Динамика значений БПК в активном режиме потребления кислорода с третьего дня инкубации склянок

 

t, сут	3	4	5	7	00
БПК„ мг/дм3	10	40	95	112	125

В моменты времени t\, t₂ t_n в активном режиме потребления кислорода опреде­лены значения БПК: БПКь БПК₂,....БПК„. В этом наборе уже отброшены значения БПК первых дней инкубации. Составим табл. 2.21 расчетных характеристик, необхо­димых для вычисления константы скорости БПК и времени задержки потребления кислорода.

Таблица 2.21

Расчетные характеристики для определения константы скорости БПК и времени задержки потребления кислорода

 

 

 

 

1	2	3	4	5	6	i	8
i	tt, сут	БПК,, мг/дм3	БПК,	У'	*2	yi2	yt ti
			БПКПО]Ш
1	h	БПК1	х\	у\	h2	yi2	yih
2 i N	h и tn	БПК2 БПК, БПК„	Х2 Xi Хп	п У/ Уп	t? 2 tn	У22 У1 2 Уп	yit2 yt ti yntn
	I ft			2>		S.v.2	Zytti

В первом столбце располагается нумерация экспериментальных точек. Во втором столбце — сутки инкубации, в третьем — соответствующие времени ин­кубации измеренные значения БПК. Остальные столбцы — рассчитываются.

172

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

БПК;

В четвертом столбце проставим относительные значения БПК: Xi =

БПК_ПОЛН

В пятом столбце поместим вспомогательные величины y_t = - In (1 - х, ). Минус пе­ред логарифмом сделает все значения г/, положительными. В шестом столбце проста­вим £, ², в седьмом — г/Д в восьмом — £, y_t — произведения соответствующих значений второго и пятого столбцов.

Просуммируем значения второго, пятого, шестого, седьмого и восьмого столбцов.

Получим соответственно числа

У' >

Все эти числа помещены в последней строке табл. 2.21. Данные остальных столб­цов в окончательных расчетах не используются и их суммы нам не потребуются.

Используя последнюю строку табл. 2.21 можно рассчитать следующие характери­стики:

1) среднее значение времени измерений t

2) среднее значение у 3) вспомогательные величины

(2.9) (2.10)

(2.11) (2.12) (2.13)

Коэффициенты ^ и а определяются из уравнения линейной регрессии:

y = k(t-i)+a,                                                    (2.14)

описывающего статистическую связь между временем t и вспомогательной характе­ристикой у, полученного минимизацией суммы квадратов отклонений расчетной ве­личины у от реально измеренных y_t при t = U, рассчитываются, исходя из соотноше­ний (2.9)-(2.13):

а = у,                                                           (2.15)

к = ——,

(2.16)

где k — искомая константа скорости БПК. Уравнение линейной регрессии, записан­ное в другом виде:

y = kt + L,                                                         (2.17)

где L = a-kt позволяет определить время задержки реакции t₀:

 

2.3.1. Определение коэффициента пересчета БПК₅ в БПК_пшш

173

*а=—т-                                                            (2.18)

При t = t_Qy = 0 соотношение (2.18) позволяет более точно определить начало ре­жима активного потребления кислорода, по сравнению с грубым способом при изме­рении результатов ежесуточно в одно и тоже время, который мы использовали при от­браковывании начальных значений БПК для построения таблиц 2.20 и 2.21.

Наконец, соотношения (2.11)—(2.13) позволяют в активном режиме определить ко­эффициент корреляции г:

г=■

описывающий степень близости реальных значений БПК< к расчетным по формуле (2.8). Коэффициент корреляции лежит в диапазоне значений -1 < г < 1 и чем ближе k к единице, тем лучше формула (2.8) описывает реально наблюдаемый процесс.

П р и м е р. В качестве примера рассчитаем все интересующие нас параметры для случая экспери­ментально полученных данных, представленных в табл. 2.20. В таблицу вошли измеренные значение БПК для суток инкубации t, > 3 суток.

Для нашего примера составим таблицу, аналогичную 2.21, куда кроме измеренных БПК для U > 3 су­ток войдут вспомогательные и рассчитанные значения.

Используя формулы (2.9-2.13), определим:

- 19.__ _ 4, 159....

t= — = 4, 75; м =----------- = 1, 040;

4                     4

 (2.20)

 

Q, =

 =7313 --Ц.159² =2, 989;

 

Олу =

i ■ ]£ у, =24, 769--19-4, 159 = 5, 014.

В нашем подходе константа скорости БПК и угловой коэффициент уравнения линейной регрессии совпадают.

Найдем коэффициенты уравнения линейной регрессии (2.15), (2.16):

y = k(t-i) + a,

5, 014

(2.21)

- = 0, 573,

(2.22) (2.23)

Qt 8, 75 а=у =1, 040

и время задержки потребления кислорода to- Для чего определим сначала L:

L=a-& =-ij682

и, записав уравнения линейной регрессии в виде у = Ы +1, получим:

у = 0, 573 £ -1, 682. Определим значение t - t₀, при котором у = 0:

" k 0, 573

Итак, уточненное время задержки реакции оказалось очень близко к трем суткам. Найдены значения константы скорости БПК k = 0, 57 сут~^] и время задержки реакции £ ₀ ⁼ 2, 9 сут.

