно в концентрациях азота более 0,1 мг / л. Важно отметить, что присутствие в воде этого вида примесей вызвано не, сколько техногенным влиянием деятельности человека, сколько жизнедеятельностью нитрифицирующих бактерий - Nitrozomonas, Nitrobacter и некоторых других. Эти бактерии, которые присутствуют в природных водах, обеспечивают окисление азотсодержащих соединений, которые часто поступают в природные водоёмы со стоками. Нитрифицирующие бактерии катализирую процесс окисления аммонийных соединений сначала в нитриты

2(NН4)+ + 3О2 = 2НNО2 + 2Н2О + 2Н+,

которые затем окисляются до нитратов

(NО2)- + О2 = (NО3)-

Процесс нитрификации протекает параллельно с биологическим окислением при инкубации пробы в кислородных склянках. При этом количество кислорода, пошедшее на нитрификацию, может в несколько раз превышать количество кислорода, требуемое для биохимического окисления органических углеродсодержащих соединений. Однако процесс нитрификации начинается несколько позже, чем биологическое окисление. Поэтому при определении БПК при больших сроках инкубации в пробу воды необходимо вводить ингибиторы, подавляющие жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий, но не влияющие на обычную микрофлору. В качестве ингибитора часто применяют тиомочевину в концентрации 0,5 мг/мл.

Помимо метода определения растворимого в воде кислорода на основе йодометрии в настоящее время часто используются другие инструментальные методы анализа. Часто для установления концентрации растворимого кислорода пользуются потенциометрические методы измерения, которые реализуются в датчиках растворимого кислорода. В основу этих приборов положен метод определения диффузионного тока при восстановлении на отрицательно заряженном электроде растворимого в воде кислорода. Такие приборы просты и компактны, однако они обладают достаточно высокой инерционностью. Еще одним недостатком этих приборов является то, что их нельзя использовать в присутствии взвешенных и окрашенных примесей, а также биологически активных веществ и загрязнений, обладающих свойствами окислителей и восстановителей.

БПК И ХПК

По величине биохимического потребления кислорода можно судить о чистоте воды поверхностного водоёма. Чем выше значение БПК, тем больше в такой природной воде загрязнений, способных к биологическому окислению (табл. 1).

Таблица 1. Оценка чистоты воды водоемов по величине БПК

Также биохимическое потребление кислорода является параметром качества воды питьевого и технического назначения. Так, согласно ГОСТ 2761-84 «Источники централизованного и хозяйственно- питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора», вода в зависимости от класса пригодности для хозяйственно-питьевого водопользования должна иметь полное биологическое потребление кислорода (БПКполн) от 3,0 мг O₂ /л до 7,0 мг O₂ /л . Интересно, но в то же время согласно ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством» и Сан П и Н 2.1.4.559-96 значение БПК не регламентируется, вероятно, подразумевая, что оно должно иметь нулевое значение. Одновременно с этим одним из требований водоподготовки для котельных установок является, чтобы вода имела значение БПК 5 от 0,36 мг O₂ / л до 2,9 мг O₂ / л.