Биохимическая потребность в кислороде (также известная как БПК или биологическая потребность в кислороде ) — это аналитический параметр , представляющий количество растворенного кислорода (РК), потребляемого аэробными бактериями, растущими на органическом материале, присутствующем в образце воды при определенной температуре в течение определенного периода времени. Значение 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 . [1]
Снижение биохимической потребности в кислороде (БПК) используется в качестве показателя эффективности очистных сооружений. БПК сточных вод используется для указания краткосрочного воздействия на уровень кислорода в принимающей воде.
Анализ БПК по своей функции аналогичен анализу химического потребления кислорода (ХПК), поскольку 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 окисленных органических веществ.
Большинство природных вод содержат небольшое количество органических соединений. Водные микроорганизмы эволюционировали, чтобы использовать некоторые из этих соединений в качестве пищи . 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, как правило, увеличиваются 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 раствориться в воде или автотрофное сообщество (водоросли, цианобактерии и макрофиты) может его производить. Рыбы и водные насекомые могут погибнуть, когда кислород истощается микробным метаболизмом. [2]
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, концентрации питательных веществ и ферментов , доступных для местных популяций микроорганизмов. Количество кислорода, необходимое для полного окисления органических соединений до углекислого газа и воды через поколения микробного роста, смерти, распада и каннибализма, является общей биохимической потребностью в кислороде (общая БПК). Общая БПК имеет большее значение для пищевых цепей , чем для качества воды . Истощение растворенного кислорода, скорее всего, станет очевидным во время первоначального взрыва популяции водных микроорганизмов в ответ на большое количество органического материала. Однако, если популяция микроорганизмов дезоксигенирует воду, этот недостаток кислорода накладывает ограничение на рост популяции аэробных водных микробных организмов, что приводит к более долгосрочному избытку пищи и дефициту кислорода. [3]
Стандартная температура, при которой следует проводить тестирование БПК, была впервые предложена Королевской комиссией по утилизации сточных вод в ее восьмом отчете в 1912 году:
(c) Сточные воды для соответствия общему стандарту не должны содержать при сбросе более 3 частей на 100 000 взвешенных веществ, а вместе с включенными взвешенными веществами не должны поглощать при температуре 65 °F (18,3 °C) более 2,0 частей на 100 000 растворенного кислорода в течение 5 дней. Этот общий стандарт должен быть предписан либо Уставом, либо приказом Центрального органа и должен подлежать изменениям этим органом с интервалом не менее десяти лет. [4]
Позднее она была стандартизирована до 68 °F, а затем до 20 °C. Эта температура может значительно отличаться от температуры естественной среды тестируемой воды.
Хотя Королевская комиссия по утилизации сточных вод предложила 5 дней в качестве адекватного периода испытаний для рек Соединенного Королевства Великобритании и Ирландии , для рек Северной Америки были исследованы более длительные периоды . Инкубационные периоды в 1, 2, 5, 10 и 20 дней использовались до середины 20-го века. [5] Поддерживая растворенный кислород доступным при выбранной ими температуре, исследователи обнаружили, что до 99 процентов от общего БПК было задействовано в течение 20 дней, 90 процентов в течение 10 дней и приблизительно 68 процентов в течение 5 дней. [6] Переменные сдвиги микробной популяции в сторону нитрифицирующих бактерий ограничивают воспроизводимость испытаний для периодов, превышающих 5 дней. 5-дневный протокол испытаний с приемлемо воспроизводимыми результатами, подчеркивающими углеродистый БПК, был одобрен Агентством по охране окружающей среды США (EPA). Этот 5-дневный результат испытания БПК можно описать как количество кислорода, необходимое водным микроорганизмам для стабилизации разлагаемого органического вещества в аэробных условиях. [7] Стабилизация в этом контексте может восприниматься в общих чертах как преобразование пищи в живую водную фауну . Хотя эта фауна будет продолжать испытывать биохимическую потребность в кислороде по мере своей смерти, это, как правило, происходит в более стабильной эволюционировавшей экосистеме , включающей более высокие трофические уровни . [3]
