+38 (073) 492 29 01
+38 (075) 492 29 01
+38 (077) 492 29 01
Що потрібно знати про біохімічне споживання кисню?
БСК – індикатор забруднення
Біохімічне споживання кисню (або біологічна потреба в кисні) – це кількість кисню, необхідного для біохімічного окиснення у воді нестійких органічних (вуглецевих) сполук, що відбувається під впливом мікроорганізмів. Іншими словами, БСК (або БПК) визначає концентрацію розчиненого у воді кисню, який витрачають мікроорганізми (здебільшого бактерії), що споживають біорозкладну органіку (наприклад, цукри, білки, жири).
Хоча цей параметр не вимірює безпосередньо концентрацію забрудників, він відображає їхню кількість опосередковано. Чим більше органічних забруднюючих речовин міститься у воді, тим більше кисню буде спожито бактеріями для їх розкладання. Високе БСК прямо вказує на значне забруднення, що загрожує виснаженням кисню у водоймі та створює небезпеку для водних організмів. Чим нижче БСК, тим менший ризик для екосистеми.
Які процеси потребують моніторингу БСК?
Очистка та контроль стоків
Показник БСК контролюють на очисних спорудах, щоб оцінити рівень забруднення стічних вод до очищення та проконтролювати ефективність біологічної очистки. Контроль БСК також критично важливий на етапі скидання води у природне середовище для оцінки короткострокового впливу стічних вод на рівень кисню у приймаючих водоймах.
Біохімічне споживання кисню є одним із найважливіших параметрів для оцінки ефективності очищення стічних вод та їх відповідності нормативним вимогам перед скидом.
Екологічний моніторинг
При екологічному моніторингу природних водойм (річок, озер) високі значення БСК можуть вказувати на надходження неочищених або недостатньо очищених стоків.
Коли кисень у водоймі споживається швидше, ніж поповнюється (з атмосфери або шляхом фотосинтезу), це спричиняє критичне зниження концентрації розчиненого О2. Якщо рівень кисню падає нижче 2 мг/л, це може спричинити загибель риби та інших водних організмів від задухи, а також призвести до гниття та виділення токсичних газів (сірководень, метан).
Рівні БСК5 для оцінки якості поверхневих вод:
< 3 мг/л – чиста вода, низький рівень органічного забруднення
3–6 мг/л – помірне забруднення, наявність невеликої кількості органіки
> 6 мг/л – високий рівень забруднення, небезпечний для екосистеми
Норми законодавства
Додаток 1 до «Гігієнічних нормативів якості води водних об'єктів для задоволення питних, господарсько-побутових та інших потреб населення» (затверджених Наказом Міністерства охорони здоров’я України № 721 від 02.05.2022) встановлює наступні нормативи:
- для водних об’єктів в межах населених пунктів, а також для водокористування в оздоровчих, рекреаційних, спортивних цілях, БСК5 не має перевищувати 3 мг/л (БСК20 – 6 мг/л);
- для питного водопостачання, господарсько-побутового водокористування, а також для водопостачання харчових підприємств БСК20 (повне) не має перевищувати 3 мг/л.
Усереднений показник БСК5 для стічної води зазвичай перебуває в діапазоні 60 – 100 мг/л, проте це значення широко варіюється залежно від типу стоків:
- побутові стічні води до очищення 150 – 350 мг/л
- високо забруднені промислові стоки 500 – 1000+ мг/л
Норми на виході з очисних споруд також залежать від типу очисних споруд та вимог до скиду у водойму, зазвичай гранично допустима концентрація (ГДК) БСК5 для очищених стоків не перевищує 20-30 мг/л. Для ефективно очищених міських стоків цей показник, як правило, становить менше 20 мг/л.
Методи визначення біологічної потреби в кисні:
1. Визначення БСК методом розведення
Стандартний (класичний, традиційний, конвенційний) тест біохімічного споживання кисню, також відомий як метод розведення, отримав свою назву через необхідність розбавляти зразок стічної води перед випробуванням. Для визначення БСК вимірюють концентрацію розчиненого кисню у пробі води одразу після її відбору та після інкубації, а потім обчислюють різницю між цими значеннями.
Умови проведення тесту:
Стандартний метод вимагає інкубації розведеної проби в герметичних пляшках у темряві (щоб запобігти фотосинтезу) при постійній температурі 20°С протягом певного стандартного періоду часу. Зазвичай цей період становить 5 діб (позначається як БСК5 або BOD5). Як правило, протягом 5 діб при нормальних умовах відбувається окислення ~70% легкоокислюваних органічних речовин. Практично повне окислення відбувається протягом 20 діб (БСК20).