174

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод

Глава 2

Активный режим потребления кислорода (в нашем примере на третьи сутки инкубации проб) t > t_a описывается уравнением:

где БПК_]|0ЛН = 125 мг/дм³.

Чтобы понять, насколько близко полученная формула описывает реальный процесс, вычислим коэф­фициент корреляции:

5, 014

(2.26)

■ = 0, 98.

5 - 2, 989

Как следует из значения г = 0, 98 (близкое к единице), полученное соотношение (2.25) очень хорошо описывает реальный процесс.

Предложенный метод содержит элемент субъективности. При определении начала активного режима мы не принимали в расчет первые сутки инкубации, когда БПК] и БПК₂ равнялось нулю, но приняли значение БПК₃ = 10 мг/дм³.

Проведем расчет для случая, когда минимальные полученные значения БПК отбрасываются. В нашем примере отбросим значение БПК, полученное на третьи сутки и используем значения БПК, полученные на четвертые сутки и далее. Опуская промежуточные действия, приведем окончательные характеристики для нового набора значений БПК, начиная с t = 4 сут:

£ ^•=24, 52

 г/, =4, 076 »? = 7, 306

Q = 4, 667                Q_y = 1, 769                        ft» = 2, 781

Уравнение линейной регрессии у = 0, 569£ - 1, 820 и соответствующие значения константы скорости БПК k = 0, 569, времени задержки реакции t₀ = 3, 05 суток и коэффициента корреляции г =0, 97 близки к аналогичным характеристикам предыдущего варианта. Это означает, что если мы округлим to до десятых долей суток, a k до десятых долей, то получим полное совпадение результатов по константе скорости БПК k = 0, 6 сут ' и незначительное расхождение по времени задержки БПК. Второй вариант расчетов показал, что учет или отбрасывание сомнительного (малого) значения БПК как начального значения в наборе на­турных данных незначительно меняют результаты расчетов. Поэтому, определить набор данных для ак­тивного режима можно, отбросив полученные значения менее 10 мг/дм³ до начала активного режима по­требления кислорода. Учет или отбраковывание одного малого значения БПК не сильно скажется на окон­чательных результатах.

На рис. 2.8 показана зависимость изменения БПК от времени инкубации t в ко-

БПК;

ординатах (t, TffTjT  ). Сплошная линия — график интерполяционной зависимос-

ти (2.25), штриховая — аналогичная зависимость для случая, когда первое малое зна­чение БПК 10 мг/дм³ при t = 3 сут не учитывалось в расчетах.

На рис. 2.9 те же зависимости представлены в других координатах t, у, где

у = Щ\

Предложенные координаты более удобны, так как экспоненциальная зависимость БПК от времени в них «спрямляется». Как и на рис. 2.8, здесь две кривых — сплош­ная линия соответствует интерполяционной зависимости (2.25), штриховая представ­ляет собой близкую зависимость, где в расчет не принималось значение БПК 10 мг/дм³, полученное на третьи сутки инкубации проб. Точками на рис. 2.8 и 2.9 обо­значены экспериментальные значения БПК в соответствующих координатах (см. табл. 2.19).

2.3.1. Определение коэффициента пересчета БПК₅ в БПК_т

175

t, сут

Рис. 2.8. Динамика изменения БПК в период инкубации проб в координатах (t, БПК, /БПК|_ЮЛН): сплошная кривая — график интерполяционной зависимости (2.8), рассчитанной по на­бору экспериментальных данных в табл. 2.20; штриховая — график аналогичной зависимости, когда из набора экспериментальных данных исключено первое малое значение БПК, равное 10 мг/дм'^! при t = 3 сут, и учтены остальные значения БПК

Рис. 2.9. Динамика изменения БПК в период инкубации проб в координатах (t, у): сплошная кривая — график интерполяционной зависимости (2.8), рассчитанной по набору экспериментальных данных в табл. 2.20; штриховая — график аналогичной зависимости, когда из набора экспериментальных данных исклю­чено первое малое значение БПК, равное 10 мг/дм³ при t ~ 3 сут, и учтены остальные значения БПК

J

176                Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных вод                       Глава 2

2.3.2. Методы определения БПК и характерные ошибки, допускаемые аналитика­ ми при использовании метода разбавления. Чтобы точно оценить влияние сбрасыва­емых сточных вод на экологическую ситуацию в природном водоеме, а также пра­вильно принять технологическое решение по повышению качества очистки сточных вод, необходимо опираться, в первую очередь, на результаты правильно выполненных гидрохимических измерений. Для большинства аналитических лабораторий правиль­ность получаемых результатов при выполнении измерений БПК должна вызывать сомнения, так как значительная доля погрешностей измерений (до 80 % и более) до­пускается на стадии отбора и подготовки проб. Немало ошибок и в процессе измере­ний. Анализ БПК является характеристикой биохимического процесса, поэтому при его выполнении следует учитывать особенности происходящих биологических про­цессов и химических реакций, чтобы избежать характерных ошибок, допускаемых при определении.

