+38 (073) 492 29 01
+38 (075) 492 29 01
+38 (077) 492 29 01
Манометрический метод БСК
Манометрическое определение БСК: особенности и преимущества
Респирометрический (манометрический) метод – один из наиболее эффективных инструментов для анализа биологического потребления кислорода. Манометрические анализаторы фиксируют изменение (падение) давления газа в закрытой системе над пробой, и в соответствии с этим рассчитывают значение БСК. Чаще этот метод применяют для анализа сточных вод, однако он подходит и для образцов из природных водоемов или искусственных растворов.
Особенности манометрического метода
Респирометрия максимально приближена к естественным условиям разложения органики. Измерения происходят в герметичной системе без доступа наружного воздуха, но процесс остается аэробным. Весь кислород, необходимый для метаболизма бактерий, находится внутри бутылки: прямо в воде и в газовой фазе над образцом. Благодаря возможности пополнения кислорода из воздуха, манометрические системы имеют более широкий диапазон определения БСК, чем традиционный метод.
Типичные респирометрические приборы (например, серия OxiTop) предлагают стандартный диапазон измерения БСК до 4,000 мг/л O2. Этот диапазон с запасом покрывает потребности анализа большинства муниципальных сточных вод (обычно имеющих БСК в диапазоне 150–400 мг/л) без необходимости внешнего разбавления с использованием разбавительной воды.
Поскольку объем бутылки в манометрических системах обычно фиксирован (например, 510 мл), регулировка диапазона измерений осуществляется через точный выбор объема пробы (в широком диапазоне от 3 до 432 мл). Использование меньшего объема пробы позволяет анализировать образцы с более высоким БСК.
Следовательно, перед началом измерения следует оценить ожидаемый диапазон БСК. Если это значение неизвестно, его ориентировочно определяют по ХСК (химическому потреблению кислорода). После оценки ожидаемого БСК аналитик использует таблицы, предоставленные изготовителем оборудования, для выбора оптимального объема пробы.
Главное преимущество манометрии для сточных вод заключается во избежании добавления воды для разбавления, являющейся основным источником ошибок в традиционном методе. Только для очень высококонцентрированных образцов, где даже минимальный объем пробы (например, 3 мл) может вызвать выход за пределы диапазона измерения, требуется предварительная разбавка с использованием стандартизированной разбавительной воды*.
*При разведении образца критически важно использование высококачественной, правильно приготовленной воды для разбавления, что обеспечит оптимальные условия для роста микроорганизмов. Обычно в воду для разбавления добавляют буферные растворы, питательные вещества и минералы. Если образец может иметь недостаточную или неадаптированную микрофлору (например, в промышленных стоках, термически обработанных образцах), воды для разбавления добавляется посев. Для обеспечения измерения только углеродного БСК (БСКC) необходимо добавить ингибитор нитрификации. Токсичные вещества (например, хлор) следует удалить или нейтрализовать перед тестированием.
Принцип измерения изменения давления
Количество кислорода, потребляемого микроорганизмами для разложения органики, равно количеству выделенного ими углекислого газа.
Поскольку одинаковые молярные количества газа занимают одинаковый объем, давление в замкнутой системе не меняется. Падает он только тогда, когда CO2 удаляют из газовой фазы. Для этого в горловине бутылки размещают гидроксид натрия (NaOH), химически связывающий углекислый газ и превращающий его в твердый карбонат натрия. Падение давления прямо пропорционально количеству вторичного Na2CO3 , а затем – и количества поглощенного кислорода. Это изменение давления регистрируется манометрическими датчиками. Например, анализаторы серии OxiTop оснащены высокоточными пьезорезистивными электронными датчиками, установленными на бутылочной крышке.
БСК рассчитывается по формуле:
М(О2) – молекулярная масса кислорода,
R – универсальная газовая константа,
Tm - температура измерения,
T – температура абсолютного нуля,
Vs - объем бутылки,
V – объем пробы,
α – коэффициент абсорбции Бунзена,
∆p(O2) – разница парциального давления кислорода.
