Биологическое потребление кислорода

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Российский  государственный социальный университет

Филиал  в г. Чебоксары. 
 

Экономический факультет

Кафедра социальной экологии 
 
 
 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Экологическое нормирование»

на тему: Биологическое потребление кислорода. 
 
 
 
 

                                          Работу выполнила  студентка

                                          3 курса очного  отделения

                                          экономического факультета

гр. ДЭ-1-08  Семенова Н. Н. 
 
 
 
 

Чебоксары 2011

     Содержание. 

1. Введение
2. Биохимическое потребление кислорода (БПК)
3. Определение растворенного кислорода
4. Список использованных источников

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение. 

     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).

     Биохимическое потребление 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, 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)*, 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 – БПКполн, причем загрязнители различной  природы могут повышать (понижать) значение БПК. Динамика биохимического потребления кислорода при окислении органических веществ в воде приведена на рис. 8.

       
 
Рис. 8. Динамика биохимического потребления кислорода: 
а – легкоокисляющиеся («биологически мягкие») вещества – сахара, формальдегид, спирты, фенолы и т.п.; 
в – нормально окисляющиеся вещества – нафтолы, крезолы, анионогенные ПАВ, сульфанол и т.п.; 
с – тяжело окисляющиеся («биологически жесткие») вещества – неионогенные ПАВ, гидрохинон и т.п.    

     Таким образом, БПК – количество кислорода  в миллиграммах, 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 (рис. 9).

       
Рис. 9. Изменение характера  потребления кислорода  при нитрификации.   

      

     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:

       
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 (см. рис. 9), 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.

     В то время как и природные, и  хозяйственно-бытовые сточные воды содержат большое количество микроорганизмов, способных развиваться за счет содержащихся в воде органических веществ, многие виды промышленных сточных вод стерильны или содержат микроорганизмы, которые не способны к аэробной переработке органических веществ. Однако микробы можно адаптировать (приспособить) к присутствию различных соединений, в том числе токсичных. Поэтому при анализе таких сточных вод (для них характерно, как правило, повышенное содержание органических веществ) обычно применяют разбавление водой, насыщенной кислородом и содержащей добавки адаптированных микроорганизмов. При определении БПК_полн. промышленных сточных вод предварительная адаптация микрофлоры имеет решающее значение для получения правильных результатов анализа, т.к. в состав таких вод часто входят вещества, которые сильно замедляют процесс биохимического окисления, а иногда оказывают токсическое действие на бактериальную микрофлору.

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

     Если  в пробе очень много органических веществ, к ней добавляют разбавляющую воду. Для достижения максимальной точности анализа БПК анализируемая проба или смесь пробы с разбавляющей водой должна содержать такое количество кислорода, чтобы во время инкубационного периода произошло снижение его концентрации на 2 мг/л и более, причем остающаяся концентрация кислорода спустя 5 суток инкубации должна составлять не менее 3 мг/л. Если же содержание РК в воде недостаточно, то пробу воды предварительно аэрируют для насыщения кислородом воздуха**. Наиболее правильным (точным) считается результат такого определения, при котором израсходовано около 50% первоначально присутствующего в пробе кислорода.

     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.

     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 БПК₅ 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.

     Мешающее  влияние на определение  БПК оказывают процессы, происходящие в пробе в промежуток времени между отбором пробы и ее обработкой в лаборатории. Для исключения этого влияния начинать определение необходимо сразу же на месте отбора пробы. При этом следует соблюдать те же условия, что и при работе в лаборатории (хранение пробы в темноте, без доступа воздуха, при температуре 20°С).

     Поскольку анализ на БПК связан с определением РК, мешающее влияние на результат  анализа могут оказывать те же примеси, которые оказывают мешающее влияют на определение РК (взвешенные и окрашенные вещества, биологически активные взвешенные вещества, восстановители и окислители). Следует отметить, что мешающее влияние указанные компоненты оказывают, как правило, в концентрациях, встречающихся только в сточных и загрязненных поверхностных водах. 

     В полевом варианте предлагаемый метод  определения БПК предусматривает определение БПК5 для относительно незагрязненных и обычно достаточно насыщенных кислородом природных поверхностных вод, поэтому аэрацию проб, добавление разбавляющей воды и введение ингибиторов нитрификации не проводится. Используемый метод применим для арбитражного анализа поверхностных и сточных вод при содержании органических веществ, соответствующем потреблению кислорода на их окисление до 6 мг/л. Однако при высоком содержании органических веществ в воде данный метод в предлагаемом, упрощенном, варианте не может дать точных результатов (весь РК расходуется еще до окончания 5-дневной инкубации), поэтому необходимо применять разбавление пробы незагрязненной аэрированной водой.

     Альтернативным  методом определения БПК может  быть метод с электродным (потенциометрическим) измерением концентрации РК с помощью  оксиметра. При этом следует иметь  в виду все вышеизложенные особенности БПК как показателя качества воды, а также биохимические процессы, протекающие в пробе.

     Определение растворенного кислорода.

     Определение концентрации растворенного кислорода  при анализе воды на БПК может  выполняться различными методами. Наиболее распространен для определения растворенного кислорода при анализе БПК метод йодометрического титрования – метод Винклера. Измерить БПК можно также амперометрическим и манометрическим методом.

     Биологические основы определения  БПК. Основное отличие определения БПК от остальных измерений заключается в том, что изменяются не столько химические или физические характеристики, сколько биологические. Биохимическое потребление кислорода происходит вследствие окисления микроорганизмами органических веществ. Бактериям необходимы вполне определенные условия жизни, так же как человеку и остальным формам жизни. Однако условия жизни и функционирования бактерий могут быть различными, вплоть доэкстремальных, так как микроорганизмы очень легко приспосабливаются.

     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.