Что такое химическое потребление кислорода

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 (ХПК_теор) 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 ХПК_теор, 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 ХПК_теор.

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 ХПК_теор, 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 ХПК_теор для 1 мг фталата калия составляет 1,175 мгО.

Значения ХПК_теор (в мг кислорода на 1 мг вещества) для разных соединений по данным [12] приведены в табл. 14.

Значения ХПК_теор 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 ХПК_теор, 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.

Источник

Показатель ХПК для сточных вод: что это такое и нормы

В контексте темы заботы об окружающей среде часто обсуждается вопрос поддержки рек и других водоемов чистыми. Сейчас это крайне сложно делать, ведь сточные воды, которые сбрасываются в водоемы, сильно загрязнены.

После активного участия в том или ином процессе промышленного толка сточная вода накапливает огромное количество вредных элементов, которые, при попадании в открытый водоем, приводят к гибели водных обитателей и растений, а также к другим неприятным последствиям.

Для измерения степени загрязненности стоков берут за основу некоторые показатели, один из которых – это ХПК. Что такое ХПК, и как снизить этот показатель, мы и расскажем в данном материале.

Зачем нужны показатели степени загрязненности стоков?

Объем загрязнения сточных вод можно выявить по ряду показателей, наиболее распространенные среди них – это:

Измерение такого показателя, как ХПК нужно затем, чтобы проанализировать качество сточной воды или жидкости в водоеме либо с целью исследования состояния вод в целом. ХПК – это количественный показатель, он относится к наиболее информативным и подробным.

В качестве загрязнителей сточных вод выступают такие вещества, как:

Метод исследования состояния жидкости с учетом ХПК заключается в том, что определяется количество кислорода, который был потрачен на окисление органики и минералов с содержанием углерода. ХПК также называют единицей химической окисляемости воды, поскольку органические вещества окисляются под действием кислорода. Ведь он, в свою очередь, относится к наиболее сильным окислителям.

Окисляемость в зависимости от происхождения окислителей, бывает таких видов:

Самые точные показатели определяются путем применения бихроматного или йодатного метода. Окисляемость выражается в соотношении объема кислорода, который был потрачен на окисление минеральных и органических веществ. Она выражается в миллиграммах из расчета на 1 кв. дм. жидкости.

Очищать сточные воды необходимо с целью сокращения концентрации вредных веществ до нормальных показателей, которые утверждены в нормативных документах.

Очистка проводится на специальных очистных сооружениях или станциях. Их компоновка зависит от количества и качества сточной воды, а также уровня ее загрязнения. Однако схема обработки стоков будет одинаковой и главная цель работы – сократить показатели ХПК и БПК.

ХПК и БПК в качестве критериев загрязнений вод

Значение ХПК включает в себя суммарное содержание в жидкости органических веществ в объеме израсходованного связанного кислорода на их окисление. ХПК – это общий показатель загрязнений промышленных и природных вод.

А вот такой показатель, как БПК определяет количество растворенного кислорода, который потрачен на окисление бактериями органических веществ в нужном объеме жидкости.

Для одинаковых проб по величине ХПК будет выше показателя БПК, поскольку больше веществ подвергается химическому окислению.

Какие факторы влияют на ХПК

Факторов, способных повлиять на состав вредных веществ и на показатель кислотности жидкости, есть масса. Один из ключевых факторов – это совокупность биохимических процессов, происходящих в самом водоеме. Вследствие этих процессов вещества вступают в реакции друг с другом и образовывают новые, которые по структуре могут отличаться от предыдущих и иметь другой химический состав.

Эти вещества могут поступать в водоем следующим образом:

Их структура и состав могут быть очень разными, в частности, которые из них могут быть устойчивыми по отношению к окислителям. В зависимости от этого фактора нужно выбирать наиболее эффективный окислитель для тех или иных веществ.

В поверхностных водах органические вещества могут иметь взвешенный, растворенный или коллоидный вид. Окисляемость отличается для фильтрованных и нефильтрованных проб. Природные же воды менее подвержены загрязнению органикой естественного происхождения.

