У чому полягає принцип роботи манометричного приладу для визначення БСК?

Однією з найважливіших речей є контроль якості води задля захисту навколишнього середовища та громадського здоров'я, що включає аналіз біохімічного споживання кисню (BOD). Аналіз BOD важливий, оскільки він показує ступінь органічного забруднення води на основі кількості кисню, який споживають мікроорганізми у воді під час розкладання органічних речовин. Манометричний метод є одним із найпоширеніших методів визначення BOD завдяки своїй надійності та простоті використання. Прилад для визначення BOD манометричним методом зараз використовується в багатьох лабораторіях, установах з моніторингу стану навколишнього середовища та промислових підприємствах по всьому світу. У цій статті буде розказано про основні принципи цього приладу, метод його роботи, особливості та функції, щоб ви могли якомога повніше зрозуміти призначення цього обладнання.

Основи BOD

Перш ніж розглядати принципи манометричних методів вимірювання БПК, необхідно пояснити основні принципи, що лежать в основі поняття БПК. БПК означає біологічне споживання кисню водоймою. Коли у воді наявні органічні матеріали, такі як білки, вуглеводи та жири, певні бактерії та гриби поглинають ці органічні речовини і розкладають їх для отримання енергії та поживних речовин. Цей процес розкладання використовує кисень, а кількість кисню, яку витрачають за певний період часу (зазвичай 5 днів при 20 °C, що відомо як БПК5), називається БПК.

Інші показники також вказують на те, що означають значення БСК. Високі значення БСК свідчать про наявність у воді великої кількості органічних забруднювачів. Якщо ці органічні забруднювачі не контролюються, рівень розчиненого кисню у воді зменшується. Це явище відоме як гіпоксія/аноксія. Це небезпечний стан для водних організмів, таких як риби та креветки, і для водної екосистеми в цілому. Низькі значення БСК свідчать про низький рівень органічних забруднювачів у воді, що свідчить про відносно чисту воду. Тому точність аналізу БСК є важливим кроком у визначенні якості води, розробці стратегій контролю забруднення та проектуванні екосистеми для досягнення бажаних екологічних умов.

Манометричний метод

Апарат для визначення БПК манометричним методом працює завдяки зв'язку між споживанням кисню та зниженням тиску в закритій системі. Коли органічні речовини розкладаються мікроорганізмами в закритій системі, поглинається кисень і утворюється вуглекислий газ (CO₂). Якщо в закритій системі є поглинач CO₂ (тобто система, яка видаляє CO₂ з посудини, дозволяючи нам ігнорувати цю частину реакції), єдиним зміненням у закритій системі буде зниження тиску через споживання кисню. Втрата тиску може бути перекладена у об’єм спожитого кисню, що відповідає об’єму кисню в системі та значенню БПК проби.

Манометричний метод, на відміну від кількох інших методик, які потенційно вимагають титрування або використання електрохімічного сенсора для вимірювання споживання кисню, передбачає перетворення споживання кисню на зниження тиску в закритій системі. Це не лише значно спрощує робочу послідовність, але й забезпечує високу точність і стабільність методу порівняно з іншими протягом усього періоду вимірювання БПК, що може тривати від 1 до 30 днів.

Як працює манометричний прилад для визначення БПК: крок за кроком

Манометричний прилад для визначення БПК дотримується логічної послідовності кроків — від підготовки проби до обробки даних. Процедура виконується в такій логічній послідовності:

Перші кроки у відборі та підготовці зразків мають критичне значення. Зразки води беруться та поміщаються в стерильні бутлі для інкубації. Мікроорганізми відіграють важливу роль у процесі розкладання органічних речовин. Тому деякі зразки потребують додаткових місцевих мікроорганізмів (особливо у разі високоефективно очищених промислових стічних вод). У цьому випадку додається відповідний інокулюм (що містить активні мікроорганізми), щоб забезпечити перебіг процесу розкладання. Потім зразок розбавляють до потрібної концентрації, щоб забезпечити достатню кількість кисню для мікробіологічної активності протягом усього періоду інкубації.

