Что такое бпк экология
Биохимическое потребление кислорода 5: его значение и нормы
Важнейшими показателями степени загрязненности отработанных вод являются ХПК и БПК 5 (параметры химического и биохимического потребления О2). Их идентифицируют как при анализе бытовых сточных вод, так и в ходе исследований промышленных. Во втором случае показатели будут существенно выше. 
Если определение БПК 5 показало повышение уровня, это означает, что в отработанных (естественных) водах присутствует большой объем органических соединений. Зачем измерять биохимическое потребление кислорода БПК 5 и ХПК, на что указывают эти параметры, и какие нормы установлены — эти и другие вопросы имеет смысл рассмотреть.
Почему увеличивается показатель БПК 5 и ХПК?
Выше было определено, что увеличение БПК 5 в сточных водах — это показатель повышенного содержания органики. Попадая в почву, загрязненная субстанция заражает подземные воды, грунт, что негативно сказывается на окружающей среде. К повышению БПК 5 в воде определенного района могут привести и:
При расчете БПК 5 единица измерения израсходованного кислорода — миллиграммы О2/л.
Чем грозит увеличение БПК 5 ПКД?
Даже в естественных источниках и водоемах содержится определенный процент органических соединений — останки животного происхождения, погибшие растения и т.д. Их разрушение (естественная очистка субстанции) осуществляется бактериями. Процесс носит название анаэробного биохимического окисления. Его результатом становится выделение двуокиси углерода. При этом окисление проходит с участием растворенного в жидкости О2. Чем больше органических включений, тем больше кислорода необходимо на их переработку. Поэтому превышение показателя БПК 5 в 40 раз, например, будет указывать на высокую загрязненность субстанции — уровень кислорода резко снижается, что приводит непригодности воды. Нормативы содержания О2 в питьевой воде —9-11 мг/л при температуре +220С.
Что такое БПК полное и БПК 5?
При анализе сточных вод различают БПК 5 и БПК полное — отличие этих двух параметров заключается в сроках. Показатель с коэффициентом 5 указывает на то, что в ходе исследования определяли объем растворенного кислорода, который был израсходован на анаэробную переработку органических соединений за 5 суток. В отличие от БПК 5 параметр с приставкой «полное» показывает, какой объем О2 ушел на переработку органики за 20 суток. Часто этот показатель записывают как БПК 20. Считается, что в течение 5 дней при температуре 200С выполняется окисление 70% органических включений. Полное же их окисление проходит за 20 суток. Отсюда и названия. При необходимости эксперты используют перевод БПК 5 в БПК полное по формуле: БПКпол.=БПК5*1.33.
Нормы и методика измерения БПК 5
Если исследованию подлежат производственные или промышленные (большое содержание трудно разлагаемых веществ) сточные води, то перевод БПК 5 в полный показатель не применяется. После взятия пробы проводится ее инкубация в течение 5 и 20 (для промышленных сточных вод 120 суток). Затем выполняет замер. Пробы берется ежедневно в течение установленного времени. Если в сточных водах (как правило, это хозяйственно-бытовые) находится легкоразлагаемая органические вещества, тогда задействуют коэффициент пересчета БПК 5 в БПК полное равный, как указано в формуле, 1.33.
Полученные результаты сверяют с нормой. Для БПК 5 норматив определен ГОСТ 2761-84. В нем оговорено, что для источников питьевой (централизованные) субстанции показатель должен быть равен не более 2 мгО2/л, рыбохозяйств и водоемов культурно-бытового значение — не более 3.5-4 мгО2/л. Чтобы поддерживать в допустимых рамках показатель БПК, поддерживают соотношение ХПК к БПК 5 в хозбытовых стоках в диапазоне 0.4-0.75. Оптимальным считается значение 0.7. При таком соотношении между показателями процесс анаэробной очистки проходят оптимально и в полном объеме.
