Биохимическая потребность в кислороде

редактировать
Количество растворенного кислорода, необходимое аэробным биологическим организмам для разложения органического материала Бутыли для анализа БПК в лаборатории очистка сточных вод установка.

Биохимическая потребность в кислороде (БПК ) - это количество растворенного кислорода, необходимое (т. Е. Требуемое) аэробным биологическим организмам для разрушения вниз органический материал, присутствующий в данном образце воды при определенной температуре в течение определенного периода времени. Величина БПК чаще всего выражается в миллиграммах кислорода, потребленного на литр образца в течение 5 дней инкубации при 20 ° C, и часто используется в качестве суррогата степени органического загрязнения воды.

Снижение БПК используется в качестве показателя 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.

Содержание

  • 1 Предпосылки
  • 2 История
    • 2.1 Типичные значения
  • 3 Использование для очистки сточных вод
  • 4 Методы
    • 4.1 Метод разбавления
    • 4.2 Манометрический метод
  • 5 Альтернатива методы
    • 5.1 Биосенсор
    • 5.2 Флуоресцентный
    • 5.3 Полярный метод
    • 5.4 Программный датчик
    • 5.5 Мониторинг БПК в реальном времени
  • 6 Датчики растворенного кислорода: мембрана и люминесценция
  • 7 Ограничения испытаний
    • 7.1 Токсичность
    • 7.2 Соответствующая микробная популяция
  • 8 См. Также
  • 9 Ссылки
  • 10 Дополнительная литература
  • 11 Внешние ссылки

Предпосылки

Большинство природных вод содержат небольшие количества органических соединений. Водные микроорганизмы эволюционировали, чтобы использовать некоторые из этих соединений в качестве пищи. Микроорганизмы, живущие в насыщенной кислородом воде, используют растворенный кислород для окислительного разложения органических соединений, высвобождая энергию, которая используется для роста и размножения. Популяции этих микроорганизмов имеют тенденцию к увеличению пропорционально количеству доступной пищи. Этот микробный метаболизм создает потребность в кислороде, пропорциональную количеству органических соединений, полезных в качестве пищи. При некоторых обстоятельствах микробный метаболизм 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 популяциям микробов. Количество кислорода, необходимое для полного окисления органических соединений до диоксида углерода и воды в результате роста, гибели, разложения и каннибализма микроорганизмов, составляет общая биохимическая 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.

Стандарт температура, при которой должны проводиться испытания БПК, была впервые предложена Королевской комиссией по удалению сточных вод в ее восьмом отчете за 1912 г.:

«(c) Стоки для соответствия общему стандарту должны не содержать в выводе более 3 частей на 100 000 взвешенных веществ, а вместе с включенными взвешенными веществами не должно поглощать при температуре 65 ° F более 2,0 частей на 100 000 растворенного кислорода в течение 5 дней. Этот общий стандарт должен быть предписан либо Статутом или по приказу Центрального органа, и в него должны вноситься изменения со стороны этого органа по прошествии не менее десяти лет.

Позднее он был стандартизирован на 68 ° F, а затем 20 ° C.Эта температура может значительно отличаться от температуры re естественной среды тестируемой воды.

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 Северной Америки реки. 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. Переменная микробная популяция переходит в нитрифицирующие бактерии тест на предельное значение воспроизводимость в течение периодов более 5 дней. 5-дневный протокол испытаний с приемлемо воспроизводимыми результатами, подчеркивающими содержание углерода в 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 разлагаемых органических веществ 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 поступающих сырых сточных вод поток для измерения БПК на установке очистки сточных вод в Харран-Аль-Авамиед около Дамаска в Сирии

История

Королевская комиссия по загрязнению рек, созданная в 1865 году, и образование Королевской комиссии по удалению сточных вод в 1898 году привело к выбору в 1908 году БПК 5 в качестве окончательного теста на загрязнение рек органическими веществами. В качестве подходящего испытательного периода было выбрано пять дней, поскольку это предположительно самое продолжительное время, которое требуется речной воде для перехода от источника к устью 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, будут найдены простым расчетом и потребуют разбавления с поглощением не менее 8 объемов речной воды. 0,2 части, если полученная смесь не должна была занимать более 0,4 части. Наш опыт показывает, что в подавляющем большинстве случаев объем речной воды будет превышать объем сточных вод в 8 раз, и что 2–0 частей растворятся. кислорода на 100000, что было показано на практике, было бы безопасным числом для принятия в целях общего стандарта, взятого вместе с условием, что сточные воды не должны содержать более 3–0 частей на 100000 взвешенных твердых частиц.. "

Это был краеугольный камень 20:30 (БПК: взвешенные твердые вещества) + полный стандарт нитрификации, который использовался в качестве критерия в Великобритании до 1970-х годов для очистных сооружений сточные воды качество.