Королевская комиссия по загрязнению рек , созданная в 1865 году, и формирование Королевской комиссии по утилизации сточных вод в 1898 году привели к выбору в 1908 году БПК 5 в качестве окончательного теста на органическое загрязнение рек. Пять дней были выбраны в качестве подходящего периода тестирования, поскольку это предположительно самое длительное время, которое требуется речной воде для путешествия от источника до устья в Великобритании. В своем шестом отчете Королевская комиссия рекомендовала, чтобы стандартный набор составлял 15 частей по весу на миллион воды. [8] Однако в Девятом отчете комиссия пересмотрела рекомендуемый стандарт:
Сточные воды, содержащие 2–0 частей растворенного кислорода на 100 000, будут найдены простым расчетом, требующим разбавления по крайней мере 8 объемами речной воды, содержащими 0,2 части, если полученная смесь не должна была содержать более 0,4 части. Наш опыт показал, что в 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, является осуществимой, будет безопасной цифрой для принятия в целях общего стандарта, взятого в сочетании с условием, что сточные воды не должны содержать более 3–0 частей на 100 000 взвешенных твердых частиц. [8]
Это был краеугольный камень 20:30 (БПК: взвешенные твердые частицы) + стандарт полной нитрификации , который использовался в качестве критерия в Великобритании вплоть до 1970-х годов для оценки качества сточных вод очистных сооружений .
Соединенные Штаты включают ограничения на сточные воды по БПК в свои правила вторичной очистки . Вторичная очистка сточных вод, как правило, должна удалять 85 процентов БПК, измеренных в сточных водах, и производить концентрации 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 «очистку, эквивалентную вторичной очистке», как удаление 65 процентов БПК и производство концентраций БПК в сточных водах со средним значением за 30 дней менее 45 мг/л и средним значением за 7 дней менее 65 мг/л. [9]
Большинство чистых рек будут иметь 5-дневный углеродистый БПК ниже 1 мг/л. Умеренно загрязненные реки могут иметь значение БПК в диапазоне от 2 до 8 мг/л. Реки могут считаться сильно загрязненными, когда значения БПК превышают 8 мг/л. [10] Муниципальные сточные воды , которые эффективно очищаются 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 200 мг/л в США или там, где есть сильная инфильтрация/приток грунтовых или поверхностных вод . В целом более низкие значения в США вытекают из гораздо большего потребления воды на душу населения, чем в других частях мира. [1]
Показатель БПК используется для измерения объемов сброса отходов на очистные сооружения и для оценки эффективности удаления БПК такими системами очистки.
Винклер опубликовал методологию простой, точной и прямой аналитической процедуры растворенного кислорода в 1888 году. [11] С тех пор анализ уровней растворенного кислорода в воде стал ключевым для определения поверхностных вод. Метод Винклера до сих пор является одним из двух аналитических методов, используемых для калибровки кислородных электродных измерителей; 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 в качестве стандартных методов.
Этот стандартный метод признан EPA, который обозначен как Метод 5210B в Стандартных методах исследования воды и сточных вод. [12] Для того чтобы получить БПК5 , концентрации растворенного кислорода (РК) в образце должны быть измерены до и после периода инкубации и соответствующим образом скорректированы с помощью соответствующего фактора разбавления образца. Этот анализ выполняется с использованием инкубационных бутылок объемом 300 мл, в которые буферизованная разбавляющая вода дозируется с посевными микроорганизмами и хранится в течение 5 дней в темной комнате при температуре 20 °C, чтобы предотвратить образование РК посредством фотосинтеза. Бутылки традиционно изготавливались из стекла, которое требовало очистки и ополаскивания между образцами. Доступна одобренная SM 5210B одноразовая пластиковая бутылка БПК , которая исключает этот шаг. В дополнение к различным разбавлениям образцов БПК, эта процедура требует холостых растворов разбавляющей воды, контролей глюкозы-глутаминовой кислоты (ГГК) и контролей семян. Бланк разбавляющей воды используется для подтверждения качества разбавляющей воды, которая используется для разбавления других образцов. Это необходимо, поскольку примеси в разбавляющей воде могут вызвать значительные изменения в результатах. Контроль GGA представляет собой стандартизированный раствор для определения качества семян, где рекомендуемая концентрация БПК 5 составляет 198 мг/л ± 30,5 мг/л. Для измерения углеродистого БПК (cБПК) ингибитор нитрификации добавляется после добавления к образцу разбавляющей воды. Ингибитор препятствует окислению аммиачного азота, который обеспечивает азотистый БПК (nБПК). При выполнении теста БПК 5 общепринятой практикой является измерение только cБПК, поскольку потребность в азоте не отражает потребность в кислороде органического вещества. Это происходит потому, что nБПК образуется при распаде белков, тогда как cБПК образуется при распаде органических молекул.
БПК 5 рассчитывается по формуле:
где:
Этот метод ограничивается измерением потребления кислорода только за счет окисления углерода. Окисление аммиака ингибируется.
Образец хранится в герметичном контейнере, оснащенном датчиком давления . Вещество, поглощающее углекислый газ (обычно гидроксид лития ), добавляется в контейнер выше уровня образца. Образец хранится в условиях, идентичных методу разбавления. Кислород потребляется, и, поскольку окисление аммиака ингибируется, выделяется углекислый газ. Общее количество газа, а следовательно, и давление, уменьшаются, поскольку поглощается углекислый газ. Из падения давления электроника датчика вычисляет и отображает потребленное количество кислорода.
Основными преимуществами данного метода по сравнению с методом разбавления являются:
Альтернативой измерению БПК является разработка биосенсоров, которые представляют собой устройства для обнаружения аналита, объединяющие биологический компонент с физико-химическим компонентом детектора. Ферменты являются наиболее широко используемыми биологическими чувствительными элементами при изготовлении биосенсоров. Их применение в создании биосенсоров ограничено утомительными, трудоемкими и дорогостоящими методами очистки ферментов. Микроорганизмы представляют собой идеальную альтернативу этим узким местам. [13]
Многие микроорганизмы, полезные для оценки БПК, относительно легко содержать в чистых культурах, выращивать и собирать при низких 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, использовались многими работниками для создания биосенсора БПК. С другой стороны, многие работники иммобилизовали активированный 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. [14]
Определенный микробный консорциум может быть сформирован путем проведения систематического исследования, т. е. предварительного тестирования выбранных микроорганизмов для использования в качестве посевного материала в анализе БПК самых разных промышленных стоков. Такой сформулированный консорциум может быть иммобилизован на подходящей мембране, т. е. заряженной нейлоновой мембране. Заряженная нейлоновая мембрана подходит для микробной иммобилизации из-за специфического связывания между отрицательно заряженной бактериальной клеткой и положительно заряженной нейлоновой мембраной. Таким образом, преимущества нейлоновой мембраны по сравнению с другими мембранами заключаются в следующем: Двойное связывание, т. е. адсорбция, а также улавливание, что приводит к более стабильной иммобилизованной мембране. Такие специфические микробные консорциумы на основе аналитических устройств БПК могут найти широкое применение при мониторинге степени концентрации загрязняющих веществ в самых разных промышленных сточных водах в течение очень короткого времени. [14]
Биосенсоры могут использоваться для косвенного измерения БПК с помощью быстрой (обычно <30 мин) определяемой замены БПК и соответствующего метода калибровочной кривой (впервые предложенного Карубе и др., 1977). Следовательно, биосенсоры теперь доступны на рынке, но у них есть несколько ограничений, таких как высокие затраты на техническое обслуживание, ограниченная продолжительность работы из-за необходимости реактивации и неспособность реагировать на изменяющиеся качественные характеристики, как это обычно происходит в потоках очистки сточных вод; например, процессы диффузии биоразлагаемого органического вещества в мембрану и различные реакции различных видов микроорганизмов, что приводит к проблемам с воспроизводимостью результата (Прээт и др., 1995). Другим важным ограничением является неопределенность, связанная с функцией калибровки для перевода замены БПК в реальное БПК (Растум и др. , 2008).
