1.3.1. Биохимическое потребление 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).

Степень загрязнения воды органическими соединениями определяют как количество кислорода, необходимое для их окисления микроорганизмами в аэробных условиях. Биохимическое окисление различных веществ происходит с различной скоростью. К легкоокисляющимся («биологически мягким») веществам относят формальдегид, низшие алифатические спирты, фенол, фурфурол и др. Среднее положение занимают крезолы, нафтолы, ксиленолы, резорцин, пирокатехин, анионоактивные ПАВ и др. Медленно разрушаются «биологически жесткие» вещества, такие, как гидрохинон, сульфанол, неионогенные ПАВ и др.

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 БПК_полн, причем загрязнители различной природы могут повышать (понижать) значение БПК. Динамика биохимического потребления кислорода при окисле­нии органических веществ в воде приведена на рис. 1.

Рис. 1. Динамика биохимического потребления кислорода:

а – легкоокисляющиеся вещества – сахара, формальдегид, спирты, фенолы и т.п.; в – нормально окисляющиеся вещества – нафтолы, крезолы, аниогенные ПАВ, сульфанол и т.п.; с – тяжело окисляющиеся вещества – неионогенные ПАВ, гидрохинон и т.п.

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 ºС, 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.

В лабораторных условиях наряду с БПК_полн определяется БПК₅ – биохимическая потребность в кислороде за 5 суток.

В поверхностных водах величины БПК₅ изменяются обычно в пределах 0,5–4 мг O₂/дм³ и подвержены сезонным и суточным колебаниям.

Сезонные колебания зависят в основном от изменения температуры и от исходной концентрации растворенного кислорода. Влияние температуры сказывается через ее воздействие на скорость процесса потребления, которая увеличивается в 2–3 раза при повышении температуры на 10 ^oC. Влияние начальной концентрации кислорода на процесс биохимического потребления кислорода связано с тем, что значительная часть микроорганизмов имеет свой кислородный оптимум для развития в целом и для физиологической и биохимической активности.

Суточные колебания величин БПК₅ также зависят от исходной концентрации растворенного кислорода, которая может в течение суток изменяться на 2,5 мг О₂/дм³ в зависимости от соотношения интенсивности процессов его продуцирования и потребления. Весьма значительны изменения величин БПК₅ в зависимости от степени загрязненности водоемов (табл.17).

Для водоемов, загрязненных преимущественно хозяйственно-бытовыми сточными водами, БПК₅ составляет обычно около 70% БПК_полн.

Таблица 17