США включает ограничения по БПК в свои правила вторичной обработки. Ожидается, что вторичная очистка сточных вод удалит 85 процентов БПК, измеренного в сточных водах, и произведет концентрацию 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 углерода за 5 дней 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. Муниципальные сточные воды, которые эффективно обрабатываются трехстадийным 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 200 мг / л в США, или там, где есть сильные грунтовые воды или поверхностные воды проникновение / приток. Как правило, 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 для обработки заводов и при оценке эффективности таких систем очистки по удалению БПК.

Методы

Винклер опубликовал методику простого, точного и прямого анализа растворенного кислорода в 1888 г. С того времени 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 во всем мире как стандартные методы

.

Разведение метод

Одноразовый флакон с БПК Стеклянный флакон с БПК

Этот стандартный метод признан EPA и обозначен как Метод 5210B в Стандартных методах исследования воды и сточных вод. Для получения 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 которые дозируются семенные микроорганизмы и хранятся в течение 5 дней в темном помещении при 20 ° C для предотвращения образования DO посредством фотосинтеза. Бутылки традиционно изготавливались из стекла, которое требовало очистки и ополаскивания 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 пробы с водой для разбавления, контроли (GGA) и контроли посевного материала. Контрольный образец воды для разбавления используется для подтверждения качества воды для разбавления, которая используется для разбавления других образцов. Это необходимо, потому что примеси в разбавляющей воде могут вызвать значительные изменения в результатах. GGA-контроль представляет собой стандартизованный раствор для определения качества семян, где его рекомендуемая концентрация БПК 5 составляет 198 мг / л ± 30,5 мг / л. Для измерения углеродсодержащего БПК (cBOD) ингибитор нитрификации добавляется после добавления воды для разбавления к образцу. Ингибитор препятствует окислению аммиачного азота, который обеспечивает азотсодержащий 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 распаде белков, а cBOD - при распаде органических молекул.

BOD 5 рассчитывается по:

  • Незавершенным: BOD 5 = (D 0 - D 5) P {\ displaystyle \ mathrm {BOD} _ {5} = {\ frac {(D_ {0} -D_ {5})} {P}}}{\ displaystyle \ mathrm {BOD} _ {5} = {\ frac {(D_ {0} -D_ {5})} {P}}}
  • Посев: BOD 5 = (D 0 - D 5) - (B 0 - B 5) f P { \ displaystyle \ mathrm {BOD} _ {5} = {\ frac {(D_ {0} -D_ {5}) - (B_ {0} -B_ {5}) f} {P}}}{\ displaystyle \ mathrm {BOD} _ {5} = {\ frac {(D_ {0} -D_ {5}) - (B_ {0} -B_ {5}) f} {P}}}

где :

D 0 {\ displaystyle D_ {0}}D_0 - растворенный кислород (DO) в разбавленном растворе после приготовления (мг / л)
D 5 {\ displaystyle D_ {5} }D_5 - это DO разбавленного раствора после 5-дневной инкубации (мг / л)
P {\ displaystyle P}P - десятичный коэффициент разведения
B 0 {\ displaystyle B_ {0}}B_0 - это DO разбавленного образца семян после подготовки (мг / л)
B 5 {\ displaystyle B_ {5}}B_5 - DO разбавленного образец семян после 5 дней инкубации (мг / л)
f {\ displaystyle f}f - отношение объема семян в разбавляющем растворе к объему семян в тесте на БПК семян

Манометрический метод

Этот метод ограничен измерением потребления кислорода из-за только к углеродистому окислению. 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 диоксид углерода. Общее количество газа и, следовательно, давление уменьшается из-за поглощения углекислого газа. По падению давления электроника датчика рассчитывает и отображает израсходованное количество кислорода.

Основными преимуществами этого метода по сравнению с методом разбавления являются:

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

Альтернативные методы

Биосенсор

Альтернативой измерению БПК является разработка биосенсоров, которые являются устройствами для обнаружение аналита, который сочетает в себе биологический компонент 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 с низкими затратами. 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. индивидуально, 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. Наиболее часто используемыми мембранами были поливиниловый спирт, 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 БПК. анализ широкого спектра промышленных стоков. Такой составленный консорциум может быть иммобилизован на подходящей мембране, то есть заряженной нейлоновой мембране. Заряженная нейлоновая мембрана подходит для иммобилизации микробов из-за специфического связывания между отрицательно заряженной бактериальной клеткой и положительно заряженной нейлоновой мембраной. Итак, преимущества нейлоновой мембраны перед другими мембранами заключаются в следующем: Двойное связывание, т.е. адсорбция, а также захват, 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 в течение очень короткого времени.

