農村生活污水處理設施尾水中TOC 與COD 相關性研究

房慧德 趙炎 李現瑾 鄧子泱 張志東

（江蘇中車環保設備有限公司，江蘇常熟 215505）

1 引言

村鎮污水亂排亂放嚴重影響了村鎮居民的生活質量，該問題亟待解決。目前，在政府的大力支持下，大量農村生活污水處理相關產品得到了廣泛應用和普及，使村鎮水環境得到極大的改善。

然而相比于城鎮污水處理系統，大部分農村農戶缺乏統一規劃，居民居住較為分散，且存在排水系統復雜混亂等情況，因此大部分農村適合采用村鎮分散式污水治理的模式。該處理模式在帶來了管網施工便利的同時，也造成了水質檢測樣本量大、檢測成本高的問題。

有機物是水體中的重要污染物，一般采用化學需氧量（COD）來表征水體中有機物的含量，但COD的測量過程不僅費時費力，而且使用了多種重金屬鹽，價格昂貴還極易產生二次污染［1］。如重鉻酸鉀、高錳酸鉀等的氧化能力有限，僅能氧化水體中的部分有機物，無法準確地確定理論上的需氧量，也難以表征水體中有機物的總含量。

總有機碳（TOC）是指水體中存在的溶解性和懸浮性有機碳的碳含量。TOC 的檢測一般采用燃燒法或光催化法，其可以有效氧化水體中的全部有機物，更準確、全面地反映水體中的有機物含量，測量過程簡單快捷，無二次污染，且TOC 測定結果的精密度與準確度均高于COD［2］。

近幾年，相關研究表明，若水體組成成分穩定，COD 與TOC 之間理論上存在線性函數關系［3］。各行業產生的生產廢水中，TOC 與COD 值均存在較強的相關性，且生產廢水的構成成分越單一，其相關性越好［1］。使用TOC 值換算得到的預測COD 值更加準確，適合應用于水質監測中。目前，美國已經把TOC 作為水體中有機物的監測指標，日本也將TOC 指標列入工業標準［4］。

2 研究現狀

董萍等［1］對城鎮污水廠、化工廠等多種不同來源廢水中的TOC 與COD 相關性進行了研究，進行了回歸性分析，并對其回歸方程的顯著性和有效性進行了檢驗，見表1。其研究證明了利用TOC 來推測COD 的可行性，能夠滿足水質監測的需要。

表1 不同來源廢水中TOC 與COD 的相關性

孫立巖等［5］根據18 個地表水水質監測站的數據，對水體中COD 和TOC 的數值進行了線性分析，得到TOC-COD 轉化曲線，然而這些曲線斜率范圍為1.0～4.3，截距范圍為-7.38～23.78，相關系數范圍0.727～0.998 不等，由此認為不同的水體，因污染物種類、組成的差異也會存在不同的相關性。

張丹［6］研究了含氯有機化工廢水和含氯有機無機混合化工廢水，通過測定這2 種廢水水樣的TOC值與COD 值，使用一元線性方程進行回歸性擬合，證明了TOC 與COD 之間存在顯著的相關性，其結果表明TOC 與COD 的轉化關系是可靠的，具有實用價值。

孫淑琴等［7］針對高鹽污水中的TOC 與COD 關系建立了相關性的數學模型，適用于1 000 mg/L＜氯化物＜1 500 mg/L 的工業園區廢水，避免了國標法測量COD 含量時的氯離子含量限制。

在市政污水處理領域中，也有較多對TOC 與COD 相關關系的研究。李佳儀等［8］對市政污水廠排污口不同月份的污水中的TOC 與COD 值進行了檢測及相關性分析，建立了一元回歸方程，并驗證了其有效性；方雅恒等［9］以缺氧或厭氧狀態下的城市管網內污水為研究對象，其研究結果表明，TOC 與COD 同樣具有顯著的相關性關系，但相關關系差異較大，其相關性與水體氧環境有一定關系。

如今關于TOC 和COD 相關性的研究主要集中在城鎮生活污水、紡織和化工等工業用水的監測，而對于農村生活污水的研究卻處于空白。農村生活污水的檢測方式與城鎮存在較大不同，由于農村居民居住較為分散、地形地勢復雜等，農村污水的處理大多采用分散式的污水處理模式，處理站點數量眾多，造成檢測水樣數量巨大，使用傳統的COD 測量方法費時費力，且成本較高，而TOC 的測量則更加方便快捷。

3 實驗儀器及實驗方法

3.1 樣品來源

本次實驗隨機抽取了蘇滬地區安裝的一類農村污水處理設施的尾水樣本，共215 個。該設施采用傳統的生物接觸氧化工藝，對用戶生活污水進行收集、凈化和處理，設施進出水情況較為穩定。

3.2 主要實驗儀器及實驗方法

TOC 的測定使用島津TOC-L 系列TOC 分析儀，測量范圍為4～30 000 μg/L，采用680 ℃燃燒催化氧化法+非分散紅外吸收（NDIR）法，測量結果精確性較高；COD 的測定采用哈希（HACH）公司生產的COD 快速消解試劑，測量范圍為3～150 mg/L，使用哈希（HACH）DR2800 型分光光度計進行讀數，利用快速消解分光光度法測量水體COD 含量。

