Калькулятор биохимического потребления кислорода
Рассчитайте 5-суточное биохимическое потребление кислорода (БПК₅) разбавленной пробы воды по начальному и конечному содержанию растворённого кислорода, доле разбавления и, при необходимости, поправке на затравку — по APHA Standard Methods 5210B.
Расчёт БПК₅ по разбавленной пробе
Биохимическое потребление кислорода (БПК₅)
Обозначения:
- \(D_1\) — содержание растворённого кислорода в разбавленной пробе в день 0, мг/л;
- \(D_2\) — остаточное содержание растворённого кислорода после 5 суток инкубации при 20 °C, мг/л;
- \(B_1\) — растворённый кислород в контрольной склянке с затравкой в день 0, мг/л;
- \(B_2\) — растворённый кислород в контрольной склянке с затравкой через 5 суток, мг/л;
- \(f\) — доля затравки: отношение объёма затравки в склянке с пробой к объёму затравки в контрольной склянке;
- \(P\) — доля разбавления: часть конечного объёма склянки, приходящаяся на исходную пробу (вводится в процентах, например 5% = 0,05).
Числитель — это кислород, фактически израсходованный органическими веществами пробы (за вычетом собственного потребления затравки); деление на \(P\) пересчитывает это расходование в потребление кислорода исходной, неразбавленной водой.
Биохимическое потребление кислорода — пример расчёта
Пример: пробу сточной воды разбавили до 5% (1 часть пробы на 20 частей общего объёма) разбавительной водой с затравкой. В склянке с разбавленной пробой сначала зафиксировали \(D_1 = 9.0\) мг/л, а через 5 суток — \(D_2 = 4.2\) мг/л. В контрольной склянке с затравкой содержание кислорода снизилось с \(B_1 = 9.0\) до \(B_2 = 6.6\) мг/л, доля затравки \(f = 0.05\).
\[ D_1 - D_2 = 9.0 - 4.2 = 4.8 \text{ мг/л} \]
\[ (B_1 - B_2)\,f = (9.0 - 6.6) \times 0.05 = 0.12 \text{ мг/л} \]
\[ \mathrm{BOD}_5 = \frac{4.8 - 0.12}{0.05} = \frac{4.68}{0.05} = 93.6 \text{ мг/л} \]
Результат: БПК₅ = 93,6 мг/л — умеренно загрязнённая сточная вода, заметно выше порога применимости стандартного метода в 20 мг/л.
Как пользоваться калькулятором БПК
- Введите начальное содержание растворённого кислорода (D₁) — концентрацию кислорода в разбавленной пробе, измеренную сразу после приготовления склянки (день 0), в мг/л.
- Введите конечное содержание растворённого кислорода через 5 суток (D₂) — концентрацию в той же склянке после 5 суток инкубации при 20 °C в темноте.
- Введите долю разбавления (P) в процентах — долю объёма склянки, приходящуюся на исходную пробу. Разбавление 1:20 означает 5%; неразбавленная склянка — это 100%.
- Если в пробу вносилась затравка, отметьте Применить поправку на затравку и заполните поля Начальное содержание кислорода в контроле затравки (B₁), Конечное содержание кислорода в контроле затравки (B₂) и Доля затравки (f). Если затравка не использовалась, оставьте флажок снятым.
- Прочитайте результат БПК₅ в мг/л вместе с пошаговым ходом расчёта и предупреждениями о нарушении условий применимости стандартного метода.
Что такое БПК₅ и зачем его измеряют
Пятидневное биохимическое потребление кислорода (БПК₅) — это масса растворённого кислорода, которую аэробные микроорганизмы расходуют на разложение органических веществ пробы воды за 5 суток при 20 °C. Это самый распространённый показатель нагрузки биоразлагаемой органикой: чем выше БПК₅, тем больше кислорода сброс отнимет у принимающей его реки или озера по мере разложения.
Большинство сточных вод израсходовали бы весь кислород в полной склянке задолго до пятых суток, поэтому пробу разбавляют водой, насыщенной кислородом. Измеренное расходование относится только к разбавленной смеси, и формула делит его на долю разбавления \(P\), чтобы восстановить потребление исходной, неразбавленной воды.
Если в самой воде слишком мало бактерий — типичный случай для очищенных стоков и промышленных отходов, — в разбавительную воду вносят затравку из микроорганизмов: обычно осветлённую бытовую сточную воду или коммерческий препарат. Затравка тоже потребляет кислород, поэтому её собственное потребление измеряют в параллельной контрольной склянке и вычитают — с коэффициентом доли затравки \(f\) — перед делением на \(P\).
БПК₅ регулярно используют при проектировании очистных сооружений и контроле соблюдения нормативов сброса; он дополняет химическое потребление кислорода (ХПК), которое за гораздо более быстрый тест измеряет всю окисляемую нагрузку — как биоразлагаемую, так и небиоразлагаемую. Отношение БПК/ХПК — распространённый индикатор того, насколько сточная вода поддаётся биологической очистке. О кинетике протекающих при этом микробных реакций см. также калькулятор Михаэлиса — Ментен.
Типичные значения БПК₅ и их интерпретация
| Тип воды | Типичное БПК₅, мг/л |
|---|---|
| Чистая река или ручей | 1–5 |
| Умеренно загрязнённая река | 5–20 |
| Городские стоки после очистки | 10–30 |
| Неочищенная бытовая сточная вода | 150–400 |
| Концентрированные промышленные стоки | до нескольких тысяч |
Допущения, ограничения и практические советы
- Стандартные условия: калькулятор предполагает инкубацию в течение 5 суток при 20 ± 1 °C в темноте согласно APHA Standard Methods 5210B. Нитрификация не подавлена, если в склянки не добавляли ингибитор TCMP.
