БПК и ХПК сточных вод. Определение, показатели и нормы в стоках

Качество сточных вод характеризуется рядом существенных показателей, которые позволяют оценить величину загрязнения стоков, а также подобрать наиболее продуктивную технологию очистки.

Степень загрязнения стоков может быть охарактеризована параметром окисляемости, который непосредственно связан со способностью жидкой среды к насыщению кислородом.

Традиционно различают химическое потребление кислорода (ХПК) и биохимическое потребление кислорода (БПК). Величина этих показателей отражает объем загрязнений стоков и позволяет определить расход кислорода, необходимый для разложения загрязняющих органических соединений.

Определение БПК и ХПК

БПК или биохимическое потребление кислорода определяет величину кислорода, которая потребуется аэробным микроорганизмам на разложение легко окисляемой органики. Данный процесс можно описать как окисление органики биологическим путем, завершающийся образованием диоксида углерода и воды. На практике чаще всего пользуются значениями БПК5 и БПКполн, которые выражаются количеством О₂ в мг на л.

ХПК или химическое потребление кислорода характеризует обобщенную величину кислорода, требующуюся для окисления органических соединений, содержащихся в сточных водах, химическим путем. Иначе говоря, позволяет определить необходимое количество кислорода, которое потребуется для превращения органического углерода в углекислый газ, азотсодержащих веществ в аммиак, а серосодержащих веществ в сернистый ангидрид.

Взаимосвязь между ХПК и БПК

Следует отметить, что величина ХПК в одних и тех же сточных водах всегда превышает значения БПК.

По соотношению между показателями ХПК и БПК можно судить о составе сточных вод и о наиболее предпочтительном методе очистки. Так, например, небольшая разница между данными параметрами указывает на пригодность стоков к очистке биологическими методами. Это объясняется тем, что чем больше в сточных водах загрязняющих соединений, поддающихся биологическому окислению, тем выше показатели БПК.

При этом, если ХПК значительно превышает БПК, это говорит о наличии в стоках стойких органических соединений, не подвергающихся биохимическим взаимодействиям, а также о том, что стоки, скорее всего, образовались в результате производственных процессов. В таком случае целесообразно использовать физико-химические способы очистки.

Методы определения ХПК

Сущность метода определения ХПК заключается в обработке исследуемого образца окислителем (бихроматом или перманганатом) совместно с серной кислотой. Суммарное количество всех органических соединений, находящихся в пробе, можно охарактеризовать именно по их окисляемости.

В соответствии с выбранным типом окислителя различают:

• Перманганатный анализ позволяет судить о содержании легкоокисляемых соединений.
• Бихроматный анализ – наиболее предпочтительный метод определения окисляемости, так как бихроматом окисляются практически все органические вещества (согласно ГОСТ 31859-2012 при проведении анализа в качестве катализатора применяется сульфат серебра и сульфат ртути, необходимый для снижения хлоридов).

Измерение ХПК в чистой и сточной воде

Титриметрический метод

Классический метод определения ХПК основан на реакции окисления веществ органической природы избытком K₂Cr₂O₇ в растворе H₂SO_4. Процесс идет при нагревании и в присутствии катализатора – Ag₂SO₄. Остаток бихромата находят титрованием раствором соли Мора, а затем по разности определяют количество K₂Cr₂O₇, израсходованного на окисление органических веществ.

Фотометрический метод

Один из самых распространенных методов определения ХПК — фотометрический (по ГОСТ 31859-2012), для реализации которого необходим фотометр, термореактор и реактивы.

Определение ХПК по ГОСТ 31859-2012 проводится в два этапа:

• Окисление пробы воды, обработанной реагентами, при заданной температуре в термореакторе. Концентрированная H₂SO₄ и K₂Cr₂O₇ выступают в качестве сильных окислителей. Ag₂SO₄ служит катализатором окисления. Для снижения мешающего влияния хлоридов добавляется сульфат ртути (II)
• Фотометрирование. Оптическую плотность раствора (D) измеряют при помощи фотометра при заданной длине волны. Далее полученные значения D анализируют в соответствии с предварительно построенной градуировочной зависимостью оптической плотности раствора от концентрации ХПК

Реактивы для фотометрического определения ХПК можно приготовить самостоятельно, но практичнее воспользоваться тест-наборами — предварительно дозированными реагентами в реакционных кюветах.