4 實驗結果與分析

為了適應農村生活污水水質檢測的需要，降低水質檢測的成本，提高水質檢測效率，提高檢測結果的可信度，并避免COD 檢測過程中的二次污染問題，亟須開發一種使用TOC 數值來判斷COD 數值的方法，這就需要探究二者的相關性。

對單一有機物而言，雖然不同有機物TOC 與COD 的比例常數不同，但總是成正比關系［1］，而農村生活污水處理設施尾水中的有機物組成相對穩定，TOC 與COD 的比例也應當在一定范圍之內。

4.1 TOC 與COD 的濃度對比

隨機抽取215 臺農村生活污水處理設施，分析其尾水水樣中的COD 與TOC 濃度值，并以TOC 濃度值由小到大排序。TOC 與COD 濃度值見圖1。

圖1 TOC 與COD 濃度對比

由圖1 可見，在這215 臺農村生活污水處理設施的尾水中，COD 濃度值與TOC 濃度值存在大致相同的變化趨勢，因此推測該尾水中的COD 與TOC濃度值之間存在倍數或一次函數關系。

4.2 TOC 與COD 的比值分析

由于TOC 與COD 的比值僅與水體中有機物的組成和含量有關，因此不同的有機物濃度下該比值可能會有所差異。使用監測點位中水樣COD 濃度值除以TOC 濃度值，并以TOC 濃度值由小到大排序，分析COD/TOC 值的變化，結果見圖2。

圖2 COD/TOC 值散點圖

由圖2 可見，COD/TOC 的值大多集中在3.0 左右，存在一個明顯的密集區域。對這些散點做回歸性分析，其回歸方程為：y＝-0.028 5x+3.611 3，線性方程斜率（a）＝-0.028 5，斜率略小于0，證明隨著TOC 濃度的增加，COD/TOC 的比值雖略有降低，但在總體趨勢上保持穩定。

表2 中分析了各TOC 濃度下COD/TOC 的比值，當TOC＜10 mg/L 時，COD/TOC 在3.0～4.0 之間占比較大；而當TOC 范圍在10～20 mg/L 時，COD/TOC在2.5～3.5 之間占比較大；當TOC＞20 mg/L 時，COD/TOC 在2.5～3.0 之間占比最大。刨除存在一定的測量誤差后，可得出結論，低有機物含量的污水中其有機物的組成比例與高有機物含量的污水中有機物的組成比例存在差別，但差別較小，適用于大多數農村生活污水處理設施尾水（COD＜100 mg/L，TOC＜30 mg/L）的檢測領域。

表2 各TOC 濃度下COD/TOC 比值占比

4.3 TOC 與COD 的回歸性分析及顯著性檢驗

由于不同有機物濃度的水體中TOC 與COD 均存在類似的比例系數，認為在整個實驗范圍區間內，兩者之間都存在相似的線性關系。將兩者進行線性回歸分析，得出了一條線性回歸方程：y＝2.822 5x+4.542，決定系數R2＝0.91，相關系數r＝0.954。TOC 與COD 相關性趨勢線見圖3。

圖3 TOC 與COD 相關性趨勢線

采用相關系數法檢驗該回歸曲線的顯著性，取顯著性水平α＝0.01，自由度f=n-2，取f＝200，查相關系數臨界值表得到其相關系數的臨界值r0.01（200）＝0.181，回歸方程中的相關系數|r|≥r0.01，因此證明該線性回歸方程相關性具有顯著性，該回歸方程可以較好地表述COD 與TOC 之間的相關關系。

4.4 TOC 與COD 回歸曲線的有效性驗證

為驗證該回歸方程的有效性，另選164 個農村生活污水處理設施尾水水樣進行了TOC 及COD 檢測分析，將測出的TOC 濃度值分別帶入該方程中，便可以得到COD 濃度的預測值，將該預測值與COD濃度的實測值進行對比，結果見圖4。

圖4 COD 濃度預測值與實測值對比

由圖4 中明顯可見，COD 濃度的預測值與實測值2 條折線保持高度吻合，但仍然存在一定的誤差，于是對該判斷方法的誤差率進行了統計。

表3 為COD 濃度預測值相比于實測值的誤差率，誤差率越小的區間內樣品所占比例越高，且誤差率大多存在于小于20%的區間之內，該區間內的樣品數量占總數量的87.80%，因此該一次線性方程可以較好地表示農村生活污水處理設施尾水中的TOC與COD 的相關性，并可以作為農村生活污水處理設施尾水檢測領域中使用TOC 濃度值預測COD 濃度值的一種簡便方法。

表3 COD 預測值的誤差率

5 結論

（1）在農村生活污水處理設施尾水的檢測領域中，當出水水質條件滿足COD＜100 mg/L，TOC＜30 mg/L時，TOC 與COD 具有明顯的一次線性相關關系，可以使用TOC 濃度值來推測COD 濃度值。

（2）COD 的預測公式為COD＝2.822 5TOC+4.542，誤差率在20%以內的概率為87.80%，可以較為準確地使用檢測出的TOC 濃度數值來推測水體中的COD濃度數值。