Суррогат БПК 5 был разработан с использованием производного резазурина , который показывает степень поглощения кислорода микроорганизмами для минерализации органического вещества. [15] Перекрестная проверка, проведенная на 109 образцах в Европе и Соединенных Штатах, показала строгую статистическую эквивалентность результатов обоих методов. [16]
Разработан электрод 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: [17]
Определение концентрации кислорода методом гашения люминесценции имеет линейный отклик в широком диапазоне концентраций кислорода и отличается превосходной точностью и воспроизводимостью. [18]
Разработка аналитического прибора, использующего окислительно-восстановительную (редокс) химию кислорода в присутствии разнородных металлических электродов, была представлена в 1950-х годах. [19] Этот окислительно-восстановительный электрод использовал 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 вплоть до уровней ± 0,1 мг/л растворенного кислорода. Калибровка окислительно-восстановительного электрода этого мембранного электрода по-прежнему требует использования таблицы законов Генри или теста Винклера для растворенного кислорода .
Были предложения по автоматизации для быстрого прогнозирования БПК, чтобы его можно было использовать для мониторинга и управления процессами в режиме реального времени. Например, использование метода компьютерного машинного обучения для быстрого вывода о БПК с использованием легко измеряемых параметров качества воды. Такие параметры, как скорость потока, химическая потребность в кислороде, аммиак, азот, pH и взвешенные твердые частицы, можно получить напрямую и надежно с помощью онлайновых аппаратных датчиков. При проверке 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 учитывать некоторые недостающие данные. Он показал, что этот подход возможен, но требует достаточного количества исторических данных. [20]
До недавнего времени мониторинг БПК в реальном времени был недостижим из-за его сложной природы. Недавние исследования ведущего британского университета обнаружили связь между несколькими параметрами качества воды, включая электропроводность, мутность, TLF и CDOM. [21] [22] Все эти параметры можно контролировать в реальном времени с помощью комбинации традиционных методов (электропроводность через электроды) и более новых методов, таких как флуоресценция. Мониторинг триптофанподобной флуоресценции (TLF) успешно использовался в качестве прокси-сервера для биологической активности и подсчета, особенно с акцентом на Escherichia coli (E. Coli). [23] [22] [24] [25] Мониторинг на основе TLF применим в широком диапазоне сред, включая, но не ограничиваясь, очистными сооружениями и пресными водами. Поэтому наблюдается значительный прогресс в направлении комбинированных сенсорных систем, которые могут контролировать параметры и использовать их в реальном времени для получения показаний БПК лабораторного качества.
Разработка аналитического прибора, использующего окислительно-восстановительную (редокс) химию кислорода в присутствии разнородных металлических электродов, была представлена в 1950-х годах. [26] Этот окислительно-восстановительный электрод (также известный как датчик растворенного кислорода [27] ) использовал 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 вплоть до уровней ± 0,1 мг/л растворенного кислорода. Калибровка окислительно-восстановительного электрода этого мембранного электрода по-прежнему требует использования таблицы законов Генри или теста Винклера для растворенного кислорода .
Метод тестирования включает переменные, ограничивающие воспроизводимость. Тесты обычно показывают наблюдения, варьирующиеся плюс или минус десять-двадцать процентов вокруг среднего. [29] : 82
Некоторые отходы содержат химикаты, способные подавлять микробиологический рост или активность. Потенциальные источники включают промышленные отходы, антибиотики в фармацевтических или медицинских отходах , дезинфицирующие средства в пищевой промышленности или коммерческих чистящих средствах, хлорирование, используемое после обычной очистки сточных вод, и составы для контроля запаха, используемые в санитарных емкостях для отходов в пассажирских транспортных средствах или переносных туалетах. Подавление микробного сообщества, окисляющего отходы, снизит результат теста. [29] : 85
Тест основан на микробной экосистеме с ферментами, способными окислять доступный органический материал. Некоторые сточные воды, такие как воды от биологической вторичной очистки сточных вод , уже содержат большую популяцию микроорганизмов, акклиматизированных к тестируемой воде. Значительная часть отходов может быть использована в течение периода выдержки до начала процедуры тестирования. С другой стороны, органические отходы из промышленных источников могут потребовать специализированных ферментов. Микробным популяциям из стандартных источников семян может потребоваться некоторое время для производства этих ферментов. Специализированная культура семян может быть подходящей для отражения условий эволюционировавшей экосистемы в принимающих водах. [29] : 85–87