Величина ХПК сточных вод: это 4 параметра
ХПК сточных вод — это величина, которая определяет концентрацию органики в жидкости. Для очищения сточных вод от грязи используется большое количество разных методов. Но чтобы все системы очищения функционировали эффективно необходимо знать показатель загрязнения стоков. От того какое будет соотношение зависит: от выбора методики очищения, её скорости и качества. Поговорим подробнее, что такое БПК, БПК5, ХПК, как ее снизить.
Что такое химическое потребление кислорода
Химическое потребление кислорода (ХПК) – это объем кислородных масс, который требуется затратить на окисление органики в литре жидкости. За границей для обозначения показателя применяется обозначение COD. За основу расчётов в теории загрязнённости стоков используется определение количества потребления кислорода или иного вещества, которое выступает в роли окислителя (он переведен в объём кислородных масс).
ХПК сточных вод должно соответствовать нормам, установленным законодательством
Его должно хватать для того, чтобы весь H, C, S, P и др. (не берется во внимание азот), которые содержатся в изучаемых пробах воды, окислился до состояния:
ХПК считается наглядным показателем степени, динамичности и характера процессов самоочищения жидкости. Методы определения различные. Лабораторная методика — перманганатная методика. Определение выполняется с применением KMnO4 и H2SO4. Получившиеся результаты именуются – перманганатная окись. Еще используется биохромное биохимическое определение.
Метод подходит для сферы отведения воды и исследования стоков с сильнейшими показателями «грязи».
В качестве «рабочего» материала используется биохромат калия. Расшифровка результата — биохромная окись.
Общие условия выполнения данной методики:
Применяемые лабораторные методики дают возможность практическим путем получать результат, который близок к теории и выкладкам, но иногда могут в разы отличаться. Так, если в стоках содержатся определённые элементы не органики, изменяющие характер окисления, может быть скорректирован показатель потребления кислорода.
В такой ситуации выполняются отдельные расчеты определения числа поглощения окислителя, который израсходован для перерабатывания и не органических элементов. Показатели, которые получены отдельно надо вычесть из общего ХПК. Для того чтобы получить показатели химического потребления кислорода в лаборатории понадобится примерно сутки-полтора.
Показатель БПК 5 в сточных водах: это что
Полное биологическое потребление кислорода (БПК) – величина, которая определяет, сколько органических элементов в пробе из стока. БПК выражается в количестве кислородных масс, которые расходуются при окислении, при анаэробных процессах, с обязательным присутствием кислорода, под воздействием микроскопических организмов в воде, которая исследуется. БПК основная методика выявления количества легкоокисляющейся органических элементов в жидкости.
В естественное среде в жидкости присутствует малое число органики. Она «перерабатывается» за счёт микробактерий, которые запускают анаэробное окисление с выделением 2-окиси углерода. В этот период идет потребление растворённого в воде кислорода. То есть, чем больше органических элементов в жидкости, тем больше будут поглощать кислорода микробактерии для её перерабатывания.
Сточные воды должны быть безопасными для окружающей среды
В стоках присутствуют различные органические соединения:
Для перерабатывания большого количества такой органики нужно очень много кислородных масс, поэтому в сточных системах БПК имеет высочайшие показатели. Количество выявляется за конкретный временной период, то есть определяется число окислителя, затраченного за определенное время. Так, БПК5 означает параметр потребления за 5 суток. Помимо времени, исследования в лаборатории выполняются в строго установленной среде: полное отсутствие освещения, температурный режим +20 о С.
Если нарушить условия, это повлияет на процесс окисления и количество БПК.
БПК выявляется как разница между данными количества кислородных масс перед и после замеров. За 5 дней в норме и при среднем количестве загрязнений окисляется примерно 70 % органических соединений в воде. Полное преобразование органических элементов происходит за 21 день. Стандарт по интервалу замеров: 2-ое суток, 5-ть, 20-ть, 120-ть дней. Однако иногда используются другие периоды, всё зависит от предполагаемого состава грязи и времени, требуемого для их полнейшего окисления. Замеры, при которых выполняется полное окисление в воде, называются полное БПК.
