Главная / Что нужно знать о БПК?

Что нужно знать о БПК?

Теоретические основы манометрического метода определения БПК

Определение биохимического потребления кислорода всегда являлось темой обсуждений. Как правило, в большинстве образцов воды потребление кислорода ограничено лишь количеством присутствующих органических веществ, способных окисляться в присутствии кислорода. Именно в таких случаях при температуре инкубации 20±1°С расход кислорода может быть интерпретирован как БПК.
Что нужно знать о БПК?
Метод определения БПК основан на способности микроорганизмов потреблять растворенный кислород при биохимическом окислении веществ в воде. БПК определяют количеством кислорода в мг/мл, которое требуется для окисления находящихся в воде углеродосодержащих органических веществ, в аэробных условиях, т.е. при постоянном доступе воздуха. За БПКполн принимается окончательная минерализация биохимически окисляющихся веществ до начала процесса нитрификации. Уменьшение содержания кислорода за определенный период инкубации в темном месте, при контрольной температуре, в полностью заполненной и герметически закрытой склянке, главным образом обусловлено протекающими в аэробных условиях бактериальными биохимическими процессами, которые приводят к минерализации органического вещества.

Биологические основы определения БПК

Основное отличие определения БПК от остальных измерений заключается в том, что изменяются не столько химические или физические характеристики системы, сколько биологические. Биохимическое потребление кислорода происходит вследствие окисления микроорганизмами органических веществ. Бактериям необходимы вполне определенные условия жизни, также как человеку и остальным формам жизни. Однако условия жизни и функционирования бактерий могут быть различными, вплоть до экстремальных, т.к. микроорганизмы очень легко приспосабливаются. В связи с тем, что более высокоорганизованные формы жизни приспосабливаются хуже, основную долю биологической культуры обычно составляют бактерии и различные инфузории, но могут присутствовать также рачки и даже черви.
Что нужно знать о БПК?
Что нужно знать о БПК?
Оптимальными условиями для микроорганизмов, которые обычно присутствуют в водах городского происхождения, являются pH в районе нейтрального, а также сбалансированное содержание питательных веществ (включая фосфор и азот), которое обеспечивается с поступлением загрязненной воды. Также микроорганизмы чувствительны к колебаниям температуры – последние отражаются на численности популяции. В связи с этим понятно, почему операторы установок биологической очистки так стремятся оградить биологические культуры от агрессивных воздействий. И именно поэтому определение БПК следует проводить, исключая возможность нанесения вреда адаптированным биологическим культурам. Очень важно, чтобы флора была совместима с исследуемой водой. Для этого используют микроорганизмы, “знакомые” с водой данного образца, т.е. адаптировавшиеся к ней. Воды, содержащие ингибирующие, дезинфицирующие или токсичные вещества, губят микробиологическую культуру. Поэтому такие воды не имеют БПК. Результаты измерений БПК в таких водах могут быть лишь характеристикой токсичности растворенных веществ.

Манометрическое определение БПК.

Определение БПК предполагает разложение углеродсодержащих органических веществ микроорганизмами. Основным приложением манометрического метода является анализ сточных вод и биологических очистных установок. Манометрический метод определения БПК в бутыли соответствует процессу, протекающему на очистных сооружениях, но в сильно уменьшенном виде. В то же время, данный анализ можно применять для различных водных сред, например, природных вод, а также искусственно созданных растворов. Период измерения можно варьировать в широком временном диапазоне в зависимости от преследуемой цели. Для оценки эффективности системы биологической очистки на станциях аэрации в Европе обычно используют БПК5, в Скандинавских странах – БПК7, в России – БПК5, БПК20 или БПКполн. Различные времена инкубирования имеют свои положительные и отрицательные стороны. В каждом случае образцы вод термостатируются в течение всего времени инкубирования при 20°С.
Основы
По сравнению с остальными методами, данный отличается максимальной приближенностью к природным условиям биологического разложения растворенных органических веществ. Воздействие на образец воды сведено к минимуму. Кроме масштаба, процессы, протекающие при биологической очистке на станциях аэрации и при измерении БПК с помощью OxiTop, отличаются тем, что последние протекают в анаэробных условиях (т.е. без доступа воздуха). Весь необходимый для окисления органики кислород находится в измерительной бутыли. Кроме растворенного кислорода, биокультуры потребляют также кислород из газовой фазы – из воздуха в бутыли над раствором. Кислород в водной и газовой фазе находится в равновесии. Постоянное энергичное перемешивание обеспечивает стабильный обмен газом между двумя фазами.
Использование OxiTop намного упрощает измерение БПК, т.к. он автоматически запоминает измеренные значения. Все сохраненные в памяти прибора значения можно считать в любой день. К разбавлениям приходится прибегать редко, что также снижает трудо- и времяемкость анализа. Иными словами, количество рутинных операций при использовании OxiTop минимально.
В классическом методе определение содержания кислорода осуществляют йодометрическим или амперометрическим методом. Значения БПК прибор OxiTop получает на основании измерения давления в герметичном сосуде. Важным достоинством данного прибора является то, что при измерении давления используются не ртутные манометры, а электронные датчики.
Принцип измерения
Бактерии потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Биохимическое потребление кислорода может быть определено напрямую, посредством измерения давления кислорода, или же косвенно – измеряя давление углекислого газа. В манометрических методах измеряется изменение давления. Но откуда же ему взяться, если известно, что моль любого газа имеет объем 22,4 литра, т.е. превращение молекулы кислорода в молекулу углекислого газа не вызовет изменения давления. Вот тут сказывается присутствие гидроксида натрия в горлышке бутыли. Гидроксид натрия взаимодействует с углекислым газом, образуя карбонат натрия. Вследствие того, что углекислый газ удаляется из газовой фазы, происходит падение давления, пропорциональное количеству поглощенного кислорода, которое и пересчитывается в значение БПК.
Что нужно знать о БПК?
Что нужно знать о БПК?
Кривая А – выход за измеряемый диапазон.
Кривая В – нормальный вид зависимости при правильно проведенном эксперименте.
Кривая С – результат разгерметизации измерительного сосуда; отсутствие или недостаток NaOH в колпачках прибора.
Кривая D – был произведен посев неадаптированной или плохо приспособившейся культуры; или внесено недостаточное количество микроорганизмов.
Кривая Е – произошел нежелательный процесс, например нитрификация.
Если анализ проведен правильно, то в координатах БПК – дни эксперимента должна получиться кривая похожая по форме на кривую А.
Если же данная кривая не наблюдается, то причиной этого может явиться один или несколько следующих факторов: разгерметизация колбы, задержка развития бактерий, нитрификация, неправильный выбор диапазона измерения.
Разгерметизация колбы может привести к тому, что будет наблюдаться кривая Б, или же к отсутствию отклика. В этом случае следует проверить целостность оборудования и правильность установки измерительной головки.При анализе образцов с недостаточным начальным количеством аэробных бактерий наблюдается кривая типа В. К данному явлению приводит и акклиматизация бактерий. Именно поэтому следует использовать флору, адаптировавшуюся к данному образцу воды.