Потім інкубаційну пляшку щільно закривають, щоб створити замкнуту систему. Більшість манометричних приладів для визначення БСК включають абсорбент CO₂. У даному випадку це хімічна речовина (натрію гідроксид (NaOH) або калію гідроксид (KOH)), яку поміщають у невеликий відсік герметичної системи. Цей абсорбент ефективно захоплює CO₂, що утворюється внаслідок мікробного розкладання, і запобігає накопиченню CO₂ — побічного продукту мікробної діяльності, який може збільшувати тиск у пляшці.

Випробування БСК спирається на правильну роботу мікробних організмів, тому герметичну інкубаційну пляшку поміщують у термостат із постійною температурою, налаштований на 20 °С, що є найбільш сприятливим для мікробної діяльності. Найпоширеніший період інкубації становить 5 діб (тобто БСК5), хоча в деяких випадках може знадобитися довший період — до 30 діб — для отримання бажаних комплексних результатів.

Під час інкубації мікроорганізми розкладають органічну речовину (в даному випадку — приманку), споживаючи кисень і виділяючи CO2. Вуглекислий газ поглинається абсорбентом, і внутрішній тиск у герметичній пляшці знижується. Манометричний прилад для визначення БСК оснащений манометрами та перетворювачами, які реєструють зміни тиску. Ці зміни фіксуються протягом часу.

Для отримання значення БСК обчислюємо втрату тиску. Зниження тиску прямо пропорційне кількості витраченого кисню. Пристрій або супровідне програмне забезпечення використовує рівняння ідеального газу для розрахунку втрати кисню, яка потім перетворюється на БСК. БСК зазвичай подається в часткових одиницях або в мг/л. Розрахунок ґрунтується на об’ємі проби, температурі інкубації та атмосферному тиску для отримання високоякісних результатів.

Характеристики манометричних приладів для визначення БСК високої якості.

Не всі манометричні прилади БПК однакові. Прилади високої якості мають певні характеристики, що вирізняють їх за продуктивністю та зручністю використання. Ці характеристики вдосконалювалися протягом багатьох років практичного досвіду та ітерацій продукту, щоб забезпечити оптимальну роботу приладів у різноманітних умовах застосування.

Однією з найважливіших таких характеристик є багатопозиційна можливість приладу. Багато сучасних манометрів БПК мають кілька (наприклад, 12) позицій для інкубації, що дозволяє одночасно тестувати кілька комплектів проб. Це значно економить час під час аналізів, оскільки багато лабораторій та інших установ змушені працювати з великою кількістю комплектів проб.

Іншою важливою характеристикою є довгострокова стабільність. Оскільки випробування БПК тривають близько 30 днів, апарат повинен стабільно працювати протягом усього періоду інкубації. Якісні прилади використовують міцні матеріали для герметичних систем, що захищають від проникнення повітря, забезпечуючи точне вимірювання тиску самостійними системами протягом тривалого часу. Перетворювачі тиску також налаштовані таким чином, щоб зберігати однакову чутливість і точність вимірювань протягом тривалого періоду.

Іншими високо цінованими передовими функціями є автоматизація та реєстрація даних. Сучасні манометричні прилади БПК часто оснащені функціями реєстрації даних, які автоматично фіксують зміни тиску через інтервали часу, встановлені користувачем. Цей крок позбавляє оператора необхідності ручного введення даних, зменшує ймовірність помилок при транскрипції та спрощує звітування та аналіз даних. Деякі пристрої мають додаткові функції для передачі оброблених даних на комп’ютери або лабораторні системи управління даними (LIMS).

Ще одна перевага — здатність обробляти різноманітні типи зразків. Якісні манометричні прилади для визначення БПК можуть аналізувати різні типи водних проб, починаючи від промислових стічних і комунальних каналізаційних вод і закінчуючи поверхневими та підземними водами. Їх можна оптимізувати для різних випадків тестування шляхом зміни об’єму проби та коефіцієнтів розведення. Характерною рисою підготовки зразків є використання готових реагентів і витратних матеріалів (таких як спеціалізовані абсорбенти CO₂ та стерильні колби для інкубації), що також забезпечує однаковість тестів.

Практичне застосування манометричних приладів для визначення БПК

Надійність і точність манометричних приладів для визначення БПК забезпечують широкий спектр застосувань у різних галузях. Серед найпоширеніших застосувань можна виділити:

У сфері охорони навколишнього середовища державні та недержавні організації використовують манометричний прилад для визначення БПК (біохімічного споживання кисню) з метою оцінки якості поверхневих (річки, озера, водосховища) та підземних вод. Регулярне випробування БПК допомагає у визначенні та контролі змін рівнів забруднення, виявленні та документуванні дотримання заходів контролю забруднення та оцінці загальної якості води. Це має важливе значення для захисту екологічних систем і забезпечення безпеки джерел питної води.

У промисловому секторі манометричний прилад БПК також є значним споживачем. Харчова та напійна промисловість, фармацевтика, текстильна та хімічна промисловість утворюють органічні стічні води й потребують контролю манометричного БПК. Манометричний БПК використовується для оцінки рівнів БПК у стічних (виробничих) і очищених (скидних) водах. Це потрібно для того, щоб переконатися, що стічні води мінімально впливають на навколишнє середовище, а також уникнути штрафів за порушення експлуатаційних норм у промисловості та забруднення навколишнього середовища. Ті самі технології забезпечують очищення стічних вод і допомагають багатьом промисловим клієнтам виконувати свої екологічні зобов’язання.

Окрім промислових застосувань, багато комунальних (або публічних) очисних споруд також використовують манометричні пристрої для вимірювання БСК. Ці установки визначають значення БСК, щоб оцінити загальну ефективність процесів очищення, які проводяться на первинному решітті, під час первинної обробки, вторинної (біологічної) обробки та фінального знезараження. Вимірюючи БСК у стічних водах до та після їхньої обробки, оператор установки може коригувати параметри керування процесом (наприклад, швидкість аерації, час утримання осаду), щоб оптимізувати процес очищення та забезпечити відповідність нормам скидання очищених стоків.

Деякі науково-дослідні та навчальні заклади також використовують манометричні прилади для вимірювання БПК. До специфічних застосувань можуть належати дослідження розкладання певних нових органічних матеріалів у воді, оцінка ефективності нових технологій очищення стічних вод або ступінь активного кліматичного збурення мікробіології води. Ці пристрої є ідеальним вибором для досліджень, оскільки вони потребують точних і відтворюваних вимірювань.

Переваги використання манометричного методу для визначення БПК

Багато користувачів тестів БПК віддають перевагу манометричному методу через кілька переваг, які він має порівняно з методами розведення, титруванням або електрохімічними методами.

Точність і надійність мають дуже важливе значення. Манометричний метод безпосередньо вимірює споживання кисню шляхом вимірювання змін тиску. Це усуває похибки титрування, пов’язані з визначенням кінцевої точки, а також похибки електрохімічних сенсорів, де можливі проблеми з забрудненням та зсувом калібрування. Конструкція системи є закритою, а поглинання CO₂ — ефективним, тому зміни тиску виникають лише через споживання кисню, що забезпечує стабільні та точні результати.

Перевагою є простота та зручність у роботі. Манометричний метод спрощує процес, оскільки метод титрування передбачає складні етапи та обережне поводження з хімікатами. Пристрій самостійно виконує моніторинг і реєстрацію даних, тому після підготовки та герметизації зразка потрібно мінімальне втручання оператора. Це підходить як досвідченим технікам, так і менш кваліфікованим працівникам після базового навчання.

Манометричний метод також добре підходить для тривалого моніторингу. Апарат розрахований на стабільну роботу з даними протягом тривалих періодів часу, до 30 днів, що робить його придатним для випробувань БПК, які мають тривалий час інкубації. Це допомагає оцінити біорозкладання стійких органічних забруднювачів або ж у моніторингу довгострокових наслідків забруднення водойм, що є дуже корисним.

Крім того, манометричний метод забезпечує економію у довгостроковій перспективі. Хоча якісне манометричне обладнання для визначення БПК є дорогим, воно дешевше в експлуатації порівняно з іншими методами та потребує мінімального технічного обслуговування. Використання готових реактивів та інших витратних матеріалів запобігає втратам і сприяє надійності, а конструкція з кількома позиціями оптимізує процес тестування, скорочуючи час і ресурси, необхідні для проходження зразків через робочий процес.