Понятие ХПК замены
Порядок выполнения измерений употребления кислорода состоит в реализации мероприятий.
А именно:
В нашей стране установлен норматив ХПК в применяемых водах. Она бывает 15 или 30 мг О 2 /л все зависит от функционального назначения сточной системы. По стандартам и условиям, которые установлены, БПК в воде для применения в быту не должно быть больше 3 мг О 2 /л. В бассейнах количество не может быть больше 6 мг О 2 /л.
Очисткой сточных вод должны заниматься квалифицированные специалисты
Высочайшее количество ХПК и БПК сточных вод говорит о том, что для очищения понадобится потребить много кислорода, а это означает что и самих загрязнений в воде чрезмерное количество. Замеры БПК и ХПК выполняются параллельно, так как их сравнение и соотношение дает возможность получить дополнительные важнейшие данные о составе стоков. Так, если ХПК больше БПК, это говорит о том, что в воде присутствует много не окисляемых органических элементов. БПК и ХПК больше в сточных системах промышленного назначения. В хозяйственных и бытовых стоках параметры потребления кислородных масс в разы ниже.
Как снизить ХПК в сточных водах
Количество БПК и ХПК (розклад ПДАа и БПКполн) в сточных системах понижается посредством прохода через очистительные сооружения. Они могут иметь разную конфигурацию и устройство, для очищения в них могут использоваться разные методы. Стандартной структурой очистительных станций с эффективными показателями биохимии сточных систем и устранения из них грязи является сооружения 4-блочного типа.
Они состоят из блоков:
При высококачественной организации работы и оснащённости количество ХПК и БПК будет нормальным после того как вода пройдет первые две ступени очищения.
Теперь вы знаете, что такое ХПК (ХПГ) и БПК и для чего проводятся лабораторные исследования.
Что такое химическое потребление кислорода
Присутствующие в воде органические соединения могут претерпевать не только аэробное биохимическое окисление в результате жизнедеятельности бактерий, используемое при определении БПК (см. раздел 6.2.5). При наличии в пробе воды сильных окислителей и соответствующих условий протекают химические реакции окисления органических веществ, причем характеристикой процесса химического окисления, а также мерой содержания в пробе органических веществ является потребление в реакции кислорода, химически связанного в окислителях. Показатель, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ по количеству израсходованного на окисление химически связанного кислорода, называется химическим потреблением кислорода (ХПК). Являясь интегральным (суммарным) показателем, ХПК в настоящее время считается одним из наиболее информативных показателей антропогенного загрязнения вод. Этот показатель, в том или ином варианте, используется повсеместно при контроле качества природных вод, исследовании сточных вод и др. Результаты определения окисляемости выражаются в миллиграммах потребленного кислорода на 1 л воды (мгО/л).
Однако не все органические вещества в равной степени участвуют в реакции химического окисления. Так же, как и при биохимическом окислении, при химическом окислении можно выделить группы легко, нормально и тяжело окисляющихся органических веществ. Поэтому всегда существует разница между теоретически возможным и практически достигаемым значениями ХПК.
Теоретическим значением ХПК (ХПКтеор) называют количество кислорода (или окислителя в пересчете на кислород) в мг/л, необходимое для полного окисления содержащихся в пробе органических веществ, т.е. всех способных окисляться элементов из состава органического соединения. При таком окислении углерод теоретически количественно окисляется до CO2, а сера и фосфор (если они присутствуют в соединении) – до SO3 и P2O5. Азот превращается в аммонийную соль; кислород, входивший в состав окисляемых органических молекул, является «строительным материалом» для образующихся продуктов окисления, а водород переходит в структуру H2O или аммонийной соли.
Например, при окислении синильной кислоты и гликоколя протекают реакции:
Практически используемые методы определения ХПК дают результаты, близкие к ХПКтеор, но всегда отклоняющиеся в ту или иную сторону. При наличии трудно окисляющихся органических веществ их окисление за время реакции проходит неполностью, и это приводит к занижению результата. В то же время, при наличии в пробе неорганических восстановителей, также потребляющих кислород на собственное окисление, результат получается завышенный. Совместное действие обоих факторов и вызывает отклонение реального ХПК от ХПКтеор.