Поверхностные воды имеют более высокую степень окисляемости по сравнению с такими типами вод, как:

Например, горные реки и озера имеют окисление в районе 2–3 мг на кубический дециметр, реки с болотным питанием – 20 мг/куб. дм и равнинные водоемы – от 5 до 12 соответственно.

Существенный фактор, который влияет на окисляемость – это сезонные изменения, происходящие в гидробиологическом и гидрологическом режимах.

Также окисляемость водоема может меняться под воздействием человеческой деятельности, в зависимости от сферы деятельности людей в водоем поступают загрязнения того или иного вида.

Требования к показателю ХПК согласно норме

По нормативу показатели ХПК должны колебаться в пределах от 15 до 30 мг/ куб. дм. Степени загрязнения сточных вод согласно показателям ХПК выглядят так:

Стадии очистки сточных вод и снижения показателей их загрязненности

Очистка сточных вод включает в себя такие стадии:

Уровень ХПК и БПК постепенно сокращается до тех или иных значений на каждой из стадии, объем их сокращения зависит от особенностей сточных вод.

Далеко не всегда сточные воды очищаются во все четыре стадии. Очень часто очистные сооружения сбрасывают сточные воды в коллектор уже после первой стадии очистки, и это приводит показатели ХПК в норму. В некоторых странах очистка осуществляется только в два этапа, третий этап применяется лишь в крайнем случае.

Отличие бытовых сточных вод от промышленных

Сточные воды могут иметь промышленное или бытовое происхождение, природа загрязнений в них тоже отличается. Так, как правило, бытовые стоки загрязнены такими вещами, как:

А вот промышленные стоки наполняются отходами производства, если это пищевая промышленность, то там больше всего будет взвешенных веществ и жиров. Значения ХПК и БПК в промышленных стоках будут выше, чем в бытовых.

Иногда стоки объединяются, вследствие чего органика из бытовых сточных вод становится питательной средой для активного ила биоочистки.

Диапазоны соотношения критериев для разных вод

Анализ такого показателя, как ХПК проводят, чтобы определить, сколько всего содержится эквивалентного бихромату кислорода, который пошел на окисление всех находящихся в пробе органических и неорганических веществ.

Как уже упоминалось ранее, такая величина, как ХПК, которая оценивает восстановительную активность химических веществ, будет больше БПК, значение которого зависит исключительно от количества органики, подверженной биохимическому разложению. Соотношение между этими двумя показателями отражает полноту биохимического окисления веществ, которые содержатся в сточных водах. Чем больше разница между этими показателями, тем больше прирост биологически активных масс. В частности, по этому соотношению можно определить, насколько пригодны сточные воды для биологической очистки.

Если веществ, подверженных биохимическому окислению будет мало, то лучше всего для исследований применять физико-химические методики, которые смогут привести соотношение показателей к требуемой цифре.

Оптимальный диапазон соотношения БПК и ХПК – это от 0,4 и до 0, 75 единиц. Оптимальное значение для соотношения между химической и биологической потребностью в кислороде – это 0,7, при нем процесс биологической очистке сможет проходить полноценно и в полном объеме.

После того, когда сточные воды разделены гравитационным способом, из них удаляют преимущественно те вещества, которые трудно окислить. После этой стадии соотношение показателей увеличивается.

Затем следует стадия биологической очистки, вследствие которой соотношение показателей снижается на 0,2, поскольку в сточных водах исчезают органические вещества, подвергающиеся биохимическому окислению.

Также с целью оценки наличия в водах биологически разлагаемых частиц можно применять и обратное соотношение показателей. Например, согласно санитарным требованиям, которые подразумевают, что ХПК для сточных вод, пригодных к биоочистке, этот показатель не должен превышать показатель БПК более чем в полтора раза.

Если говорить о сооружениях для биологической очистки, которые очищают смеси домашних и производственных сточных вод, то в них, как правило, соотношение обоих параметров в поступающей жидкости на очистку составляет где-то в районе от 1,5 до 2,5. Когда сточная вода смешивается с промышленными отходами, этот показатель увеличивается и до 3,5, а при стоке вод с некоторых производственных мощностей он может доходить и до 8.