Наиболее распространены два основных метода измерения БПК: манометричес­кий и метод разбавления. При манометрическом определении склянки заполняются исследуемой пробой не полностью. Остается прослойка воздуха, из которого погло­щается кислород, когда в пробе воды возникает его дефицит. Пробу не разбавляют, не заражают микроорганизмами, а выделяющийся при дыхании бактерий углекислый газ поглощается химическими веществами, размещенными над пробой сточных вод. Уменьшение объема воздуха в склянке регистрируется манометром. При всей просто­те и удобстве выполнения этот метод не дает точных результатов при исследовании промышленно загрязненных сточных вод (Хаммер, 1979), так как присутствующие в них токсические вещества не разбавлены и угнетают жизнедеятельность бактерий, обеспечивающих биохимическое окисление органических веществ.

Арбитражным и наиболее употребляемым методом определения БПК является ме­тод разбавления, принципиальная схема которого представлена на рис. 2.10.

Исследуемая проба воды разбавляется так, чтобы хватило растворенного кислорода на дыхание и метаболическую активность бактерий, для чего разбавляющая вода на­сыщается кислородом. Если исследуемая вода стерильна, она заражается микроорга­низмами, в нее добавляются соли для создания устойчивой буферной системы инак-тивирующей выделяющийся углекислый газ и стабилизирующей рН. Разбавленные пробы разливают в герметичные склянки и инкубируют в термостате при температуре 20 °С. Длительность инкубации составляет для оперативного определения 5 или 7 сут или до полного окисления углеродсодержащей органики, т.е. до появления нитритов.

Величина уменьшения кислорода в склянках за определенный период инкубации, умноженная на степень разведения, дает количественное значение БПК.

Для целей экоаналитического контроля качества вод БПК определяют только в на­туральной (взболтанной) пробе, чтобы учесть суммарное загрязнение находящимися в разных формах веществами. При эксплуатации очистных сооружений проводят оценку процессов очистки на разных се ступенях, для чего БПК определяют (Мето­дика выполнения измерений БПК ПНД Ф 14.1: 2: 3: 4.123-97) в 3-х пробах: натураль­ной, отстоянной в течение двух часов и фильтрованной.

Почему так важно для целей экоаналитического контроля определять БПК в нату­ральной пробе?

2.3.2. Методы определения БПК

177

Разбавление и перемешивание

Термостати- рование при 20 °С в отсутствии света

Измерение 0₂

Рис. 2.10. Принципиальная схема определения БПК методом разбавления

Как было показано в разд. 2.2, загрязняющие вещества находятся в воде в различ­ных физических состояниях: взвешенном, коллоидном, растворенном. Сумма всех загрязняющих веществ (независимо от их физического состояния) характеризуются взболтанной пробой. Процентное содержание частиц оседающих, плавающих и ра­створимых в сточных водах различного состава индивидуально и изменчиво (табл. 2.22).

Как видно из таблицы, если оценивать БПК в сточных водах, очищаемых на очи­стных сооружениях г. Нижнего Новгорода, в отстоянной пробе, то неучтенное загряз­нение в поступающих сточных водах составит 55, а в очищенных — 71 %. В разных типах сточных вод эта ошибка может увеличиваться или уменьшаться.

Таким образом, только определение БПК в натуральной пробе позволяет получить наиболее полную информацию о загрязненности сточных вод и их влиянии на эко­логическую ситуацию в природном водоеме. Для характеристики технологического процесса очистки важно определять БПК во всех трех формах. БПК сточных вод в натуральной (взболтанной) пробе характеризует общую нагрузку по биохимически окисляемым веществам на активный ил, дает возможность (сравнивая с результата­ми в отстоянной пробе) оценить эффективность изъятия оседающей части в первич­ных отстойниках и рекомендовать сокращение времени отстаивания при недостатке

178

Контролируемые гидрохимические показатели качества сточных i

Глава 2

органических питательных веществ для активного ила. БПК отстоянной пробы в очищенных водах в основном характеризует работу аэротенков, поскольку при этом оценивается наличие загрязняющих веществ в коллоидной и растворимой формах. Фильтрованную пробу делают в тех случаях, когда надо определить содержание заг­рязняющих веществ в растворенной форме и оценить изменение БПК во всех трех пробах по ступеням очистки. Так, например, если процесс биологической очистки протекает удовлетворительно, а в фильтрованной пробе очищенных вод БПК остается высоким, это значит, что загрязняющие вещества представлены, в основном, раство­римыми формами, сложноокисляемы и в процессе биохимической очистки не удаля­ются.

Таблица 2.22

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: