Биохимическая потребность в кислороде

редактировать
(Перенаправлено из углеродистой биохимической потребности в кислороде ) Бутылки для проверки БПК в лаборатории очистных сооружений.

Биохимическая потребность в кислороде ( БПК) - это количество растворенного кислорода, 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, израсходованного 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 анализу химической потребности в кислороде (ХПК) в том смысле, что оба измеряют 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 Типовые значения
  • 3 Использование при очистке сточных вод
  • 4 метода
    • 4.1 Метод разведения
    • 4.2 Манометрический метод
  • 5 Альтернативные методы
    • 5.1 Биосенсор
    • 5.2 Флуоресцентный
    • 5.3 Полярографический метод
    • 5.4 Программный датчик
    • 5.5 Мониторинг БПК в реальном времени
  • 6 зондов растворенного кислорода: мембрана и люминесценция
  • 7 Ограничения теста
    • 7.1 Токсичность
    • 7.2 Соответствующая микробная популяция
  • 8 См. Также
  • 9 ссылки
  • 10 Дальнейшее чтение
  • 11 Внешние ссылки

Задний план

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 к увеличению 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 умереть, 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 более длительному излишку пищи и дефициту кислорода.

Стандартная температура, при которой следует проводить испытания 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 учетом взвешенных веществ не должны принимать при температуре 65 ° F более 2,0 частей на 100 000 взвешенных веществ. растворенный кислород в течение 5 дней.Этот общий стандарт должен быть предписан либо Статутом, либо приказом Центрального органа, и он должен подвергаться изменениям со стороны этого органа через интервал 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 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 поступающего потока неочищенных сточных вод для измерения БПК на установке по очистке сточных вод в Харан-Аль-Авамиед недалеко от Дамаска в Сирии

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 в 8 раз превышать объем сточных вод, 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, взятого вместе 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 оценки качества сточных вод с очистных сооружений.

США включает в себя БПК сточных вод ограничения в его вторичной обработки правил. Вторичная очистка сточных вод обычно удаляет 85 процентов БПК, измеренного в сточных водах, и дает концентрацию БПК в сточных водах со средним значением за 30 дней менее 30 мг / л и средним значением за 7 дней менее 45 мг / л. Правила также описывают «обработку, эквивалентную 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 5-дневный БПК углерода 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 наблюдается сильная инфильтрация / приток грунтовых или поверхностных вод. В целом 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 того времени анализ уровней растворенного кислорода в воде стал ключом к определению поверхностных вод. Метод Винклера по-прежнему 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 на 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 Агентством по охране окружающей среды США 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 воды для разбавления, контроли на глюкозо-глутаминовую кислоту (GGA) и контрольные образцы семян. Контрольный образец воды для разбавления используется для подтверждения качества воды для разбавления, которая используется для разбавления других образцов. Это необходимо, поскольку 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 от органических веществ. Это связано с тем, что nBOD образуется при распаде белков, а cBOD - при распаде органических молекул.

БПК 5 рассчитывается по:

  • Незавершенные: B О D 5 знак равно ( D 0 - D 5 ) п {\ displaystyle \ mathrm {BOD} _ {5} = {\ frac {(D_ {0} -D_ {5})} {P}}}
  • Посеяны: B О D 5 знак равно ( D 0 - D 5 ) - ( B 0 - B 5 ) ж п {\ displaystyle \ mathrm {BOD} _ {5} = {\ frac {(D_ {0} -D_ {5}) - (B_ {0} -B_ {5}) f} {P}}}

где:

D 0 {\ displaystyle D_ {0}} растворенный кислород (DO) разбавленного раствора после приготовления (мг / л)
D 5 {\ displaystyle D_ {5}} это DO разбавленного раствора после 5 дней инкубации (мг / л)
п {\ displaystyle P} это десятичный коэффициент разбавления
B 0 {\ displaystyle B_ {0}} это DO разбавленной пробы семян после подготовки (мг / л)
B 5 {\ displaystyle B_ {5}} - DO разбавленного образца семян после 5-дневной инкубации (мг / л)
ж {\ displaystyle f} это отношение объема посевного материала в разбавляющем растворе к объему посевного материала в тесте БПК на посевном материале.

Манометрический метод

Этот метод ограничен 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 пробы. 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 вычисляет и отображает израсходованное количество кислорода.

Основными преимуществами этого метода по сравнению с методом разбавления являются:

  • простота: не требуется разбавление образца, не требуется посев, нет 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 - это наиболее широко используемые биологические чувствительные элементы 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 небольших 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. 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. Чаще всего использовались мембраны из поливинилового спирта, пористые гидрофильные мембраны и т. Д.

Определенный микробный консорциум может быть сформирован путем проведения систематического исследования, т. Е. Предварительного тестирования выбранных микроорганизмов для использования в качестве посевного материала при анализе БПК 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 за очень короткое время.

Биосенсоры можно использовать для косвенного измерения БПК с помощью быстрого (обычно lt;30 мин) определения заменителя БПК и соответствующего метода калибровочной кривой (впервые предложенного Karube et al., 1977). Следовательно, биосенсоры в настоящее время коммерчески доступны, но у них есть несколько ограничений, таких как 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). Еще одним 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 между результатами обоих методов.

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

я 0 / я   знак равно   1   +   K S V   [ О 2 ] {\ Displaystyle I_ {0} / I ~ = ~ 1 ~ + ~ K_ {SV} ~ [{\ ce {O2}}]}
  • я {\ displaystyle I}: Люминесценция в присутствии кислорода.
  • я 0 {\ displaystyle I_ {0}}: Люминесценция в отсутствие кислорода.
  • K S V {\ displaystyle K_ {SV}}: Постоянная Штерна-Фольмера для тушения кислородом
  • [ О 2 ] {\ displaystyle {\ ce {[O2]}}}: 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

Rustum et al. (2008) предложили использовать KSOM для разработки интеллектуальных моделей для быстрых выводов о БПК с использованием других легко измеряемых параметров качества воды, которые, в отличие от БПК, могут быть получены напрямую и надежно с помощью аппаратных датчиков 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 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 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: Датчик растворенного кислорода на очистных сооружениях.webm Воспроизвести медиа Датчик растворенного кислорода на установке для очистки сточных вод, 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 обычной 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 источников 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

Ссылки

дальнейшее чтение

внешние ссылки

  • BOD Doctor - вики по устранению неполадок для этого проблемного теста
Последняя правка сделана 2024-01-09 05:16:13
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте