BIOCHEMICZNE ZAPOTRZEBOWANIE TLENU W procesach samooczyszczania wód zanieczyszczonych związkami organicznymi zachodzą procesy utleniania materii organicznej przy współudziale mikroorganizmów tlenowych. Organizmy te, w celu przeprowadzenia procesów biochemicznych, wykazują określone zapotrzebowanie na tlen, co określane jest mianem BZT. Biochemiczne zapotrzebowanie tlenu BZT określa, więc ilość tlenu wyrażoną w miligramach tego gazu na dm 3 wody lub ścieku, potrzebną mikroorganizmom do utlenienia związków organicznych w procesach biochemicznych w warunkach aerobowych w temperaturze 20 o C. Reakcję biochemicznego rozkładu związków organicznych można przedstawić ogólnym równaniem: Substancje organiczne + O 2 + bakterie CO 2 + H 2 O + bakterie Proces rozkładu substancji organicznych odbywa się w okresie ok. 20 dni, prowadząc do całkowitej stabilizacji tj. przekształcenia związków organicznych w proste, stabilne substancje nieorganiczne takie, jak: CO 2, H 2 O, NO - 2-3, SO 4 itp. Procesy biochemiczne najintensywniej zachodzą przez pierwsze 5 dni, dlatego też często wykonuje się oznaczenia wielkości BZT 5, przyjmowanej jako wskaźnik zanieczyszczenia wody substancjami organicznymi. W początkowym etapie utlenieniu ulegają związki organiczne łatwo rozkładalne np. białka, cukry proste, skrobia, następnie trudniej rozkładające się tłuszcze, ligniny i pektyny. Następnie zachodzi utlenienie amoniaku do azotanów(iii) lub azotanów(v) pod wpływem bakterii nitryfikacyjnych. Proces rozkładu substancji organicznych jest procesem bardzo złożonym, zależy od rodzaju związków organicznych znajdujących się w wodzie, od rodzaju mikroorganizmów w wodzie i od wielu czynników środowiskowych wpływających na niego np. temperatury, ph, zawartości O 2, obecności substancji pożywkowych, obecności substancji toksycznych i adaptacji mikroorganizmów. Analizując szybkość rozkładu substancji organicznych od temperatury okazuje się, że jej wzrost przyspiesza przebieg procesu BZT, jednak tylko do wartości optymalnej, powyżej 1
której wzrost temperatury powoduje zahamowanie procesu. Przy wysokich temperaturach następuje całkowity zanik procesu, co świadczy o udziale w nim mikroorganizmów bardzo wrażliwych na temperaturę. Badania wykazują, że najwyższe prędkości zużycia O 2 występują w 20 o C i 30 o C. W temperaturze 40 o C występuje znaczne zahamowanie procesu. W 10 o C zaobserwowano długi okres opóźnienia i potem małe zużycie tlenu, natomiast przy 4 o C proces BZT praktycznie nie zachodzi (rys. 1). 30 0 C 20 0 C 40 0 C 10 0 C 4 0 C Rysunek 1 Krzywa BZT wody w zależności od temperatury. [26 Do prawidłowego przebiegu procesu BZT potrzebnych jest wiele substancji pożywkowych i mikroelementów. Najważniejszymi pierwiastkami limitującymi rozwój flory bakteryjnej są fosfor i azot. W przypadku braku tych substancji prędkość procesu znacznie się zmniejsza (rys. 2). Do optymalnego przebiegu omawianego procesu przyjmuje się, że minimalna zawartość azotu i fosforu do stosunku do BZT 5 jest następująca: BZT 5 : N : P = 100 : 5 : 1 I II Rysunek 2 Wpływ substancji pożywkowych na przebieg BZT. I - optymalna zawartość substancji pożywkowych; II - niedobór substancji pożywkowych. Również ph środowiska ma wpływ na przebieg procesu BZT. Proces ten przebiega prawidłowo przy ph = 7-8, silne obniżenie lub podwyższenie wartości ph powoduje zahamowanie zużycia tlenu (rys. 3). 2