Таким образом, окисляемость, или ХПК, характеризует общее количество содержащихся в воде восстановителей (органических и неорганических), реагирующих с сильными окислителями. В качестве таких окислителей обычно используют бихромат- и перманганат-анионы, и соответственно называются основные методы определения ХПК – бихроматный и перманганатный. Следует отметить, что результаты определения окисляемости одной и той же воды с помощью разных окислителей обычно неоднозначны из-за неодинаковой степени окисления веществ, присутствующих в воде. Результаты зависят также от свойств окислителя, его концентрации, температуры, рН, продолжительности окисления и др. Получаемые результаты сопоставимы только в том случае, когда точно соблюдены все условия проведения анализа.
Бихроматная окисляемость позволяет получить значение ХПК, наиболее приближенное к ХПКтеор, т.е. наиболее полное окисление достигается бихроматом калия. Поэтому определение бихроматной окисляемости является основным методом определения ХПК. Именно бихроматную окисляемость часто называют «химическим потреблением кислорода»*. В условиях этого метода большинство органических соединений окисляется на 95% и более, однако окисляются не все соединения (толуол, бензол, пиридин, парафин и др. практически не окисляются). Катализатором окисления является сульфат серебра, который добавляется в аналитическую рецептуру для ускорения реакции и повышения полноты окисления органических веществ. Избыток бихромата оттитровывается раствором соли Мора. Реакцию проводят в жестких условиях – в 50%-ной (18-нормальной, разбавление 1:1) серной кислоте при кипячении. Содержание неорганических восстановителей в пробе определяют отдельно специальными методами и вычитают из ХПК пробы.
Бихромат при этом восстанавливается согласно уравнению:
В таких условиях получаемый результат обычно составляет 95–98% от ХПКтеор.
На примере окисления фталата калия бихроматом реакцию можно записать следующим образом:
Из уравнения реакции следует, что на окисление 2 молекул фталата калия расходуется 16 молекул кислорода, связанного в бихромате. В весовом отношении ХПКтеор для 1 мг фталата калия составляет 1,175 мгО.
Значения ХПКтеор (в мг кислорода на 1 мг вещества) для разных соединений по данным [12] приведены в табл. 14.
Значения ХПКтеор для разных соединений
Бихроматная окисляемость определяется методом титрования. Соответствующие методики, с незначительными различиями, регламентированы как отечественными руководящими документами, так и международным стандартом ИСО 6060. Согласно методу титрования, избыток бихромата калия после операции окисления (уравнение реакции см. выше) оттитровывают солью Мора в присутствии индикатора, в качестве которого обычно используется ферроин – комплекс 1,10-фенатролина с сульфатом железа (II) (в качестве индикатора может быть также использована N-фенилантраниловая кислота). При этом катион Fe 2+ в титранте реагирует с катионом хрома:
Для определения ХПК, наряду с окислением бихроматом, проводят также окисление перманганатом. Соответствующий показатель называется перманганатной окисляемостью (за рубежом также используют термин «перманганатный индекс»). Перманганатная окисляемость является мерой загрязнения воды окисляемыми органическими и неорганическими веществами, способными к окислению в условиях анализа, и такими условиями являются окисление 0,01 ммоль/л экв. раствором перманганата калия в сернокислой среде или кипячение в течении 10 мин.
Уравнение реакции при окислении пробы перманганатом можно записать следующим образом:
Для определения перманганатной окисляемости используется более простой метод, чем для бихроматной окисляемости, однако он имеет ограниченное применение. Так, определение перманганатной окисляемости может быть рекомендовано (и широко используется) лишь при анализе природных вод для контроля за динамикой содержания легкоокисляющихся веществ природного происхождения (например, гуминовых кислот). И это понятно, т.к. «жестко» окисляющиеся органические загрязнители, часто присутствующие в сточных водах, в природной воде практически не встречаются. Следует отметить также, что именно перманганатная окисляемость является единственным показателем ХПК, регламентирующим качество питьевой воды согласно СанПиН 2.1.4.559-96 (норматив составляет 5,0 мгО/л).
