Биохимическая потребность в кислороде - Biochemical oxygen demand

Бутылки для испытаний на БПК в лаборатории очистных сооружений .

Биохимическая потребность в кислороде ( БПК ) - это количество растворенного кислорода (DO), необходимое (т.е. требуемое) аэробными биологическими организмами для разложения органического материала, присутствующего в данном образце воды при определенной температуре в течение определенного периода времени. Величина БПК чаще всего выражается в миллиграммах кислорода, потребляемого на литр образца в течение 5 дней инкубации при 20 ° C, и часто используется в качестве суррогата степени органического загрязнения воды .

Снижение БПК используется как показатель эффективности очистных сооружений. БПК сточных вод используется для обозначения краткосрочного воздействия на уровень кислорода в принимающей воде.

Анализ БПК аналогичен по функциям анализу химической потребности в кислороде (ХПК), поскольку в обоих случаях измеряется количество органических соединений в воде. Однако анализ ХПК менее специфичен, поскольку он измеряет все, что может быть химически окислено, а не только уровни биологически окисленного органического вещества.

Фон

Большинство природных вод содержат небольшие количества органических соединений. Водные микроорганизмы эволюционировали, чтобы использовать некоторые из этих соединений в пищу . Микроорганизмы, живущие в насыщенных кислородом водах, используют растворенный кислород для окислительного разложения органических соединений, высвобождая энергию, которая используется для роста и размножения . Популяции этих микроорганизмов имеют тенденцию увеличиваться пропорционально количеству доступной пищи. Этот микробный метаболизм создает потребность в кислороде, пропорциональную количеству органических соединений, полезных в качестве пищи. При некоторых обстоятельствах метаболизм микробов может потреблять растворенный кислород быстрее, чем атмосферный кислород может растворяться в воде или может образоваться автотрофное сообщество (водоросли, цианобактерии и макрофиты). Рыба и водные насекомые могут погибнуть, когда кислород истощается в результате метаболизма микробов.

Биохимическая потребность в кислороде - это количество кислорода, необходимое для микробного метаболизма органических соединений в воде. Эта потребность возникает в течение некоторого переменного периода времени в зависимости от температуры, концентраций питательных веществ и ферментов, доступных местным микробным популяциям. Количество кислорода, необходимое для полного окисления органических соединений до углекислого газа и воды в результате роста, смерти, разложения и каннибализма микробов, представляет собой общую биохимическую потребность в кислороде (общий БПК). Общий БПК имеет большее значение для пищевых сетей, чем для качества воды . Истощение растворенного кислорода наиболее вероятно станет очевидным во время первоначального взрыва популяции водных микробов в ответ на большое количество органического материала. Однако, если микробная популяция дезоксигенирует воду, этот недостаток кислорода накладывает ограничение на рост популяции аэробных водных микробных организмов, что приводит к долгосрочному избытку пищи и дефициту кислорода.

Стандартная температура, при которой следует проводить тестирование БПК, была впервые предложена Королевской комиссией по удалению сточных вод в ее восьмом отчете в 1912 году:

"c) стоки в целях соответствия общему стандарту не должны содержать в сбросе более 3 частей на 100 000 взвешенных веществ, а с включенными взвешенными веществами не должны поглощать при температуре 65 ° F более 2,0 частей на 100 000 взвешенных веществ. растворенный кислород за 5 дней.Этот общий стандарт должен быть предписан либо Статутом, либо приказом Центрального органа и может быть изменен этим органом по истечении не менее десяти лет.

Позже это было стандартизовано при 68 ° F, а затем 20 ° C. Эта температура может значительно отличаться от температуры окружающей среды в тестируемой воде.

Хотя Королевская комиссия по удалению сточных вод предложила 5 дней в качестве адекватного испытательного периода для рек Соединенного Королевства Великобритании и Ирландии , более длительные периоды были исследованы для рек Северной Америки . Инкубационные периоды продолжительностью 1, 2, 5, 10 и 20 дней использовались до середины 20 века. Сохраняя доступность растворенного кислорода при выбранной температуре, исследователи обнаружили, что до 99 процентов от общего БПК было проявлено в течение 20 дней, 90 процентов - в течение 10 дней и примерно 68 процентов - в течение 5 дней. Сдвиг изменчивой микробной популяции к нитрифицирующим бактериям ограничивает воспроизводимость теста для периодов более 5 дней. 5-дневный протокол испытаний с приемлемо воспроизводимыми результатами, в котором особое внимание уделяется углеродсодержащему БПК, был одобрен Агентством по охране окружающей среды США (EPA). Этот 5-дневный результат теста на БПК можно описать как количество кислорода, необходимое водным микроорганизмам для стабилизации разлагаемого органического вещества в аэробных условиях. В этом контексте стабилизацию можно рассматривать в общих чертах как превращение пищи в живую водную фауну . Хотя эта фауна будет продолжать проявлять биохимическую потребность в кислороде по мере своей смерти, это, как правило, происходит в более стабильной развитой экосистеме, включая более высокие трофические уровни .

Отбор проб из поступающего потока неочищенных сточных вод для измерения БПК на очистных сооружениях в Харан-Аль-Авамиед, недалеко от Дамаска, Сирия
A comprehensive History and review of Biochemical Oxygen Demand over the last 180 years has been published with 2100 references (Baird and Smith, 2002 Third Century of Biochemical Oxygen Demand, Water Environment Federation, Alexandria Virginia, ISBN1-57278-1994)

История

Королевская комиссия по проблемам загрязнения реки , созданная в 1865 году, и формирование Королевской комиссии по Очистным в 1898 году привели к отбору в 1908 году БОК 5 в качестве окончательного испытания для органического загрязнения рек. В качестве подходящего испытательного периода было выбрано пять дней, поскольку это предположительно самое продолжительное время, за которое речная вода проходит от источника до устья в Великобритании . В своем шестом отчете Королевская комиссия рекомендовала, чтобы стандартный набор составлял 15 весовых частей на миллион воды. Однако в Девятом отчете комиссия пересмотрела рекомендуемый стандарт:

«Сточные воды, поглощающие 2–0 частей растворенного кислорода на 100 000, можно было бы найти простым расчетом, требующим разбавления с минимум 8 объемами речной воды, занимающими 0,2 части, если полученная смесь не должна была поглощать более 0,4 части. опыт показал, что в подавляющем большинстве случаев объем речной воды будет превышать объем сточных вод в 8 раз, и что цифра 2–0 частей растворенного кислорода на 100 000, которая, как было показано, практически осуществима, будет безопасной цифрой. принять для целей общего стандарта в сочетании с условием, что сточные воды не должны содержать более 3–0 частей на 100 000 взвешенных твердых частиц ».

Это было краеугольным камнем 20:30 (БПК: взвешенные твердые вещества) + стандарт полной нитрификации, который использовался в качестве критерия в Великобритании до 1970-х годов для определения качества сточных вод с очистных сооружений .

США включает в себя БПК сточных вод ограничения в его вторичной обработки правил. Вторичная очистка сточных вод обычно предполагает удаление 85 процентов БПК, измеренного в сточных водах, и получение концентраций БПК в сточных водах со средним значением за 30 дней менее 30 мг / л и средним за 7 дней менее 45 мг / л. В правилах также описывается «обработка, эквивалентная вторичной обработке», как удаление 65 процентов БПК и получение концентраций БПК в сточных водах со средним значением за 30 дней менее 45 мг / л и средним за 7 дней менее 65 мг / л.

Типичные значения

В большинстве нетронутых рек БПК за 5 дней будет ниже 1 мг / л. Умеренно загрязненные реки могут иметь значение БПК в диапазоне от 2 до 8 мг / л. Реки можно считать сильно загрязненными, если значения БПК превышают 8 мг / л. Городские сточные воды, которые эффективно обрабатываются трехступенчатым процессом, будут иметь значение около 20 мг / л или меньше. Неочищенные сточные воды варьируются, но в среднем составляют около 600 мг / л в Европе и всего лишь 200 мг / л в США, или там, где имеется сильная инфильтрация / приток грунтовых или поверхностных вод . Обычно более низкие значения в США связаны с гораздо большим водопотреблением на душу населения, чем в других частях мира.

Использование при очистке сточных вод

БПК используется для измерения загрузки отходов на очистные сооружения и оценки эффективности удаления БПК такими системами очистки.

