Биохимическая (БПК) и химическая (ХПК)

Потребность в кислороде

Всякое органическое вещество при наличии кислорода воздуха и под воздействием микроорганизмов-минерализаторов окисляется. Органическое вещество в сточной воде, попадающее в водоем, подвергается биохимическому окислению. Скорость этого процесса зависит в первую очередь от наличия свободного кислорода, содержащегося в сточной воде и в водоеме. Кислород пополняется вновь в основном с поверхности водного зеркала за счет диффузии из воздуха. Процесс биохимического аэробного окисления, т. е. в присутствии кислорода, имеет две фазы: в первой фазе окисляются углеродосодержащие вещества, выделяя углекислоту и воду; во второй – окисляются азотсодержащие вещества, сначала до солей азотистой кислоты, а затем солей азотной кислоты – нитратов. Эта фаза носит название нитрификации. Если кислорода достаточно, то процесс окисления в первой углеродистой фазе подчиняется определенному закону, а именно: скорость окисления (или скорость потребления кислорода) при одинаковой температуре в каждый момент времени пропорциональна количеству остающихся в сточной воде органических веществ. Чем меньше остается в воде органических веществ, тем медленнее идет процесс окисления. Этот закон может быть представлен уравнением

(6.3)

где L_t – количество кислорода, необходимое для окисления органического вещества за некоторый период времени t;

L_а – количество кислорода, которое необходимо для окисления органического вещества, имеющегося в начале процесса;

k₁ – константа скорости биохимического потребления кислорода сточной водой.

Значение константы пропорциональности изменяется в зависимости от температуры: чем выше температура, тем больше константа.

Скорость растворения кислорода в каждый данный момент обратно пропорциональна степени насыщенности воды кислородом или прямо пропорциональна его недонасыщенности (дефициту). Если обозначить через D_a начальный дефицит кислорода, т. е. недостачу его до полного насыщения, выраженную в долях от полного дефицита, а через D_t – дефицит кислорода в воде через некоторое время времени t, то закон растворения может быть выражен уравнением

(6.4)

где k₂ – константа скорости растворения кислорода, зависящая от природы газа, температуры среды, состояния поверхности водоема и условий перемешивания воздуха с водой.

Величина константы k₂, как и величина k₁, сильно колеблется; для предварительных подсчетов она может быть принята равной 0,2 при температуре воды 20 °С.

По содержанию в воде солей азотистой и азотной кислот можно судить о полноте происходящих процессов окисления. Если в воде содержится большое количество нитратов, это свидетельствует о том, что вода чистая и процесс окисления органических веществ в воде в основном закончен. При отсутствии кислорода в воде для последующего окисления веществ может частично использоваться кислород, содержащийся в солях азотистой и азотной кислот. Этот процесс отщепления кислорода от солей азотистой и азотной кислот носит название процесса денитрификации.

Степень загрязнения сточной воды органическими веществами можно определить по количеству кислорода, необходимому для окисления органических веществ под воздействием аэробных микроорганизмов-минерализаторов, которые существуют в присутствии кислорода. Общее количество кислорода, необходимое для окисления органических веществ аэробными микроорганизмами-минерализаторами, называется биохимической потребностью в кислороде, обозначается БПК и выражается количеством кислорода в миллиграммах на 1 л (мг/л) или в граммах на 1 м³ (г/м³).

Биохимическую потребность в кислороде сточной жидкости определяют лабораторным путем. Биохимическая потребность в кислороде в 5-суточной пробе при температуре 20 °С обозначается БПК₅. В качестве основного показателя для расчета очистных сооружений служит величина БПК_полн, т. е. количество кислорода, расходуемое для полного окисления биохимическим путем. Для многих видов сточных вод для проведения полного биохимического процесса необходимо 20 суток, т. е. БПК_полн или БПК₂₀.

Концентрация сточных вод по БПК₂₀ в зависимости от нормы водоотведения может быть определена по формуле

(6.5)

где L_a – БПК₂₀, мг/л;

а – БПК₂₀, г/сут на одного человека;

q_н – норма водоотведения, л/сут на одного человека.

В процессе биохимического окисления часть органического вещества расходуется на прирост микроорганизмов-минерализаторов, что БПК₂₀ не учитывается. При определении БПК₂₀ не учитывают также стойкие органические вещества, которые биохимически не разрушаются.

Чтобы полнее оценить содержание органического вещества в сточной воде, определяют химическое потребление кислорода. Общее количество кислорода, необходимое для перевода углерода органических соединений в углекислоту, водорода в воду, азота в аммиак, серы в серный ангидрид, называется химической потребностью в кислороде и обозначается ХПК.

Разность ХПК – БПК₂₀ может служить показателем прироста микробиальной среды (ила). Для городских сточных вод эта разность не имеет существенного значения, так как БПК₂₀ городских сточных вод составляет 86 % ХПК; однако многие производственные сточные воды имеют ХПК, превышающую БПК₂₀ на 50 % и более.

Соотношение между БПК₂₀ и ХПК показывает на необходимость применения биохимической очистки сточных вод, что необходимо знать как при решении вопроса приема промышленных сточных в городские водоотводящие сети, так и при самостоятельной очистке промышленных сточных вод.

Для определения БПК смеси можно пользоваться формулой

(6.6)

где L_б – БПК₂₀ бытовых сточных вод;

L_пр – БПК₂₀ производственных сточных вод;

Q_б – расход бытовых сточных вод, м³/сут;

Q_пр – расходы производственных сточных вод, м³/сут.