Требования к показателю ХПК

Как говорилось ранее, по показателю ХПК можно судить о степени загрязненности воды. Значение ХПК менее 10 мг/дм3 говорит о слабом загрязнении воды, ХПК в пределах 10-20 мг/дм3 — о среднем загрязнении, а более высокие значения ХПК (до 65 мг/дм3 и выше) характеризуют сильное загрязнение воды и необходимость очистки.

Для сравнения, величина ХПК питьевой воды не превышает 5 мг/дм3.

Следует отметить, что на сегодняшний день в России существуют нормативы ХПК при сбросе сточных вод в водоемы питьевого и хозяйственно-бытового назначения и водоемы, используемые для рекреационного назначения. Величина ХПК при сбросе в указанные водоемы не должна превышать 15 мг/дм3 и 30 мг/дм3 соответственно (СанПин 2.1.5.980-00). В то же время предельно допустимые показатели ХПК для сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения не нормируются.

Различие между БПК полное и БПК5

Под термином БПКполное чаще всего подразумевают 20-ти суточное потребление кислорода, необходимое для полного завершения окисления углеродсодержащей органики. Как правило, этого времени достаточно для завершения окисления, хотя при исследовании сточных вод сложного состава, например промышленных сточных вод, период исследования может продолжаться и более 30 суток.

Понятие БПК₅ в свою очередь отражает неполное окисление органических веществ, происходящее в течение 5-ти суток.

Индекс после аббревиатуры обозначает инкубационный период в сутках, в течение которого проводился анализ. В зависимости о продолжительности испытаний возможно определение биохимического окисления  за 5 суток (БПК₅), за 10 суток (БПК₁₀), за 15 суток (БПК₁₅) и т.д.

Стоит отметить, что при сбросе стоков в водоемы рыбохозяйственного назначения к качеству воды предъявляются требования и по БПК₅ и по БПКполн. БПК₅ не должно превышать 2,1 мг/дм3, а БПКполн 3,0 мг/дм3.

Показатель БПКполное на сегодняшний день используется чаще и дает более эффективную характеристику качества сточных вод.

Методы определения БПК

Расчет величины БПК проводится биологическим методом, имитирующим природные процессы самоочищения в водном объекте и основывается на способности микроорганизмов использовать растворенный кислород для биохимического окисления загрязняющих веществ.

Стандартная методика определения БПК учитывает следующие обязательные условия проведения испытаний, такие как:  продолжительность инкубации (например: 5 сут. для БПК₅), отсутствие доступа света и воздуха, постоянная температура 20 ^oС.

В основу методики расчета величины БПК положено определение разницы концентрации растворенного кислорода в пробе в начале испытаний и после выдержки в течение заданного времени (5-20 сут.) при указанных выше условиях.

Необходимо учитывать, что в процессе измерения БПК происходит только частичное окисление органики, которое обеспечивает прирост биомассы и необходимую для роста микроорганизмов энергию.

Влияние высоких значений ХПК и БПК на человека и окружающую среду

ХПК и БПК — основные признаки наличия органики в сточных водах и при их значительном превышении можно судить о высокой степени загрязнённости стоков.

Во-первых, недостаточно очищенная вода, содержащая трудно окисляемые вещества и вредные токсичные соединения вызывает гибель живых организмов. Наличие в воде избыточного содержания азота и фосфора способствуют началу цветения водоемов, образованию нейро- и гепатоксинов, которые при попадании в организм человека могут вызывать заболевания печени и центральной нервной системы. Попадание в почву слабо очищенных сточных вод приводит к накоплению в почвенном слое различных вредных химических соединений, негативно влияющих на плодородный слой.

Во-вторых, недостаток кислорода, приводит к гибели рыб и других живых организмов, так как необходимый им для дыхания  кислород расходуется бактериями на окисление органики.

