5 Определение биохимического потребления кислорода (бпк)

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 и т.п. 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.

В естественных условиях находящиеся в воде органические вещест­ва разрушаются бактериями, претерпевая аэробное биохимическое окис­ление с образованием двуокиси углерода. При этом на окисление потреб­ляется растворенный в воде кислород. В водоемах с большим содержани­ем органических веществ большая часть РК потребляется на биохимиче­ское окисление, лишая таким образом кислорода другие организмы. При этом увеличивается количество организмов, более устойчивых к низкому содержанию РК, исчезают кислородолюбивые виды и появляются виды, терпимые к дефициту кислорода. Таким образом, в процессе биохимиче­ского окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации РК, 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).

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 (т.е. в той же посуде, где определяется значение РК) в течение времени, 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), однако содержание некоторых соединений более информативно характеризуется величиной БПК за 10 суток или за период полного окис­ления (БПК₁₀ или БПК_полн соответственно). 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 темном месте).

Величина БПК увеличивается со временем, достигая некоторого максимального значения – БПК_полн, причем загрязнители различной при­роды могут повышать (понижать) значение БПК.

Таким образом, БПК - количество кислорода в миллиметрах, тре­буемое для окисления находящихся в 1 л воды органических веществ в аэробных условиях, без доступа света, при 20°С, за определенный период в результате протекающих в воде биохимических процессов. Ориентировочно принимают, что БПК₅ составляет около 70% БПК_полн, но может со­ставлять от 10 до 90% в зависимости от окисляющегося вещества.

Особенностью биохимического окисления органических веществ в воде является сопутствующий ему процесс нитрификации, искажающий характер потребления кислорода.

Нитрификация протекает под воздействием особых нитрифицирую­щих бактерий - Nitrozomonas, Nitrobacter и др. Эти бактерии обеспечи­вают окисление азотсодержащих соединений, которые обычно присутст­вуют в загрязненных природных и некоторых сточных водах, и тем са­мым способствуют превращению азота сначала из аммонийной в нитритную, а затем и нитратную формы. Соответствующие процессы описыва­ются уравнениями:

2NH₄⁺ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H₂O + 2H⁺ + Q,

2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃ + Q,

где Q - энергия, высвобождающаяся при реакциях.

Процесс нитрификации происходит и при инкубации пробы в кислородных склянках. Количество кислорода, пошедшее на нитрификацию, может в несколько раз превышать количество кислорода, требуемое для биохимического окисления органических углеродсодержащих соедине­ний. Начало нитрификации можно зафиксировать по минимуму на гра­фике суточных приращений БПК за период инкубации. Нитрификация начинается приблизительно на 7-е сутки инкубации, поэтому при определении БПК за 10 и более суток необходимо вводить в пробу специальные вещества - ингибиторы, подавляющие жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий, но не влияющие на обычную микрофлору (т.е. на бактерии - окислители органических соединений). В качестве ингибитора применяют тиомочевину (тиокарбамид), который вводят в пробу либо в разбавляющую воду в концентрации 0,5 мг/мл.

Для исследования различных промышленных сточных вод, которые трудно подвергаются биохимическому окислению, используемый метод может применяться в варианте определения полного БПК (БПК_полн).

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 БПК, природных водоемов при загрязнении сточными водами.

Норматив на БПК_полн 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 БПК₃ для тех же водоемов, равные пример­но 2 мг/л и 4 мг/л.

Определение концентрации растворенного кислорода при анализе воды на БПК может выполняться различными методами. Наиболее распространен для определения РК при анализе БПК метод йодометрического титрования - метод Винклера.

Оборудование и реактивы: оборудование, реактивы и принадлежности для определения раство­ренного кислорода методом Винклера; кислородные калиброванные склянки для инкубирования проб; чашки Петри; термостат-инкубатор, обеспечивающий поддержание тем­пературы (20±1)°С.

Проведение анализа

1. Отберите пробы воды в кислородные склянки (не менее 3 шт.) как описано в методе определения РК.

Примечание. Для получения представительной пробы отбор проб воды проводи­те, по возможности, на удалении от берегов, дна, водных растений и т.п., которые могут быть источниками выделений в воду органи­ческих веществ или/и микроорганизмов.

2. В первой склянке сразу же фиксируйте кислород и определите концентрацию РК.

3. Другие склянки - инкубационные (две или боль­ше) поместите в темноте в инкубатор через водяной затвор из чашки Петри, как показано на рисунке (это воспрепятствует контакту воды в склянке с возду­хом).

Примечание. Инкубации желательно подвергнуть несколько проб, т.к. в случае получения ошибочных результатов (об этом можно судить по схо­димости анализов проб, см. главу 3) выполнить анализ повторно будет уже невозможно.

4. По истечении 5 суток инкубации в склянках определите концентрацию остаточного РК как среднее арифметическое результатов по каждой инкубационной склянке.

4. Рассчитайте значение БПК₅ в мг/л по формуле:

БПК₅ = С₁ - С₂,

где С₁ - концентрация РК в первоначальной пробе, мг/л;

С₂ - средняя концентрация РК по истечение периода инкубации, мг/л.