Перманганатная окисляемость может давать некорректные результаты при анализе сточных вод по следующим причинам:
перманганат – недостаточно сильный окислитель, поэтому окисление многих веществ проходит неполно или совсем не проходит;
при кипячении растворов, содержащих перманганат, последний разлагается до диоксида марганца и кислорода (как в кислой, так и в щелочной средах). Выпадающий диоксид марганца каталитически ускоряет процесс, однако в холостой пробе или относительно чистой воде этого не происходит. Процесс осложняется тем, что количество выпадающего диоксида марганца зависит от условий и состава анализируемой пробы.
Как уже отмечалось, в природных водах содержание трудно окисляющихся органических веществ обычно крайне мало, и результаты, получаемые при анализе природных вод бихроматным и перманганатным методами, практически достаточно близки.
Перманганатную окисляемость используют для оценки качества питьевой, водопроводной воды, природной воды источников водоснабжения и др. Ее определение предусмотрено ГОСТом 2761 при обследовании источников хозяйственно-питьевого водоснабжения. Более загрязненные поверхностные и сточные воды** также, с известным приближением, можно анализировать этим методом, однако их необходимо разбавлять. Перманганатную окисляемость нельзя рассматривать как меру теоретического потребления кислорода или общего содержания органических веществ в воде, т.к. ряд органических соединений в условиях этого метода окисляются лишь частично.
Таким образом, для характеристики ХПК как показателя химической активности пробы, традиционно используются методы «мокрой» химии. Тем не менее ХПК определяют также и «сухими» приборными методами. Например, методами сжигания органических веществ пробы в токе кислорода или СО2. Эти методы также позволяют получить результаты, близкие ХПКтеор, однако требуют приборного оснащения, а приборы – соответствующего обслуживания, поверки и т.п.
Помимо хлоридов и нитритов, определению мешают сульфиды, сероводород и железо (2). Все указанные соединения, при их присутствии в пробе, могут быть определены индивидуально, и результат анализа на окисляемость в таком случае уменьшают на величину потребления кислорода этими соединениями. В частности, 1 мг H2S соответствует 0,47 мгО, 1 мг NO 2– – 0,35 мгО, 1 мг Fe 2+ – 0,14 мгО.
Нормативы на ХПК в воде водоемов: для питьевой воды – 5,0 мгО/л (для перманганатной окисляемости), ХПН – 15 мгО/л; КБН – 30 мгО/л (для бихроматной окисляемости).
* Показатель ХПК по международной терминологии (англ.) называется «Сhemical oxyden demand» (COD). При этом имеется в виду исключительно бихроматная окисляемость.
** Для оценки загрязненности сточных вод органическими веществами используют обычно бихроматную окисляемость.
Органические загрязнители, БПК и ХПК
Введение
В воде источников водоснабжения обнаружено несколько тысяч органических веществ разных химических классов и групп. Органические соединения природного происхождения (гуминовые вещества, различные амины и другие) — способны изменять органолептические свойства воды, и по этой причине они должны быть удалены в процессе водоподготовки.
Несомненно, что органические вещества техногенного происхождения при поступлении их с питьевой водой могут неблагоприятно действовать на организм. Аналитический контроль их содержания в питьевой воде затруднен не только ввиду громадного их числа, но и вследствие того, что многие из них весьма неустойчивы и в воде происходит их непрерывная трансформация. Поэтому при аналитическом контроле невозможно идентифицировать все органические соединения, присутствующие в питьевой воде.
Однако многие органические вещества обладают выраженными органолептическими свойствами (запахом, вкусом, цветом, способностью к пенообразованию), что позволяет их выявить и ограничить их содержание в питьевой воде. Примерами таких веществ являются: синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), в незначительных (нетоксических) концентрациях образующие пену; фенолы, придающие воде специфический запах; многие фосфорорганические соединения.
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. 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.
БПК и ХПК
Интегральное содержание органических веществ оценивается по показателям БПК и ХПК.