Выход за измеряемый диапазон может привести к получению графика, схожего с кривой Г. Используйте разбавление образца чтобы устранить данное явление.
Очень важно выбрать диапазон определения БПК так, чтобы значение, высвечиваемое на шкале прибора, лежало в интервале 20 – 40. Если это значение будет меньше 20, то нельзя утверждать, что полученный результат отражает значение БПК с достаточной точностью. Единственным исключением из этого правила является минимальный диапазон определения БПК (1 – 40), в котором точность измерения максимальна.
Если диапазон БПК неизвестен, то для его оценки используйте результаты определения ХПК (химического потребления кислорода) или данные серии анализов БПК с различными объемами или разбавления образца. Второй вариант предпочтительнее, т.к. соотношение БПК/ХПК строго не регламентировано: в России оно принимается примерно равным 0,5; за рубежом – примерно 0,8. Однако, эта процедура понадобится скорее всего лишь однажды, когда будет проводиться первый анализ.

Примером проявления нитрификации (появлением NO2–ионов вследствие окисления ионов аммония) является кривая Ан. Биологическое окисление органического азота в хозяйственных стоках, как правило, наблюдается спустя пять-шесть дней, что связано с более медленным ростом нитрификационных бактерий. Однако аномально высокое значение поглощения кислорода (особенно при анализе выходных вод) объясняется значительным вкладом жизнедеятельности нитрификационных бактерий в общее значение БПК. Для устранения влияния нитрификации используйте ингибитор нитрификации – N-аллилтиомочевину.

Проведение анализа в образцах воды, значение рН в которых отличается от нейтрального, приводит к сильно заниженным результатам. Нейтрализуйте образец при помощи слабого раствора гидроксида натрия или серной кислоты.

Что нужно знать о БПК?
Кривая А – Температура пробы находится в оптимальном температурном диапазоне (19-21°С).
Кривая В – Проба сильно охлаждена (<15°С), адаптирование температуры занимает очень много времени. Измерения не корректны!
Кривая С – Проба перегрета (>21°С). Скачок давления вызван изменением объема в процессе измерения БПК. Измерения не корректны!
Очень важным обстоятельством является предварительное термостатирование образцов. Измерительные головки OxiTop снабжена системой AutoTemp, которая измеряет температуру образца с шагом 1 час. Если через час температура соответствует оптимальной, то измерение БПК включается автоматически. Если же нет, то система ждет еще час и вновь замеряет температуру. Система измеряет температуру образца максимум четыре раза, после чего автоматически активизирует измерение.

Для обеспечения жизнедеятельности бактерий необходимо внести следовые количества в исследуемый образец железа, магния, кальция и фосфора. Как правило, хозяйственные стоки содержат упомянутые элементы. Стоки пищевой промышленности содержат очень большое количество органических веществ; в образцы таких вод следует вносить значительно большие количества упомянутых элементов.
Образцы вод, содержащие дезинфицирующие (например хлор) или токсичные вещества, следует подготовить к анализу, удалив эти вещества, т.к. они оказывают губительное воздействие на биокультуру. Для удаления хлора пробу выдерживают 1-2 часа на свету или добавляют тиосульфат натрия.

Что нужно знать о БПК?
Для удаления токсичных веществ пробу разбавляют, сводя к минимуму воздействие токсикантов, или же акклиматизируют затравку в данной пробе.
Как отмечалось ранее, лучше всего использовать адаптированную затравку. Кроме того, бытовые стоки могут обеспечить затравку практически для любых образцов. Использование специальных капсул с затравкой, являющихся постоянным источником аэробных бактерий и свободных от нитрифицирующих бактерий, идеально подходит для сточных вод.