Органические загрязнители, БПК и ХПК
Введение
В воде источников водоснабжения обнаружено несколько тысяч органических веществ разных химических классов и групп. Органические соединения природного происхождения (гуминовые вещества, различные амины и другие) — способны изменять органолептические свойства воды, и по этой причине они должны быть удалены в процессе водоподготовки.
Несомненно, что органические вещества техногенного происхождения при поступлении их с питьевой водой могут неблагоприятно действовать на организм. Аналитический контроль их содержания в питьевой воде затруднен не только ввиду громадного их числа, но и вследствие того, что многие из них весьма неустойчивы и в воде происходит их непрерывная трансформация. Поэтому при аналитическом контроле невозможно идентифицировать все органические соединения, присутствующие в питьевой воде.
Однако многие органические вещества обладают выраженными органолептическими свойствами (запахом, вкусом, цветом, способностью к пенообразованию), что позволяет их выявить и ограничить их содержание в питьевой воде. Примерами таких веществ являются: синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), в незначительных (нетоксических) концентрациях образующие пену; фенолы, придающие воде специфический запах; многие фосфорорганические соединения.
В природной воде водоемов всегда присутствуют органические вещества. Их концентрации могут быть иногда очень малы (например, в родниковых и талых водах). Природными источниками органических веществ являются разрушающиеся останки организмов растительного и животного происхождения, как живших в воде, так и попавших в водоем с листвы, по воздуху, с берегов. Кроме природных, существуют также техногенные источники органических веществ: транспортные предприятия (нефтепродукты), целлюлозно-бумажные и лесоперерабатывающие комбинаты (лигнины), мясокомбинаты (белковые соединения), сельскохозяйственные и фекальные стоки и т.д. Органические загрязнения попадают в водоем разными путями, главным образом со сточными водами и дождевыми поверхностными смывами с почвы.
БПК и ХПК
Интегральное содержание органических веществ оценивается по показателям БПК и ХПК.
Биохимическое и химическое потребление кислорода — БПК и ХПК , принятые в гигиене, гидрохимии и экологии, интегральные показатели, характеризующие содержание в воде нестабильных (неконсервативных) органических веществ, трансформирующихся в воде путем гидролиза, окисления и других процессов. Содержание таких веществ выражается через количество кислорода, необходимое для их окисления в резко кислой среде перманганатом (БПК) или бихроматом (ХПК). К таким веществам относят алифатические кислоты, некоторые эфиры, амины, спирты.
В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества разрушаются бактериями, претерпевая аэробное биохимическое окисление с образованием CO2. При этом на окисление потребляется растворенный в воде кислород (РК). В водоемах с большим содержанием органических веществ большая часть кислорода потребляется на биохимическое окисление, лишая, таким образом, кислорода другие организмы. Поэтому увеличивается количество организмов, более устойчивых к низкому содержанию кислорода, исчезают кислородолюбивые виды. Таким образом, в процессе биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации кислорода, и эта убыль косвенно является мерой содержания в воде органических веществ. Соответствующий показатель качества воды, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ, называется биохимическим потреблением кислорода (БПК).
БПК — это количество кислорода в (мг), требуемое для окисления находящихся в 1 литре воды органических вещества в аэробных условиях, без доступа света, при 20 °С, за определённый период в результате протекающих в воде биохимических процессов.
Определение БПК основано на измерении концентрации РК в пробе воды непосредственно после отбора, а также после инкубации пробы. Инкубацию пробы проводят без доступа воздуха в кислородной склянке (то есть в той же посуде, где определяется значение РК) в течение времени, необходимого для протекания реакции биохимического окисления. Так как скорость биохимической реакции зависит от температуры, инкубацию проводят в режиме постоянной температуры (20±1) °С, причем от точности поддержания значения температуры зависит точность выполнения анализа на БПК. Обычно определяют БПК за 5 суток инкубации (БПК5). Может определяться также БПК10 за 10 суток и БПКполн. за 20 суток (при этом окисляется около 90 % и 99 % органических веществ соответственно). Ориентировочно принимают, что БПК5 составляет около 70 % БПКполн., но может составлять от 10 % до 90 % в зависимости от окисляющегося вещества. Погрешность в определении БПК может внести также освещение пробы, влияющее на жизнедеятельность микроорганизмов и способное в некоторых случаях вызывать фотохимическое окисление. Поэтому инкубацию пробы проводят без доступа света.
В поверхностных водах величина БПК5 колеблется в пределах от 0,5 до 5,0 мг/л; она подвержена сезонным и суточным изменениям, которые, в основном, зависят от изменения температуры и от физиологической и биохимической активности микроорганизмов. Весьма значительны изменения БПК5 природных водоемов при загрязнении сточными водами.
Таблица 1. Величины БПК5 в водоемах с различной степенью загрязненности
| Степень загрязнения (классы водоемов) | БПК5, мг O2/дм 3 |
|---|---|
| Очень чистые | 0,5–1,0 |
| Чистые | 1,1–1,9 |
| Умеренно загрязненные | 2,0–2,9 |
| Загрязненные | 3,0–3,9 |
| Грязные | 4,0–10,0 |
| Очень грязные | 10,0 |
Норматив на БПКполн. не должен превышать: для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования — 3 мг/л для водоемов культурно-бытового водопользования — 6 мг/л. Соответственно можно оценить предельно-допустимые значения БПК5 для тех же водоемов, равные 2 мг/л и 4 мг/л.
Величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых одним из сильных химических окислителей при определенных условиях, называется окисляемостью или ХПК. Существует несколько видов окисляемости воды: перманганатная, бихроматная, иодатная, цериевая.
Являясь интегральным (суммарным) показателем, ХПК в настоящее время считается одним из наиболее информативных показателей антропогенного загрязнения вод. Этот показатель, в том или ином варианте, используется повсеместно при контроле качества природных вод, исследовании сточных вод и др. Результаты определения окисляемости выражаются в миллиграммах потребленного кислорода на 1 литр воды (мгО/л).
В водоемах и водотоках, подверженных сильному воздействию хозяйственной деятельности человека, изменение окисляемости выступает как характеристика, отражающая режим поступления сточных вод. Для природных малозагрязненных вод рекомендовано определять перманганатную окисляемость; в более загрязненных водах определяют, как правило, бихроматную окисляемость (ХПК).
В программах мониторинга ХПК используется в качестве меры содержания органического вещества в пробе, которое подвержено окислению сильным химическим окислителем. ХПК применяют для характеристики состояния водотоков и водоемов, поступления бытовых и промышленных сточных вод (в том числе, и степени их очистки), а также поверхностного стока.
Таблица 2. Величины ХПК в водоемах с различной степенью загрязненности
| Степень загрязнения (классы водоемов) | ХПК, мг О/дм 3 |
|---|---|
| Очень чистые | 1 |
| Чистые | 2 |
| Умеренно загрязненные | 3 |
| Загрязненные | 4 |
| Грязные | 5–15 |
| Очень грязные | >15 |
Однако не все органические вещества в равной степени участвуют в реакции химического окисления. Так же, как и при биохимическом окислении, при химическом окислении можно выделить группы легко, нормально и тяжело окисляющихся органических веществ. Поэтому всегда существует разница между теоретически возможным и практически достигаемым значениями ХПК. Мешают точному определению ХПК в первую очередь, хлорид-анионы, как правило, содержащиеся в природных и, особенно, в сточных водах. Определению также мешают нитриты, часто присутствующие в водах, прошедших биохимическую очистку.
Нормативы на ХПК в воде водоемов: для питьевой воды – 5,0 мгО/л (для перманганатной окисляемости), ХПК – 15 мгО/л.
Биохимическое потребление кислорода в системе контроля качества сточных вод
Биохимическое потребление кислорода или БПК
Аббревиатура БПК расшифровывается как «биохимическое потребление кислорода». В химии это словосочетание означает количество кислорода, которое тратится на окисление вещества в результате воздействия на микробов и/или органических соединений, содержащихся в образце воды.
Что это за анализ?
Этот показатель важен для определения уровня загрязнения водоёмов легкоокисляющимися органическими веществами.
БПК5 и БПКполн
Выделяют БПК5 и БПКполн. Подстрочным индексом указано время, которое тратится на окисление. То есть, БПК5 – это показатель окисления за пять суток, а БПКполн. – показатель полного завершения процесса окисления. Обычно «полный период времени» равен двадцати суткам. РД 52.24.420-2006 – основной руководящий документ по определению показателей БПК в нашей стране.
Сточные и другие виды вод
Основные типы вод – природные и сточные. К природным относятся водные запасы планеты – моря, океаны, пресные и солёные водоёмы, ледники, грунтовые воды и влага атмосферы. Сточные воды принято различать по источнику происхождения (см. схему 1):
Схема 1. Типология сточных вод
В типологии сточных вод важны следующие показатели:
Уровень pH>9, либо pH 3 и не более 6 мг O2/дм 3 для водоёмов хозяйственно-бытового и культурного водопользования. При оценке БПК5 для водоёмов используется ряд условий, представленных в табл. 1.
| БПК5 (мгО2/л) | Норматив (ПДК) |
| Менее 3 | 3 |
| От 3 до 15 | 2 |
| Свыше 15 | 1 |
Табл. 1. Условия для БПК при расчёте ИЗВ
Таким образом, при оценке БПК для различных вод, учитывается превышение показателя над установленными нормами и, при большом превышении, это значительно влияет на ИЗВ.
Допустимые погрешности измерений.
При измерении БПК, в соответствии с РД 52.24.420-2006, допустимыми погрешностями результата измерений приняты значения, отображенные в табл. 2.
| Диапазон величин БПК5, мгО2/дм 3 | Показатели | ||||
| Повторяемость (среднеквадратическое отклонение) σr, мг/дм 3 | Воспроизводимость (среднеквадратическое отклонение) σR, мг/дм 3 | Т (границы погрешности при вероятности P = 0,95) ±D, мг/дм 3 | |||
| От 1,0 до 11,0 включ. | 0,1 + 0,021 · Х | 0,2 + 0,03 · Х | 0,3 + 0,06 · Х | ||
Таблица 2. Допустимые погрешности измерения.
Средства измерений, вспомогательные устройства, реактивы и материалы
Для проведения исследования необходимы такие технические средства измерения:
Допускается применение других средств измерений, если их свойства не хуже, чем в указанных выше пунктах.
Необходимые реактивы:
Следует применять реагенты с квалификацией ч.д.а. Допускается использование реактивов, изготовленных по другой технической документации, если они не хуже указанных выше.
Более подробно со списком требуемых средств измерений, реактивов и вспомогательных устройств можно ознакомиться в п. 4.1 и п. 4.2 РД 52.24.420-2006.
Условия выполнения испытаний
Рабочая зона лаборатории должна соответствовать следующим требованиям:
Безопасность
Нормы безопасности для персонала лабораторий, где измеряют БПК5 и БПКполн установлены в госстандарте и нормативно-технической документации. Во время измерений применяются вещества, которые относятся ко ІІ-му и ІІІ-му кл. опасности по ГОСТ 12.1.007-76. Параметры рабочей зоны, санитарно-гигиенические требования утверждены в соответствующих нормативных документах.
Уровень квалификации оператора
В методике РД 52.24.420-2006 указаны требования к уровню профессиональной подготовки оператора (лаборанта). Сотрудник лаборатории должен иметь минимум среднее специальное образование. Подойдут специалисты, которые имеют стаж работы в отрасли не менее 12 месяцев, владеющие навыками лабораторной работы с химическими реактивами и средствами.
Особенности работы с пробами
Подготовка посуды
Вся лабораторная посуда должна соответствовать требованиям ГОСТа Р 51592-2000. Для отбора проб воды следует руководствоваться следующими правилами:
Отметим, при отборе проб наилучшим выбором будет применение одноразовых ёмкостей. Лабораторная посуда должна быть герметичной, чистой, прочной, инертной к химическим и биологическим веществам.
Процесс отбора
Поскольку во время измерения БПК необходимо делать пробы воды, всем участвующим следует знать правила оказания первой помощи на воде. Если работники лаборатории используют плавсредства, надо следить за их техсостоянием. Плавсредства не должны нести экологическую угрозу водному объекту.
Работая с пробами, следует руководствоваться нормативными регламентирующими документами, указывающими номенклатуру средств, особенности места отбора, а также частоту отбора.
Выбор способа пробоотбора зависит от типа воды, глубины места отбирания пробы, цели анализа, номенклатуры определяемых компонентов. Пробы на БПК5 обрабатываются сразу же после отбора, так как они быстро меняют свойства. В тех случаях, когда обработку сразу сделать невозможно, пробу предлагается хранить при температуре 4 ℃ в тёмной стеклянной посуде. Актуальность хранения такой пробы составляет промежуток времени длительностью не более 4 часов.
Предварительная работа с пробами
При наличии грубой взвеси в пробе, колбу оставляют на отстаивание. Время процедуры – 1 час. После отстаивания, отбирается средний слой воды, который затем необходимо насытить кислородом. В случае невозможности отстаивания пробы, её можно отфильтровать. Однако, в этом случае смена процедуры должна быть отображена в результатах исследования.
Далее, насытив пробу кислородом, её разливают по трём сухим склянкам. Кислородные склянки заполняются до краёв. Это делают для того, чтобы внутри ёмкостей не было воздуха. Потом в одной из склянок немедленно определяют концентрацию растворённого кислородом. Оставшиеся склянки закупоривают, ставят пробкой вниз в кювету с дистиллированной водой. После этого кювету ставят в термостат, где склянки находятся 5 суток при температуре 19-21 ℃. В конце процедуры окончательно устанавливают степень концентрации растворённого кислорода.
Приготовление и проверка растворов
Все растворы приготавливают в соответствии с п. 10.1.1-10.1.13 РД 52.24.420.2006. Актуальны такие растворы:
Помимо этого, в лаборатории должна быть вода для разбавления проб. Эту воду подготавливают, смешивая дистиллированную воду с MgSO4, CaCl2, FeCl2.
Степень качества растворов определяют в соответствии с п. 10.2.1-10.2.3 РД 52.24.420.2006.
Качество солей KI и NaI проверяют следующим образом: 1 г KI или NaI растворяют в 0,1 дм 3 свежепрокипячённой дистиллированной воды, охлаждают до комнатной температуры. После этого добавляют 0,01 дм 3 раствора H2O:HCl и 0,001 дм 3 раствора крахмала. Если полученный раствор не окрасился в голубой цвет в течение 5 минут, реактив считается пригодным к использованию. В противном случае, KI или NaI надо очистить от свободного йода. Для этого соли промывают этиловым спиртом. Важная деталь – спирт должен быть охлажден до 3-5 ℃.
Раствор MnCl2 или MnSO4 проверяют так: к 0,1 дм 3 свежепрокипячённой дист. воды добавляют 0,001 дм 3 раствора MnCl2; 0,2 г соли KI; 0,005 дм 3 раствора H2O:HCl и 0,001 дм 3 раствора крахмала. Если полученный раствор не окрасился в синий цвет в течение 10 минут, реактив считается пригодным к использованию. В обратном случае его очищают с помощью 1 г Na2CO3, добавляя его на каждые 0,001 дм 3 раствора. Реактив перемешивается и оставляется на отстаивание в течение суток.