Фактори, що варто враховувати при вимірюванні за допомогою манометричного приладу БПК

Щоб використовувати манометричний прилад і отримати задовільні результати вимірювання БПК, слід врахувати кілька важливих рекомендацій:

Для початку отримайте репрезентативну пробу. У стандартних процедурах відбирання проб важливо уникати забруднення та забезпечити, щоб проба відображала весь водний об'єкт. Уникайте відбирання лише поверхневих або лише донних проб. Натомість беріть пробы з різних глибин і позицій та змішуйте їх перед проведенням аналізів.

Правильне розведення проби має дуже важливе значення. Якщо БПК проби надто високе, закрита система занадто швидко втратить кисень, що призведе до отримання неправильної інформації. Якщо ж БПК надто низьке, зміна тиску буде надто мала, щоб система могла точно виміряти цю зміну. Використовуйте співвідношення розведення як загальні орієнтири, виходячи з діапазону БПК проби, і розгляньте можливість проведення пробних випробувань для точного налаштування розведення.

Підтримуйте температуру інкубації в дуже суворих межах. Мікроорганізми в зразку дуже чутливі до температури. Якщо температура відхилятиметься від точної позначки 20 °C, це вплине на результат БПК. Підтримуйте постійну температуру в інкубаторі в межах ±1 °C від заданого значення та не розміщуйте інкубатор у місцях із коливаннями температури (біля вікон, нагрівачів та охолоджувачів).

Калібруйте обладнання через регулярні проміжки часу. Навіть високоякісні професійні манометри БПК з часом втрачають точність і потребують калібрування. Дотримуйтесь інструкцій виробника щодо калібрування манометра, перетворювача за допомогою стандартних газів та еталонних зразків із відомим БПК. Робіть це принаймні раз на кілька місяців або ще частіше, залежно від інтенсивності використання обладнання.

Догляд за поглиначем CO₂. Поглинач CO₂ має бути свіжим, щоб правильно поглинати CO₂. Якщо поглинач деградував (ознаки, такі як зміна кольору або утворення грудочок), його потрібно замінити. Поглинач слід розміщувати всередині відведеного для цього відсіку, оскільки контакт поглинача зі зразком неприпустимий — це призведе до забруднення зразка, і результати будуть непридатними.

Запобігання проникненню повітря в закриту систему. Якщо кришка інкубаційної пляшки підтекає або ущільнення пошкоджене, повітря може потрапити в систему, що призведе до неточних показань тиску. Перед інкубацією перевірте кришку на відсутність пошкоджень і зносу, а також стан клапанів. Переконайтеся, що кришка інкубаційної пляшки надійно закріплена. Якщо використовуються багаторазові пляшки, їх необхідно ретельно очищати після кожного використання, щоб видалити будь-які залишки речовин, які можуть порушити герметичність ущільнення.

Висновок

Апарат для вимірювання БПК методом манометричного аналізу є чудовою системою контролю якості води, що ґрунтується на надійному принципі — зміні тиску, спричиненій реєстрованою зміною розчиненого O2 під час мікробіологічного розкладання органічних речовин. Точність цього методу не має собі рівних, і саме тому він є основним у галузі екологічного моніторингу, очищення промислових стічних вод, комунальної каналізаційної обробки та навіть в академічних колах. Щоб отримати найкращі результати від апарату, необхідно зрозуміти принцип його дії, особливості конструкції, функціонування апарата та способи його практичного застосування для отримання точних і достовірних даних БПК, які можуть бути критично важливими при прийнятті рішень.

Зі зростанням проблеми забруднення води по всьому світу, потреба у точному та ефективному тестуванні БПК безперечно зростатиме. Апарат для визначення БПК манометричним методом є однією з найсучасніших систем контролю якості води за технологічністю та зручністю використання, і саме ця система допоможе врятувати нашу воду. Володіння манометричним приладом для визначення БПК має важливе значення для інженерів та/або дослідників, які прагнуть контролювати забруднення та ефективно керувати якістю води.