- Критерии применимости: метод действителен, лишь если расходование кислорода составляет не менее 2 мг/л, остаточный растворённый кислород — не менее 1 мг/л, а итоговое БПК₅ — не менее 20 мг/л. Калькулятор отмечает нарушения этих критериев — если они появляются, повторите анализ с более удачным разбавлением.
- Выбор разбавления: стремитесь к расходованию порядка 3–5 мг/л при начальном содержании кислорода, близком к насыщению (~9 мг/л при 20 °C). Для неизвестной пробы приготовьте несколько склянок с разными разбавлениями (например, 1%, 2%, 5%, 10%) и используйте валидную.
- Доля затравки: если в обеих склянках используется одна и та же разбавительная вода с затравкой, \(f\) обычно равна доле разбавления, выраженной десятичной дробью (например, 0,05 при разбавлении 5%). Скорректируйте её, если объёмы затравки различаются.
- Измерения в день 0: D₁ и B₁ нужно измерять сразу, а не принимать по таблицам насыщения — особенно после перемешивания пробы и выравнивания её температуры.
- Холостая проба разбавительной воды: отдельный холостой опыт с разбавительной водой без затравки не должен потреблять более 0,2 мг/л за 5 суток; превышение искажает каждый результат.
Часто задаваемые вопросы
Как перевести кратность разбавления в процент P?
P — это объём пробы, делённый на общий объём склянки и умноженный на 100%. Для разбавления 1:20 (1 часть пробы плюс 19 частей разбавительной воды) \(P = 1/20 = 0.05 = 5\%\). Разбавление 1:30 — это примерно 3,3%, неразбавленная склянка — 100%. Ввод кратности вместо процентов — самая частая ошибка: результат оказывается в 100 раз завышенным или заниженным.
Какое значение БПК₅ считается хорошим или приемлемым?
Всё зависит от типа воды. В чистых реках — 1–5 мг/л, в очищенных городских стоках обычно 10–30 мг/л. Многие разрешения на сброс требуют среднемесячного значения порядка 20–30 мг/л для стоков после вторичной очистки (например, 30 мг/л по американским нормам вторичной очистки), поэтому уровни не выше этого обычно приемлемы. Значения свыше 100 мг/л указывают на сильное загрязнение. Всегда сверяйтесь со своим разрешением или местными нормативами: пределы различаются в зависимости от водного объекта и региона.
В чём разница между БПК₅ и углеродным БПК₅ (CBOD₅)?
Стандартное БПК₅ включает кислород, расходуемый нитрифицирующими бактериями, которые окисляют аммиак до нитратов. Углеродное БПК₅ (CBOD₅) измеряют после добавления ингибитора нитрификации, например TCMP, поэтому оно отражает только органическую нагрузку по углероду. Для неочищенных сточных вод эти величины близки, но для очищенных стоков нитрификация может составлять значительную долю общего потребления, и CBOD₅ получается заметно ниже. Используйте вариант CBOD, если этого требует разрешение или если нитрификаторы искажают результат.
Можно ли пересчитать БПК₅ в ХПК и обратно?
Точного пересчёта не существует, поскольку ХПК окисляет и небиоразлагаемые соединения. В качестве грубого ориентира: для типичной городской сточной воды ХПК обычно в 1,5–2,5 раза выше БПК₅, а отношение БПК/ХПК выше ~0,5 говорит о легко биоразлагаемых отходах. Для конкретного стока измерьте обе величины и установите собственный эмпирический коэффициент, а не полагайтесь на усреднённые значения.
Почему анализ длится ровно 5 суток при 20 °C?
Протокол «5 суток при 20 °C» — историческая конвенция родом из Великобритании, выбранная так, чтобы значение приближало потребление кислорода в принимающем водотоке за типичное время добегания воды. Оно отражает лишь часть предельного потребления: при 20 °C БПК₅ составляет примерно 60–70% 20-суточного предельного БПК, потому что медленные реакции вроде нитрификации продолжаются и после пятых суток. Фиксированные условия просто делают результаты сопоставимыми между лабораториями.
Калькулятор выдал ошибку или предупреждение о применимости — что не так?
Две частые причины. Если D₂ больше D₁, кислород не потреблялся — перепроверьте показания и маркировку склянок: путаница проб случается часто. Если поправка на затравку превышает измеренное расходование, собственное потребление затравки слишком велико по сравнению с пробой — уменьшите долю затравки. Предупреждения о применимости означают неудачное разбавление: слишком малое расходование требует большей доли пробы, а остаточный кислород ниже 1 мг/л — меньшей. Поставьте несколько разбавлений и возьмите валидную склянку.
Когда нужно вносить поправку на затравку?
Затравку в разбавительную воду вносят, когда в самой пробе слишком мало микроорганизмов для разложения её органики — типично для биологически очищенных стоков, воды с дезинфицирующими средствами или промышленных отходов. Если вносите затравку, обязательно ставьте параллельную контрольную склянку и вычитайте её потребление; пропуск этого шага завышает БПК₅. Для неочищенной бытовой или речной воды, в которой бактерий и так достаточно, затравка и поправка обычно не нужны.