Растворы кислот H2O:HCl и H2SO4 проверяют так: к 0,05 дм 3 дист. воды добавляют 0,001 дм 3 раствора крахмала, 1 г KI и 0,01 см 3 раствора HCl. Если через пять минут раствор не приобретает синей окраски, кислоту следует считать пригодной. В обратном случае исходный реактив заменяется.
Выполнение измерений
По заполнению 1-й склянки определяют растворённый кислород. Фиксирование результата происходит с помощью введения 0,001-0,002 дм 3 растворов MnCl2 или MnSO4 и 0,001-0,002 дм 3 щелочного раствора KI. Пипетку погружают до середины склянки, а затем подымают вверх по мере истечения реактива. Далее, после опустошения пипетки, склянку закрывают пробкой и перемешивают переворачиванием. Когда осадок равномерно распределяется по объёму склянки, посуду ставят в тень для отстаивания.
После этого в пробу вводят 0,005-0,01 дм 3 раствора кислоты (H2O:HCl или H2SO4), а далее – снова перемешивают. Когда бурый осадок полностью растворяется, пипеткой отбирают 0,05 дм 3 раствора для дальнейшего титрования раствором Na2S2O3. Когда образец окрашивается в светло-желтые и синие цвета, в него добавляют 0,001 дм 3 раствора крахмала и продолжают титрование до исчезновения синего оттенка.
Расчет, определение и оформление результатов
После титрования исследователь может переходить к этапу определения и оформления результатов. Для определения массовой концентрации растворённого в воде кислорода следует применять следующую формулу:
Непосредственно БПК определяют по формуле:
где Хн – массовая концентрация растворённого в анализируемой пробе кислорода, Хк – массовая концентрация растворённого кислорода в инкубированной в течение 5 суток пробе.
Если проба подвергалась разбавлению, то БПК5 для неё определяют по следующей формуле:
где Хн – концентрация O2 в пробе до инкубации, Хк – концентрация О2 после инкубации в течение 5 сут., БПК5 р – биохимическое потребление кислорода в пробах разбавляющей воды, Р – степень разбавления пробы.
БПК5 определяется для двух инкубированных склянок, а затем результаты измерения, в случае, если их расхождение не превышает предела повторяемости, усредняются и результат измерения представляется в виде:
Где D – границы характеристик погрешности измерения для данной величины БПК5.
Контроль качества БПК-анализа
Для контроля качества анализа, отобранную пробу делят на две части и выполняют измерение БПК5 в соответствии с независимым регламентом для каждой из частей. Результаты затем подвергаются статистической обработке по формулам:
где Х1, Х2 – результаты измерений БПК5 в пробе 1 и 2 соответственно.
где sr – показатель повторяемости, мг/дм 3 .
В случае, если после этих измерений выполнено условие: rк £ rn, то процедуру следует считать качественной. В ином случае результаты процедуры бракуются. При этом расхождение результатов измерения БПК5 в двух разных лабораториях не должно превышать предела воспроизводимости R, которое рассчитывают по формуле:
В случае, если две лаборатории дают различные результаты определения, но их разница не превышает R, то в качестве окончательного результата измерения может быть использовано общее среднее значение результатов обеих лабораторий.
Какой анализатор БПК купить?
В связи с последними техническими достижениями стало возможно использование универсальных датчиков, принцип работы которых основан на УФ-спектрометрии. В случае использования таких датчиков, отпадает необходимость длительной и сложной подготовки рабочих растворов и пробоподготовки. Такие продукты на рынке предлагает ряд компаний, включая и компанию «Вистарос». Инновационный Интеллектуальный Спектральный Анализатор (ИСА) представляет собой компактный УФ-спектрометр, способный калиброваться на месте, что обеспечивает высокую точность измерений. С одного датчика, помимо БПК, можно также узнавать ряд других параметров: ХПК, концентрации нитрат-, нитрит-, фосфат-, аммоний-ионов, концентрации азота, фосфора и взвешенных веществ и многое другое.