Розведення виконує дві ключові функції:
- Запобігання вичерпанню кисню. У зразку має бути достатня кількість кисню протягом усього інкубаційного періоду, це необхідно, щоб запобігти переходу процесу в анаеробні умови, де біологічне розкладання припиняється або спотворюється.
- Нейтралізація впливу токсинів. Присутні у зразку токсичні речовини можуть пригнічувати метаболічну активність мікроорганізмів. Розведення знижує концентрацію таких речовин до безпечного рівня.
Додаткові процедури:
Для належного росту інокуляту необхідний жорсткий контроль температури (оскільки швидкість споживання кисню змінюється при її коливаннях), наявність поживних речовин (таких як фосфор, кальцій та магній) та належний рівень pH. Нестача біогенних елементів може обмежити біохімічне окиснення і призвести до заниженого БСК. Оптимальне значення pH для бактерій лежить у діапазоні 6,5-7,5. Відхилення від цього інтервалу також знизити їхню активність, що також призведе до заниженого результату БСК.
Якщо зразки не містять достатньої кількості життєздатних мікроорганізмів (наприклад, промислові відходи чи знезаражені стоки), результати аналізу не будуть точними – присутня органіка не буде окислена повністю. Для повного окислення наявної біорозкладної органіки до таких зразків додають інокулят (мікробіологічну культуру або "затравку").
Щоб виміряти споживання кисню при розкладанні лише вуглецевих органічних речовин (карбоновий БСК) і виключити споживання кисню нітрифікуючими бактеріями (які окиснюють аміак до нітритів та нітратів), до проби додають інгібітор нітрифікації.
Відтак, кисневий попит обчислюють як різницю між початковим вмістом розчиненого кисню та вмістом кисню після інкубації, з урахуванням коефіцієнта розведення:
Критичні фактори, які впливають на точність результатів:
- фізико-хімічні параметри (температура, pH, хімічний склад)
- наявність активної мікрофлори у зразку
- присутності азотистих органічних сполук
Пляшки Карлсруе та Вінклера:
це спеціалізоване лабораторне обладнання, яке використовується для визначення біохімічного споживання кисню у пробах води.
Стандартний метод БСК залишається широко застосовуваним завдяки своїй універсальності та регуляторному визнанню. Його результати прямо співвідносяться з існуючими нормативними вимогами. Але попри те, що результат суттєво залежить від якості реагентів, фізичних та біологічних чних факторів, головним недоліком методу є тривалий час очікування – п'ять днів, необхідних для отримання результату. Це робить його параметром оцінки, а не інструментом оперативного контролю.
Визначити вміст кисню у пробі до та після інкубації можна декількома способами:
1.1. Титриметричний метод
Титруванням за Вінклером – колись дуже поширений спосіб визначення О2 у розчині, але тепер титриметричний (інакше – йодометричний) метод БСК втратив популярність через трудомісткість та значні похибки. Хоча процес можна автоматизувати за допомогою титратора, існують ефективніші методи аналізу.
Сьогодні набагато простішими і швидшими є експрес-методи прямого вимірювання кисню за допомогою спеціальних електрохімічних чи оптичних сенсорів . Сучасні датчики кисню, розроблені для визначення БСК, мають особливу конструкцію, яка дозволяє розміщувати їх на горлі пляшки (запобігаючи проникненню кисню з повітря), а також забезпечує перемішування проби.
1.2. За допомогою електрохімічних сенсорів розчиненого кисню
Електрохімічні сенсори визначають концентрацію кисню в рідкій фазі амперометрично або потенціометрично. Вони вимірюють значення електричного струму або зміну потенціалу електрода, які прямо пропорційні концентрації кисню. Ці прилади мають високу чутливість, завдяки якій їх використовують для контролю низьких концентрацій БСК в очищеній воді або критичних середовищах. Однак, їхнє використання має певні обмеження. Електрохімічні сенсори потребують інтенсивного обслуговування, яке включає регулярне калібрування, заміну електроліту та догляд за мембранами чи електродами.