3 5 7 9 p H Rysunek 3 Wpływ ph na proces BZT. Na mikroorganizmy biorące udział w biochemicznym rozkładzie związków organicznych wiele substancji działa toksycznie. Substancjami takimi mogą być prawie wszystkie związki rozpuszczane w wodzie w zależności od stężenia, ale istnieje wiele związków, które nawet przy małych stężeniach działają toksycznie np. metale ciężkie, cyjanki, chlor czy pestycydy. Mogą one spowodować zahamowanie procesu zużycia tlenu lub nawet jego całkowity zanik. ami wpływ substancji toksycznej przejawia się w znacznym opóźnieniem procesu (rys. 4). I II III IV Rysunek 4Wpływ substancji toksycznych na proces BZT. I - brak substancji toksycznych II, III, IV - obecność substancji toksycznych; (II - zmniejszenie prędkości początkowej, III - opóźnienie rozpoczęcia procesu, IV - całkowite zahamowanie procesu). Oznaczenie BZT 5 wykonuje się w celu określenia stopnia zanieczyszczenia wód substancjami organicznymi m.in. w kontroli pracy oczyszczalni, podczas oceny stanu sanitarnego zbiorników wodnych i zdolności wody do samooczyszczania. Dopuszczalne wartości BZT w mgo 2 /dm 3 wody dla poszczególnych klas czystości wody są następujące: I klasa czystości - 2 i poniżej II klasa czystości - 3 i poniżej III klasa czystości - 6 i poniżej 3
IV klasa czystości 12 i poniżej V klasa czystości powyżej 12. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest oznaczenie wartości biochemicznego zapotrzebowania tlenu (BZT) w próbkach analizowanej wody oraz zaszeregowanie ich do odpowiednich wód. 1. Zakres metody. Metodę stosuje się do oznaczania biochemicznego zapotrzebowania tlenu BZT n w wodzie i ściekach, jeżeli jego przewidywana wartość w przeliczeniu na tlen nie jest większa niż 6 mg/dm 3. Metody tej nie powinno się stosować, gdy w badanej wodzie lub ściekach znajdują się substancje toksyczne, które hamują aktywność biologiczną organizmów. 2. Zasada metody. Oznaczenie BZT 5 polega na określeniu ilości tlenu zużywanej do utlenienia substancji organicznych w badanej próbce w ciągu 5 dób inkubacji w temperaturze 20 o C. Ilość tę w przeliczeniu na 1 dm 3 wody lub ścieku, oblicza się jako różnice zawartości tlenu rozpuszczonego przed i po inkubacji. Ze względów organizacyjnych, na ćwiczeniach oznaczenie przeprowadzone zostanie po 7 dobach inkubacji i określone będzie tzw. BZT 7. Wydłużenie czasu inkubacji nie wpływa jednak znacząco na wynik, gdyż procesy biochemiczne najintensywniej zachodzą przez pierwsze 5 dni. 3. Odczynniki. Odczynniki użyte w oznaczeniu są takie same jak w przypadku oznaczenia tlenu metodą Winklera. 4. Wykonanie oznaczenia. Kolbki z doszlifowanym korkiem o znanej objętości napełnić badaną wodą, o znanym stężeniu tlenu, zamknąć szczelnie korkami tak, aby nie zostały pod nimi pęcherzyki powietrza. W części kolbek wykonać oznaczenie tlenu rozpuszczonego wg normy PN- EN25813 w dniu pobrania wody. Pozostałe kolbki poddać inkubacji w czasie 7 dób, 4
w temperaturze 20 o C. Po tym okresie wykonać oznaczenia tlenu rozpuszczonego wg normy PN-EN25813. 5. Obliczenie wyników. Biochemiczne zapotrzebowanie tlenu w przeliczeniu na O 2 w badanej próbce, po 7 dniach inkubacji BZT 7 obliczyć ze wzoru: BZT 7 = C 1 - C 2 [mgo 2 /dm 3 Gdzie: C 1 - stężenie tlenu rozpuszczonego w próbce przed inkubacją [mgo 2 /dm 3 C 2 - stężenie tlenu rozpuszczonego w próbce po inkubacji [mgo 2 /dm 3. 5