Как видите, значение ХПК позволит проанализировать состояние жидкости в водоемах и даст возможность выяснить, насколько эта она пригодна к очистке и в какой степени. Подробные исследования этого и прочих значений позволят сделать окружающую нас среду гораздо чище.

Источник

Что такое химическое потребление кислорода

В мире сейчас применяются десятки способов очистки стоков, каждый из которых разрабатывался для своего направления. Технологии, объемы и методы, могут быть разными, а показатели эффективности везде одинаковые. Уровень ХПК и БПК считается основным параметром определения чистоты сточных вод.

Что такое ХПК и БПК

Уровень чистоты воды определяется по скорости процессов гидролиза и окисления. Эти показатели напрямую зависят от того, насколько быстро жидкость насыщается кислородом.

• ХПК или химическое потребление кислорода показывает сколько необходимо О2 для окисления вредных частиц в 1 л воды. При этом есть технологии, где окисление проводится посредством иных химических элементов или соединений, но их активность приравнивается к кислороду. На западе аналогом ХПК служит COD.

• БПК, согласно определению отражает биохимические процессы. Здесь за основу берется потребление кислорода анаэробными видами микроорганизмов. Есть такое понятие, как легко окисляющаяся органика, которую и съедают эти микроорганизмы. Соответственно, чем больше ее в стоках, тем выше показатель биохимического потребления кислорода.
Какие факторы влияют на ХПК

Термин сточные воды относится к общим понятиям, уровень и скорость окисления органики и разного рода примесей зависит от ряда объективных факторов:

1. Первым и главным фактором считается вид стоков. Они могут быть бытовыми, сельскохозяйственными или промышленными.
2. Процентное соотношение биологических и химических элементов в отдельно взятой пробе.
3. Доля атмосферных осадков.
4. Уровень и состав грунтовых вод рядом с водоемом.

Чем отличаются ХПК и БПК

Не смотря на то, что в обоих случаях речь идет об окислении и объеме потребления О2, данные параметры существенно разнятся между собой.

• Химическое определение чистоты воды основано на использовании окислителя. Применяется кислород, но может быть и иное химическое соединение. Посредством ХПК определяется общий процент органики в очистном сооружении или водоеме. Максимальное время анализа здесь не превышает 4 суток.

• Биологическое определение загрязнения основано на использовании активных микроорганизмов. У каждой группы таких бактерий есть свой инкубационный период, поэтому анализ может затянуться до 20 суток. БПК ориентирован на точный результат в отдельно взятой пробе, его используют при секционном или фрагментарном анализе.

Методики определения ХПК

Химическое потребление О2 проводится до полутора суток в нормальных условиях. Для этих целей применяются 2 способа:

1. Перманганатный анализ. В исследуемый образец добавляется серная кислота, после чего он обрабатывается перманганатом калия. Применяется для рядовых исследований и определения чистоты жидкостей с низким уровнем примесей.

2. Биохроматный анализ. Ориентирован на бассейны и стоки с радикальным уровнем загрязнения:

• как и в первом случае, сначала добавляется серная кислота, но дальше используется биохромат калия;
• в качестве катализатора необходим сульфат серебра;
• чтобы нивелировать действие хлоридов используется сульфат ртути.

Что такое БПК полное и БПК 5

Как уже упоминалось, биологическое исследование может длиться до 20 суток, как раз эти 20 суток и называют полным БПК сточных вод. Но такой глубокий, поэтапный анализ нужен далеко не всегда. Для рядовых случаев и контрольных измерений ГОСТом предусмотрено БПК 5. Процесс здесь сжат до 5 суток, отсюда и цифра 5 рядом с аббревиатурой.

Методики определения БПК

Так как речь идет о биологических процессах и инкубационном периоде большое значение имеют 2 обязательных условия:

• на протяжении всего исследования испытуемые образцы находятся в темном помещении;
• стандартная методика предусматривает постоянную температуру 20ºС.

Если брать исследование заданной характеристики, то замеры должны проводиться вначале и в конце процесса. Но при полном анализе используется скляночный метод, где берется ряд одинаковых образцов, каждый из которых помещается в разные условия. Дальше путем изменения температуры, добавления реагентов и снятия промежуточных результатов получают полную картину процесса.

