6.1.2. 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 Lt – количество кислорода, необходимое для окисления органического вещества за некоторый период времени t;
Lа – 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 Da начальный дефицит кислорода, т. е. недостачу его до полного насыщения, выраженную в долях от полного дефицита, а через Dt – 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 БПКполн, 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. БПКполн или БПК20.
Концентрация сточных вод по БПК20 в зависимости от нормы водоотведения может быть определена по формуле
(6.5)
где La – БПК20, мг/л;
а – БПК20, г/сут на одного человека;
qн – 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 Lб – БПК20 бытовых сточных вод;
Lпр – БПК20 производственных сточных вод;
Qб – расход бытовых сточных вод, м3/сут;
Qпр – расходы производственных сточных вод, м3/сут.