Бытовые и промышленные сточные воды

Сточные воды по типу своего происхождения можно подразделить на хозяйственно-бытовые и промышленные.

Само понятие «бытовых стоков» указывает на образование сточных вод под воздействием жизнедеятельности человека. Состав хозяйственно-бытовых вод сравнительно однороден и включает в основном органические включения (фекалии, пищевые отходы), различные виды бактерий, а также синтетические вещества, применяемые в быту (моющие и чистящие средства).

Промышленные стоки, в отличие от бытовых, обладают более сложным специфическим составом и повышенной концентрацией загрязняющих веществ.  Наличие тех или иных загрязнений зависит от типа промышленного предприятия и технологических процессов производства. Так, в составе промышленных стоков предприятий пищевой промышленности в основном присутствуют взвешенные вещества и жиры, для них характерны значения БПК более 1000 мгО₂/л. В свою очередь для производственных сточных вод химической промышленности наиболее характерными загрязняющими веществами являются фенолы, синтетические поверхностные вещества (СПАВ), сложные органические соединения, тяжелые металлы (ртуть, цинк, железо). Данному типу стоков свойственны повышенный ХПК, например: стоки от цехов производств фенола обладают ХПК (от 1500 и выше мгО₂/л). Хочется отметить, что именно промстоки, содержащие тяжелые металлы, радиоактивные и токсические вещества представляют собой наибольшую опасность для окружающей среды.

Необходимо подчеркнуть, что величина ХПК и БПК промышленных стоков всегда выше, чем у бытовых.

Методы очистки сточных вод и снижение показателей ХПК и БПК

Для подбора эффективной технологической схемы очистки стоков требуется тщательное исследование поступающих сточных вод по ряду характеристик, включая БПК и ХПК, понимание природы происхождения стоков (производственные, хозяйственно-бытовые или смешанные), а также знание требований к нормам сброса очищенных стоков.

Основной целью производимой очистки является значительное сокращение концентраций нечистот до достижения требований, указанных в нормативной документации согласно действующему законодательству.

Очистка сточных вод включает в себя целый комплекс последовательных мероприятий, направленный на полное изъятие растворимых и нерастворимых загрязнений. Достижению необходимого результата способствуют различные методы очистки, включая:

• механические
• физико-химические
• химические
• биологические

Указанные выше способы очистки могут быть применены по отдельности, но для достижения лучшего результата следует использовать их в комбинации.

Механическая очистка (на решетках, песколовках, в отстойниках) как самостоятельный вид очистки применяется достаточно редко и в основном является подготовительным этапом, предочисткой.

Химические и физико-химические методы очистки применяются для обработки концентрированных сточных вод, в основном для промышленных стоков. К химическим методам можно отнести коагулирование и нейтрализацию, к физико-химическим — флотацию, дезактивацию, ионный обмен, сорбцию и т. д. Вышеперечисленные типы удаления загрязнений позволяют решить ряд вопросов, необходимых для нормального хода дальнейшего процесса биологической очистки: привести рН сточных вод к допустимым нормам, очистить сточные воды от масел, жиров, нефтепродуктов, смол, ПАВ, удалить коллоидные и мелкодисперсные частицы, а также снизить показатели ХПК и БПК в среднем на 40–60%.

Для осуществления полного удаления загрязнителей из сточных вод применяется биологическая очистка, включающая анаэробно-аэробное окисление. Сущность данного метода очистки заключается в разложении органических веществ до минеральных соединений путем окислительно-восстановительных реакций, протекающих под действием микроорганизмов.

Эффективность очистки воды после проведения указанного комплекса очистных процедур достигает 90–99%.

В завершение хочется отметить, что анализ состава сточных вод приобретает особо важное значение при выборе наиболее успешного технологического решения по их очистке, а также раскрывает полную информацию о протекающих биохимических процессах.

По вопросам подбора оборудования очистных сооружений обращайтесь по телефонам 8-800-222-45-62, 8-8313-34-75-40, пишите на почту acs@acs-nnov.ru либо воспользуйтесь кнопкой ниже.