Норма показателя ХПК

В каждой стране отношение к данному показателю закреплено на законодательном уровне. В России принят общий ГОСТ 31859-2012. В этом документе подробно расписан весь процесс анализа.

Уровень химического потребления кислорода измеряется в миллиграммах на дециметр кубический. Согласно указанному выше ГОСТу средние показатели таковы:

• чистая вода – 0 – 2 мг/дм³;
• вода средней чистоты – 3 – 4 мг/дм³;
• вода средней загрязненности – 4 – 15 мг/дм³;
• грязная вода – от 15 мг/дм³ и более.

Соотношение БПК и ХПК

Чем выше показатель потребления кислорода в обоих вариантах, тем соответственно грязнее жидкость. Считается, что если химическое потребление превышает биологические показатели, то в воде содержится много неокисляемой органики.
Такое соотношение в открытых водоемах свидетельствует о близости экологической катастрофы, а в очистных сооружениях данный дисбаланс ликвидируется при помощи реагентов.

Чем опасны высокие уровни ХПК и БПК

Если оба показателя превышают допустимую ГОСТом норму, говорит о высоком проценте органики в отдельно взятом бассейне или стоках.
• Слабо окисляемые и не окисляемые примеси, являются отравой. Они вызывают гибель животных и рыбы, а при большой концентрации делают плодородные почвы непригодными к возделыванию
• Легкая органика также далеко не безобидна, в водоемах она вытягивает из воды весь кислород, в результате рыбам и другим живым организмам становится нечем дышать и они гибнут.

ХПК и БПК критерий загрязнения

Уровень химического загрязнения является основным критерием определения проблемы. Его используют для выбора методов очистки водоемов и даже региональных водяных бассейнов.
БПК считается локальным инструментом, его используют для определения количества вредных частиц в литре. Причем в одном и том же водоеме пробы, взятые в разных местах, по биологическим показателям будут сильно отличаться.

Стадии снижения ХПК и БПК в процессе очистки

Ежегодно научное сообщество предлагает новые способы очищения воды. Простых методов снижения ХПК и БПК не существует, все они многоступенчатые, где разные ступени взаимосвязаны и каждая делится на несколько этапов.
Если взять все методики, то химическое потребление нормализуют за счет поэтапного добавления сложных реагентов. Биологические процессы идут иначе, здесь выводятся новые микроорганизмы, которые также поэтапно подселяют в бассейны очистных сооружений и открытые водоемы.

Различия между бытовыми и промышленными сточными водами

Традиционно промышленные стоки считаются самыми проблемными. На химкомбинатах, где в воде преобладают опасные реагенты, могут помочь только способы, относящиеся к ХПК. Анаэробные бактерии идут вторым эшелоном.
Раньше бытовые сточные воды реанимировали за счет бактерий. Сейчас из-за большого количества химии технология их очистки приблизилась к промышленной.
Поэтому городские и промышленные очистные сооружения отчасти похожи, они состоят из целого каскада бассейнов, каждый из которых отвечает за свой сектор очистки.

Стадии очистки сточных вод и снижения показателей их загрязненности

В зависимости от технологии грязная вода на своем пути проходит до 30 узкопрофильных стадий очистки, плюс многое зависит от вида стоков. Но, все методы можно условно поделить на 4 этапа:

1. Сначала удаляется крупный мусор и снимается масляная пленка с поверхности.
2. Дальше химическими реагентами проводится обеззараживание общей массы.
3. Третий этап в плане очистки самый сложный, здесь проводится абсорбция, обратный осмос и еще ряд сложных мероприятий.
4. В результате нивелирования опасных веществ в воде образуется много безопасного, но пустого шлама и на четвертом этапе он фильтруется.

Уровень химического потребления кислорода рядовому человеку мало о чем говорит, зато специалисты по этому показателю моментально определяют насколько чистая вода в регионе или отдельно взятом водоеме.

Заказать химический анализ воды

Чтобы проконсультироваться с нашими специалистами свяжитесь с нами по телефону 8 (812) 702-38-18.

Источник