Методы

Винклер опубликовал методологию простой, точной и прямой процедуры анализа растворенного кислорода в 1888 году. С тех пор анализ уровней растворенного кислорода в воде стал ключом к определению поверхностных вод. Метод Винклера до сих пор остается одним из двух аналитических методов, используемых для калибровки кислородных электродов; другая процедура основана на растворимости кислорода при насыщении в соответствии с законом Генри .

Существует два признанных метода измерения растворенного кислорода для БПК и ряд других методов, которые в настоящее время не признаны на международном уровне как стандартные.

Метод разведения

Одноразовая бутылка BOD
Стеклянная бутылка BOD

Этот стандартный метод признан EPA и обозначен как Метод 5210B в Стандартных методах исследования воды и сточных вод. Чтобы получить БПК 5 , концентрации растворенного кислорода (DO) в образце должны быть измерены до и после периода инкубации и соответствующим образом скорректированы с помощью соответствующего коэффициента разбавления образца. Этот анализ выполняется с использованием инкубационных бутылок на 300 мл, в которых забуференная вода для разбавления дозируется с посевными микроорганизмами и хранится в течение 5 дней в темной комнате при 20 ° C для предотвращения образования DO посредством фотосинтеза. Бутылки традиционно изготавливались из стекла, которое требовалось очищать и ополаскивать между образцами. Доступна одобренная SM 5210B одноразовая пластиковая бутылка BOD, которая исключает этот шаг. В дополнение к различным разведениям образцов БПК для этой процедуры требуются контрольные образцы с водой для разбавления, контроли на глюкозо-глутаминовую кислоту (GGA) и контроли посевного материала. Бланк разбавляющей воды используется для подтверждения качества разбавляющей воды, которая используется для разбавления других образцов. Это необходимо, потому что примеси в разбавляющей воде могут вызвать значительные изменения в результатах. GGA control представляет собой стандартизованный раствор для определения качества семян, где его рекомендуемая концентрация BOD 5 составляет 198 мг / л ± 30,5 мг / л. Для измерения углеродсодержащего БПК (cBOD) ингибитор нитрификации добавляется после добавления разбавляющей воды к образцу. Ингибитор препятствует окислению аммиачного азота, который обеспечивает азотистый БПК (nBOD). При выполнении теста BOD 5 принято измерять только cBOD, поскольку потребность в азоте не отражает потребность в кислороде со стороны органических веществ. Это связано с тем, что nBOD образуется при расщеплении белков, тогда как cBOD образуется при расщеплении органических молекул.

БПК 5 рассчитывается по:

  • Незавершенные:
  • Посеяны:

куда:

растворенный кислород (DO) разбавленного раствора после приготовления (мг / л)
- DO разбавленного раствора после 5-дневной инкубации (мг / л)
это десятичный коэффициент разбавления
это DO разбавленной пробы семян после подготовки (мг / л)
это DO разбавленного образца семян после 5-дневной инкубации (мг / л)
это отношение объема посевного материала в разбавляющем растворе к объему посевного материала в тесте БПК на посевном материале.

Манометрический метод

Этот метод ограничивается измерением потребления кислорода только из-за окисления углерода. Окисление аммиака подавлено.

Образец хранится в герметичном контейнере, снабженном датчиком давления . Вещество, поглощающее диоксид углерода (обычно гидроксид лития ), добавляется в контейнер выше уровня образца. Образец хранится в условиях, идентичных методу разведения. Кислород потребляется, и, поскольку окисление аммиака ингибируется, выделяется углекислый газ. Общее количество газа и, следовательно, давление снижается из-за поглощения углекислого газа. По падению давления электроника датчика вычисляет и отображает израсходованное количество кислорода.

Основными преимуществами этого метода по сравнению с методом разбавления являются:

  • простота: не требуется разбавление пробы, без посева, без холостого образца.
  • прямое считывание значения BOD.
  • непрерывное отображение значения БПК в текущее время инкубации.

Альтернативные методы

Биосенсор

Альтернативой измерению БПК является разработка биосенсоров, которые представляют собой устройства для обнаружения аналита, в которых биологический компонент сочетается с физико-химическим компонентом детектора. Ферменты являются наиболее широко используемыми биологическими чувствительными элементами при изготовлении биосенсоров. Их применение в конструкции биосенсоров ограничено утомительными, трудоемкими и дорогостоящими методами очистки ферментов. Микроорганизмы представляют собой идеальную альтернативу этим узким местам.

