Биохимическое потребление кислорода, как критерий чистоты воды

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).

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 мгO2 /л до 7,0 мгO2 /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 O 2 / л до 2,9 мг O 2 / л.

Необходимо отличать сущность показателя БПК от химического потребления кислорода (ХПК). Последний из перечисленных показателей характеризует полное окисление примесей кислородом, полученным в результате химической реакции. В то время как при анализе по БПК в окислении принимает участие лишь растворенный в воде кислород и микроорганизмы способные вызывать биологическое окисление примесей. Этот показатель характеризует в большей мере способность водоёма к самоочищению. Поэтому показатели биохимического и химического потребления кислорода для различных видов примесей могут значительно различаться (табл. 2). 

Статья из журнала "АКВА -ТЕРМ" № 1/2019, рубрика "Водоснабжение и водоподготовка".

вернуться назад

Читайте также:

Котельная для ОАО «Северсталь-метиз» – эффективное снабжение предприятия паром и теплом

Итоги года: по пути развития.

Обеззараживание при кондиционировании воздуха

Готовим дачу к зиме: водопровод, отопление и канализация