Важные факторы контроля
Хотя манометрия упрощает подготовку тестирования за счет отсутствия этапа разведения пробы, она вводит повышенные требования к контролю физических параметров в системе. Точность манометрического БСК критично зависит от температуры. Чтобы избежать ошибок из-за теплового расширения или сжатия газа, или дегазации жидкости, во время тестирования образец инкубируют при стабильной температуре (20 ± 1)°C на протяжении всего измерения. Это требует использования высококачественных термостатических шкафов. Для предотвращения дефицита кислорода в образце необходимо обеспечить постоянный газообмен между воздушным пространством и водой. Эффективное растворение O2В образце, как в естественных условиях, достигается за счет постоянного перемешивания, для чего нужно использовать магнитные мешалки.
Оценка результатов через 2-3 дня
Респирометрический метод позволяет значительно сократить время анализа без потери точности. Краткосрочные измерения позволяют надежно спрогнозировать конечное значение БСК (например, БСК7) путем экстраполяции значений уже через два-три дня инкубации. Исследования подтвердили, что прогнозируемые результаты, полученные на основе краткосрочных респирометрических измерений, были очень близки к фактически измеренным конечным значениям (отклонение составляло от 1 до 12%). Возможность прогнозировать конечный БСК на 60% скорее позволяет операторам более оперативно получать данные о нагрузке и эффективности очистки и корректировать параметры процесса, такие как подача кислорода в аэротенки, что способствует оптимизации энергопотребления и предотвращению превышения лимитов сброса.
Графический анализ результатов
График БСК позволяет оперативно диагностировать ошибки анализа или выявить особенности состава воды. Если эксперимент проведен правильно, кривая смены БСК по дням должна соответствовать форме кривой А (зеленая линия). Другие формы свидетельствуют о методических ошибках:
- Кривая В (красная) — выход за пределы диапазона, значение БСК слишком высокое или в бутылке не хватило кислорода: нужно выбрать другой диапазон или выполнить процедуру разведения образца.
- Кривая С (голубая) - разгерметизация сосуда, недостаточное количество гранул NaOH в колпачке или недостаточное количество питательных веществ в образце: проверить прилегание крышки-манометра, наличие и надлежащее качество абсорбирующего агента и качество разбавляющей воды.
- Кривая D (желтая) - «второе дыхание» (подъем на 5-6 день) из-за нитрификации (окисления аммонийного азота): для корректных значений БСК в пробу перед анализом следует добавить ингибитор нитрификации.
- Кривая E (фиолетовая) - задержка потребления кислорода (лаг-фаза) указывает на недостаточное начальное количество аэробных бактерий количество или на то, что культура не адаптирована к среде.
- Кривая F (розовая) - присутствие в растворе дезинфектантов (например, хлора) или токсинов, подавляющих биокультуру: для удаления токсичных веществ пробу перед анализом разбавляют.
Электронные датчики OxiTop
Компания WTW предлагает готовое решение для манометрического определения БСК. Крышки-датчики OxiTop автоматически регистрируют падение давления и перечисляют полученные данные в БСК (мг/л). Результаты измерения OxiTop хранится в памяти, их можно передать на ПК или просмотреть через специальный контроллер в графическом виде, кроме того, некоторые модели позволяют отображать график процесса прямо на экране манометрических крышек.
В комплект OxiTop IS входит 6 бутылок с манометрическими крышками, а также магнитная мешалка. Благодаря встроенной функции AUTO TEMP тестирование начинается только после достижения полной температурной стабилизации.
Компания WTW предлагает также термостаты разных размеров. Модели термостатических шкафов TS 606/2-i и TS 606/4-i имеют прозрачную дверцу, что позволяет собрать данные с датчиков, не открывая термостат, и таким образом предотвращает колебания температуры во время анализа.