Многие микроорганизмы, полезные для оценки БПК, относительно легко поддерживать в чистых культурах, выращивать и собирать при невысоких затратах. Более того, использование микробов в области биосенсоров открыло новые возможности и преимущества, такие как простота обращения, подготовки и низкая стоимость устройства. Ряд чистых культур, например Trichosporon cutaneum, Bacillus cereus, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas sp. и т. д. по отдельности, были использованы многими рабочими для создания биосенсора БПК. С другой стороны, многие рабочие иммобилизовали активный ил или смесь двух или трех видов бактерий на различных мембранах для создания биосенсора БПК. Чаще всего использовались мембраны из поливинилового спирта, пористые гидрофильные мембраны и т. Д.

Определенный микробный консорциум может быть сформирован путем проведения систематического исследования, то есть предварительного тестирования выбранных микроорганизмов для использования в качестве посевного материала при анализе БПК различных промышленных стоков. Такой составленный консорциум может быть иммобилизован на подходящей мембране, то есть заряженной нейлоновой мембране. Заряженная нейлоновая мембрана подходит для иммобилизации микробов благодаря специфическому связыванию отрицательно заряженной бактериальной клетки и положительно заряженной нейлоновой мембраны. Итак, преимущества нейлоновой мембраны по сравнению с другими мембранами: Двойное связывание, т.е. адсорбция, а также улавливание, что приводит к более стабильной иммобилизованной мембране. Такие специфические аналитические устройства БПК на основе микробного консорциума могут найти широкое применение при мониторинге степени концентрации загрязняющих веществ в самых разных промышленных сточных водах за очень короткое время.

Биосенсоры могут использоваться для косвенного измерения БПК с помощью быстрого (обычно <30 мин) определения заменителя БПК и соответствующего метода калибровочной кривой (впервые предложенного Karube et al., 1977). Следовательно, биосенсоры теперь коммерчески доступны, но у них есть несколько ограничений, таких как их высокая стоимость обслуживания, ограниченная продолжительность пробега из-за необходимости реактивации и неспособность реагировать на изменение качественных характеристик, как это обычно происходит в потоках очистки сточных вод; например, процессы диффузии биоразлагаемого органического вещества в мембрану и различные реакции различных видов микробов, которые приводят к проблемам с воспроизводимостью результата (Praet et al., 1995). Другим важным ограничением является неопределенность, связанная с функцией калибровки для перевода заменителя БПК в реальный БПК (Rustum et al. , 2008).

Флуоресцентный

Суррогат БПК 5 был разработан с использованием производного резазурина , который показывает степень поглощения кислорода микроорганизмами для минерализации органических веществ. Перекрестная проверка, проведенная на 109 образцах в Европе и США, показала строгую статистическую эквивалентность результатов обоих методов.

Электрод был разработан на основе люминесцентного излучения фотоактивного химического соединения и гашения этого излучения кислородом. Этот механизм фотофизики тушения описывается уравнением Штерна – Фольмера для растворенного кислорода в растворе:

  • : Люминесценция в присутствии кислорода.
  • : Люминесценция в отсутствие кислорода.
  • : Постоянная Штерна-Фольмера для тушения кислородом
  • : Концентрация растворенного кислорода

Определение концентрации кислорода путем тушения люминесценции имеет линейный отклик в широком диапазоне концентраций кислорода и отличается превосходной точностью и воспроизводимостью.

Полярографический метод

Разработка аналитического прибора, который использует химию восстановления-окисления (окислительно-восстановительного процесса) кислорода в присутствии электродов из разнородных металлов, была начата в 1950-х годах. В этом окислительно-восстановительном электроде использовалась проницаемая для кислорода мембрана, обеспечивающая диффузию газа в электрохимическую ячейку и определение его концентрации с помощью полярографических или гальванических электродов. Этот аналитический метод чувствителен и точен до уровней растворенного кислорода ± 0,1 мг / л. Калибровка окислительно-восстановительного электрода этого мембранного электрода по-прежнему требует использования таблицы закона Генри или теста Винклера для растворенного кислорода .

Программный датчик

Были предложения по автоматизации для быстрого прогнозирования БПК, чтобы его можно было использовать для мониторинга и управления процессами в режиме онлайн. Например, использование компьютеризированного метода машинного обучения для быстрых выводов о БПК с использованием простых для измерения параметров качества воды. Такие параметры, как скорость потока, химическая потребность в кислороде, аммиак, азот, pH и взвешенные твердые частицы, могут быть получены напрямую и надежно с помощью аппаратных датчиков, подключенных к сети. В ходе проверки этой идеи измерения этих значений вместе с БПК, которые проводились в течение трех лет, использовались для обучения и тестирования модели для прогнозирования. Этот метод может допускать некоторые недостающие данные. Он указал, что такой подход возможен, но требует наличия достаточных исторических данных.

Мониторинг БПК в реальном времени

До недавнего времени мониторинг БПК в реальном времени был недоступен из-за его сложной природы. Недавнее исследование, проведенное ведущим университетом Великобритании, обнаружило связь между несколькими параметрами качества воды, включая электропроводность, мутность, TLF и CDOM. Все эти параметры можно контролировать в режиме реального времени с помощью комбинации традиционных методов (электропроводность через электроды) и новых методов, таких как флуоресценция. Мониторинг триптофан-подобной флуоресценции (TLF) успешно используется в качестве косвенного показателя биологической активности и подсчета, особенно с акцентом на Escherichia coli (E. Coli). Мониторинг на основе TLF применим в широком диапазоне сред, включая, но не ограничиваясь, очистные сооружения и пресную воду. Поэтому произошел значительный сдвиг в сторону комбинированных сенсорных систем, которые могут отслеживать параметры и использовать их в режиме реального времени для получения показаний БПК лабораторного качества.

Датчики растворенного кислорода: мембрана и люминесценция

Разработка аналитического прибора, который использует химию восстановления-окисления (окислительно-восстановительного процесса) кислорода в присутствии электродов из разнородных металлов, была начата в 1950-х годах. Этот окислительно-восстановительный электрод (также известный как датчик растворенного кислорода) использует кислородопроницаемую мембрану, чтобы обеспечить диффузию газа в электрохимическую ячейку и определение его концентрации с помощью полярографических или гальванических электродов. Этот аналитический метод чувствителен и точен до уровней растворенного кислорода ± 0,1 мг / л. Калибровка окислительно-восстановительного электрода этого мембранного электрода по-прежнему требует использования таблицы закона Генри или теста Винклера для растворенного кислорода .

Датчик растворенного кислорода на очистных сооружениях, используемый в качестве контура обратной связи для управления нагнетателями в системе аэрации .

Ограничения теста

Метод испытания включает переменные, ограничивающие воспроизводимость. Тесты обычно показывают наблюдения, отклоняющиеся от среднего на плюс-минус десять-двадцать процентов.

Токсичность

Некоторые отходы содержат химические вещества, способные подавить микробиологический рост или активность. Потенциальные источники включают промышленные отходы, антибиотики в фармацевтических или медицинских отходах , дезинфицирующие средства на предприятиях пищевой промышленности или коммерческих очистных сооружениях, дезинфекцию хлорированием, используемую после традиционной обработки сточных вод, и составы для контроля запаха, используемые в резервуарах для хранения бытовых отходов в пассажирских транспортных средствах или переносных туалетах. Подавление микробного сообщества, окисляющего отходы, снизит результат теста.

Соответствующая микробная популяция

Тест основан на микробной экосистеме с ферментами, способными окислять доступный органический материал. Некоторые сточные воды, например, от вторичной биологической очистки сточных вод , уже будут содержать большую популяцию микроорганизмов, акклиматизированных к проверяемой воде. Значительную часть отходов можно утилизировать в течение периода выдержки до начала процедуры испытания. С другой стороны, для органических отходов из промышленных источников могут потребоваться специальные ферменты. Популяции микроорганизмов из стандартных семян семян могут занять некоторое время, чтобы произвести эти ферменты. Специализированная посевная культура может быть подходящей для отражения условий развитой экосистемы в принимающих водах.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Рустум Р., А. Дж. Аделой и М. Шольц (2008). «Применение самоорганизующейся карты Кохонена в качестве программного датчика для прогнозирования биохимической потребности в кислороде». Исследования водной среды, 80 (1), 32–40.

внешние ссылки