1.3. За допомогою оптичних
сенсорів розчиненого кисню
Оптичні сенсори, на відміну від електрохімічних, ґрунтуються на явищі динамічного гасіння флуоресценції. Спеціальний флуоресцентний матеріал, нанесений на мембрану, опромінюється світлом, його флуоресценція гаситься киснем. Інтенсивність та час світіння флуоресценції обернено пропорційні концентрації розчиненого кисню. Ці сенсори забезпечують швидше та зручніше вимірювання порівняно з електрохімічними датчиками. Вони не споживають кисень під час вимірювання (як деякі електрохімічні зонди) і менш схильні до механічного зношування, оскільки не мають рухомих частин чи електродів, що потребують заміни.
Амперометричний сенсор розчиненого кисню StirrOx G від WTW
Датчик спеціально розроблений для визначення БСК методом розведення у пляшках Вінклера та Карлсруе, має вбудовану функцію перемішування зразка. Комплект постачання включає калібрувальну ємність та резервуар для зберігання OxiCal-ST. StirrOx G сумісний з усіма портативними та лабораторними оксиметрами і мультиметрами цього ж виробника.
Люмінесцентний датчик розчиненого кисню LBOD101 від HACH
Люмінесцентний датчик розчиненого кисню з вбудованою мішалкою підключається до аналізаторів розчиненого кисню та мультиметрів з серії HQ та HQD. Датчик зручно використовувати для вимірювання у пляшках Вінклера. LBOD101 доступний до замовлення окремо або в комплекті з аналізатором HQD BOD.
2. Манометричний метод визначення БСК
Манометричний (респірометричний) метод заснований на безперервному вимірюванні поглинання молекулярного кисню зразком. Зразок води поміщають у герметичну скляну пляшку (реактор). Мікроорганізми у зразку споживають розчинений кисень для окиснення органічних речовин. Вуглекислий газ, який виділяється під час метаболізму, зв'язують лужні абсорбенти, додані до реактора. Оскільки CO2 абсорбується, а O2 споживається, загальна кількість газу зменшується. Це призводить до зниження тиску в герметичній системі. Манометричний датчик постійно реєструє це падіння тиску, і на основі цього обчислює кількість спожитого кисню.
На відміну від конвенційного методу розведення, який фіксує лише дві точки (початкове та кінцеве значення розчиненого кисню), респірометрія дозволяє отримати повну кінетичну криву споживання кисню, більш розгорнуту інформацію про процес біорозкладання. Завдяки цьому короткострокові респірометричні вимірювання дають змогу надійно оцінити кінцеве значення БСК5 вже після двох-трьох днів інкубації. Цей метод наразі є одним із найпоширеніших та найточніших для визначення як низьких, так і високих значень БСК.
Манометричний метод також потребує інкубації зразків, але зазвичай не вимагає їх розведення (якщо очікувана концентрація БСК не перевищує максимальний діапазон приладу). Хоча манометрія спрощує пробопідготовку, вона встановлює підвищені вимоги до контролю фізичних параметрів у системі.
Критичні вимоги до процесу:
- Температура. На відміну від традиційного методу, де незначні коливання температури впливають лише на кінетику, у манометрії ці коливання через високу чутливість датчиків тиску безпосередньо впливають на вимірюваний тиск. Тому точність манометричного вимірювання критично залежить від температури і вимагає використання високоякісних термостатованих шаф.
- Перемішування. Газообмін між повітряним простором і водною фазою, як у природних умовах, є надзвичайно важливим під час випробувань. Постійне перемішування (наприклад, за допомогою індуктивних магнітних мішалок) забезпечує ефективне розчинення O2 у зразку, імітуючи природній процес.
Манометричні аналізатри БСК:
Лабораторна вимірювальна станція для манометричного визначення БСК BODTrak II від HACH з датчиками тиску для 6 пляшок, блоком керування та магнітною мішалкою.
Респірометрична вимірювальна система OxiTop IS від WTW для визначення БСК складається зі склянок, оснащених кришками з вбудованими манометричними аналізаторами, та магнітної мішалки.
3. Фотометричний метод визначення БСК
Фотометричним методом визначається концентрація речовини у розчині на основі інтенсивності забарвлення, набутого розчином внаслідок реакції між цією речовиною та специфічним реагентом. Вимірювання БСК напряму фотометричним методом неможливе, оскільки біологічне споживання кисню – не хімічний процес, він не призводить до забарвлення розчину. Однак, для кожного типу стічних вод існує співвідношення між біологічним та хімічним споживанням кисню. Якщо це співвідношення відоме, хімічне споживання кисню (ХСК) можна використовувати для швидкої оцінки органічного навантаження. Оператори використовують тест ХСК для оперативного контролю процесу очищення, оскільки вимірювання займає лише декілька годин, на відміну від БСК5, що триває п'ять діб. Фотометричний метод є стандартом для визначення ХСК.
Хімічне споживання кисню (ХСК) визначає кількість кисню, необхідного для хімічного окиснення практично всіх органічних та неорганічних речовин, здатних до окиснення. Натомість БСК вимірює лише біологічно розкладну органіку. Саме тому зазвичай ХСК > БСК, оскільки ХСК охоплює як біологічно розкладну, так і нерозкладну органіку.
Співвідношення БСК/ХСК | Значення |
БСК/ХСК > 0,5 | Вказує на те, що більшість органічних речовин є легко біорозкладними, це означає, що біологічна очистка буде ефективною, таке співвідношення типове для побутових стічних вод. |
БСК/ХСК < 0,2 | Органічні речовини є переважно біологічно нерозкладними, біологічні методи очищення в такому випадку будуть неефективними, така ситуація характерна для деяких промислових стоків |
Реагенти та обладнання для фотометричного аналізу БСК:
Спектрофотометри HACH DR1900, DR3900, DR6000 містять попередньо запрограмовані методики для обчислення БСК. Для цього використовують спеціалізовані тест-набори в термотривких кюветах. Виробник також пропонує термостати з автоматичними програмами для розкладу зразків.
LCK555 кюветний тест для визначення БСК5 у діапазоні 4 - 1650 мг/л O2
LCK554 кюветний тест для визначення БСК5 у діапазоні 0,5 - 12 мг/л O2
4. Визначення БСК за спектральним аналізом
Спектральний метод дозволяє безперервно вимірювати параметри вуглецю та азоту безпосередньо в середовищі. Вимірювання базується на законі Бера-Ламберта: органічні речовини та суспензії поглинають електромагнітне випромінювання на різних довжинах хвиль, ступінь поглинання пропорційний концентрації речовини. Оскільки стічні води – це комплексна суміш різноманітних органічних сполук, спектр поглинання слугує унікальним "спектральним відбитком" їх складу.
Спектральний метод не вимірює біологічне споживання кисню напряму. БСК також є розрахунковим параметром, його обчислюють за значеннями інших спектрально встановлених показників, найчастіше ХСК або SAC (спектральний коефіцієнт поглинання на довжині хвилі 254 нм).
Датчики, що визначають БСК безпосередньо у водоймі на основі спектрального методу:
Спектральні датчики NiCaVis та CarboVis
Спектральні датчики NiCaVis та CarboVis для системи IQ SENSOR NET від WTW використовують оптичний метод UV/VIS спектроскопії для безреагентного вимірювання низки параметрів, включаючи ХСК, БСК, TOC тощо.
Оптичний датчик UVAS plus sc
Оптичний датчик UVAS plus sc від HACH застосовується разом з універсальними цифровими контролерами виробника для безреагентного вимірювання вмісту розчинених органічних речовин у широкому діапазоні значень.
Вимірювання загального органічного вуглецю (ТОС) не дозволяє повною мірою оцінити органічне навантаження. Річ у тім, що мікрофлора по-різному споживає кисень, розкладаючи різні органічні сполуки. Наприклад, щавлева кислота та етанол містять однакову кількість атомарного вуглецю, тобто ідентичні показники ТОС. Однак ці речовини мають різний ступінь окислення: споживання кисню під час біохімічного розкладання етанолу у шість разів вище, ніж при розкладанні щавлевої кислоти. Тому етанол набагато сильніше виснажуватиме вміст кисню у водоймі-приймачі. Отже, ТОС не дає чіткого уявлення про фактичний вплив органічних речовин у стоках на приймальні води. Хоча, якщо кореляція між ТОС та БПК відома, рівень загального органічного вуглецю можна використовувати для оперативної оцінки БПК.
5. Онлайн-моніторинг БСК
Он-лайн-аналізатори BioTector від Hach дозволяють обчислювати значення БСК майже в режимі реального часу завдяки математичній кореляції з показником загального органічного вуглецю. Hach пропонує детальний протокол для визначення коефіцієнта кореляції, що гарантує статистично достовірні результати.
Потребуєте визначення БСК? Наші фахівці допоможуть підібрати обладнання під ваші параметри.