Биохимическое и химическое потребление кислорода — БПК и ХПК , принятые в гигиене, гидрохимии и экологии, интегральные показатели, характеризующие содержание в воде нестабильных (неконсервативных) органических веществ, трансформирующихся в воде путем гидролиза, окисления и других процессов. Содержание таких веществ выражается через количество кислорода, необходимое для их окисления в резко кислой среде перманганатом (БПК) или бихроматом (ХПК). К таким веществам относят алифатические кислоты, некоторые эфиры, амины, спирты.
В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества разрушаются бактериями, претерпевая аэробное биохимическое окисление с образованием CO2. При этом на окисление потребляется растворенный в воде кислород (РК). В водоемах с большим содержанием органических веществ большая часть кислорода потребляется на биохимическое окисление, лишая, таким образом, кислорода другие организмы. Поэтому увеличивается количество организмов, более устойчивых к низкому содержанию кислорода, исчезают кислородолюбивые виды. Таким образом, в процессе биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации кислорода, 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).
БПК — это количество кислорода в (мг), требуемое для окисления находящихся в 1 литре воды органических вещества в аэробных условиях, без доступа света, при 20 °С, за определённый период в результате протекающих в воде биохимических процессов.
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 (то есть 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). Может определяться также БПК10 за 10 суток и БПКполн. за 20 суток (при этом окисляется около 90 % и 99 % органических веществ соответственно). Ориентировочно принимают, что БПК5 составляет около 70 % БПКполн., но может составлять от 10 % до 90 % в зависимости от окисляющегося вещества. 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 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.
Таблица 1. Величины БПК5 в водоемах с различной степенью загрязненности
| Степень загрязнения (классы водоемов) | БПК5, мг O2/дм 3 |
|---|---|
| Очень чистые | 0,5–1,0 |
| Чистые | 1,1–1,9 |
| Умеренно загрязненные | 2,0–2,9 |
| Загрязненные | 3,0–3,9 |
| Грязные | 4,0–10,0 |
| Очень грязные | 10,0 |
Норматив на БПКполн. 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 2 мг/л и 4 мг/л.
Величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых одним из сильных химических окислителей при определенных условиях, называется окисляемостью или ХПК. Существует несколько видов окисляемости воды: перманганатная, бихроматная, иодатная, цериевая.
Являясь интегральным (суммарным) показателем, ХПК в настоящее время считается одним из наиболее информативных показателей антропогенного загрязнения вод. Этот показатель, в том или ином варианте, используется повсеместно при контроле качества природных вод, исследовании сточных вод и др. Результаты определения окисляемости выражаются в миллиграммах потребленного кислорода на 1 литр воды (мгО/л).
В водоемах и водотоках, подверженных сильному воздействию хозяйственной деятельности человека, изменение окисляемости выступает как характеристика, отражающая режим поступления сточных вод. Для природных малозагрязненных вод рекомендовано определять перманганатную окисляемость; в более загрязненных водах определяют, как правило, бихроматную окисляемость (ХПК).
В программах мониторинга ХПК используется в качестве меры содержания органического вещества в пробе, которое подвержено окислению сильным химическим окислителем. ХПК применяют для характеристики состояния водотоков и водоемов, поступления бытовых и промышленных сточных вод (в том числе, и степени их очистки), а также поверхностного стока.
Таблица 2. Величины ХПК в водоемах с различной степенью загрязненности
| Степень загрязнения (классы водоемов) | ХПК, мг О/дм 3 |
|---|---|
| Очень чистые | 1 |
| Чистые | 2 |
| Умеренно загрязненные | 3 |
| Загрязненные | 4 |
| Грязные | 5–15 |
| Очень грязные | >15 |
Однако не все органические вещества в равной степени участвуют в реакции химического окисления. Так же, как и при биохимическом окислении, при химическом окислении можно выделить группы легко, нормально и тяжело окисляющихся органических веществ. Поэтому всегда существует разница между теоретически возможным и практически достигаемым значениями ХПК. Мешают точному определению ХПК в первую очередь, хлорид-анионы, как правило, содержащиеся в природных и, особенно, в сточных водах. Определению также мешают нитриты, часто присутствующие в водах, прошедших биохимическую очистку.
Нормативы на ХПК в воде водоемов: для питьевой воды – 5,0 мгО/л (для перманганатной окисляемости), ХПК – 15 мгО/л.