Биосенсоры могут использоваться для косвенного измерения БПК. с помощью быстрого (обычно <30 min) to be determined BOD substitute and a corresponding calibration curve method (pioneered by Karube et al., 1977). Consequently, biosensors are now commercially available, but they do have several limitations such as their high maintenance costs, limited run lengths due to the need for reactivation, and the inability to respond to changing quality characteristics as would normally occur in wastewater treatment streams; e.g. diffusion processes of the biodegradable organic matter into the membrane and different responses by different microbial species which lead to problems with the reproducibility of result (Praet et al., 1995). Another important limitation is the uncertainty associated with the calibration function for translating the BOD substitute into the real BOD (Rustum et al., 2008).

флуоресцентного

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

Электрод был разработан на основе люминесцентного излучения фотографии -активное химическое соединение и гашение этого излучения кислородом. Этот фотофизический механизм гашения описывается уравнением Штерна – Фольмера для растворенного кислорода в растворе:

I 0 / I = 1 + KSV [O 2] {\ displaystyle I_ {0} / I ~ = ~ 1 ~ + ~ K_ {SV} ~ [{\ ce {O2}}]}{\ displaystyle I_ {0} / I ~ = ~ 1 ~ + ~ K_ {SV} ~ [{\ ce {O2}}]}
  • I {\ displaystyle I}I : люминесценция в присутствии кислорода
  • I 0 {\ displaystyle I_ {0}}I_ {0} : люминесценция в отсутствие кислорода
  • KSV {\ displaystyle K_ {SV}}{\ displaystyle K_ {SV}} : постоянная Штерна-Фольмера для тушения кислорода
  • [O 2] {\ displaystyle {\ ce {[O2]}}}{\ displaystyle {\ ce {[O2]}}} : Концентрация растворенного кислорода

Определение концентрации кислорода по тушению люминесценции имеет линейный отклик в широком диапазоне концентраций кислорода и имеет отличную точность и воспроизводимость.

Полярный метод

Разработка аналитический прибор, который использует химию окисления и восстановления кислорода в присутствии электродов из разнородных металлов, был представлен 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.

Программного датчика

Rustum et al. (2008) предложили использовать KSOM для разработки интеллектуальных моделей для быстрых выводов о БПК с использованием других простых для измерения параметров качества воды, которые, в отличие от БПК, могут быть получены напрямую и надежно с помощью аппаратных датчиков в режиме онлайн. Это сделает использование BOD для онлайн-мониторинга и контроля процесса более правдоподобным предложением. По сравнению с другими парадигмами моделирования на основе данных, такими как искусственные нейронные сети с многослойными перцептронами (MLP ANN) и классический многовариантный регрессионный анализ, отсутствие данных не оказывает отрицательного воздействия на KSOM. Более того, временная последовательность данных не является проблемой по сравнению с классическим анализом временных рядов.

Мониторинг БПК в реальном времени

До недавнего времени мониторинг БПК в реальном времени был недостижим 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 триптофаноподобной 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 представлена ​​в 1950-х годах. Этот окислительно-восстановительный электрод (также известный как датчик растворенного кислорода) использует проницаемую для кислорода 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.

Файл: растворенный кислород датчик на очистной установке. webm Play media Датчик растворенного кислорода на очистных сооружениях используется в качестве контура обратной связи для управления воздуходувками в системе аэрации.

Ограничения теста

Метод тестирования включает переменные, ограничивающие воспроизводимость. Тесты обычно показывают наблюдения, колеблющиеся от плюс-минус десяти до двадцати процентов относительно среднего.

Токсичность

Некоторые отходы содержат химические вещества, способные подавлять микробиологический рост или активность. Потенциальные источники включают промышленные отходы, антибиотики в фармацевтике или медицинские отходы, дезинфицирующие средства на предприятиях пищевой промышленности или коммерческих очистных сооружениях, хлорирование дезинфекция, применяемая после стандартной очистки сточных вод, и запах - контрольные составы, используемые в резервуарах для хранения бытовых отходов в легковых автомобилях 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 исследуемой 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 источников семян могут занять некоторое время, чтобы произвести эти ферменты. Специализированная посевная культура может быть подходящей для отражения условий развитой экосистемы в принимающих водах.

.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

  • - вики-сайт по устранению неполадок для этого проблемного теста
Последняя правка сделана 2021-05-12 06:41:28
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте