地表水中TOC與COD換算關(guān)系研究

對(duì)于各種有機(jī)物TOC、COD間的轉(zhuǎn)化率及其相關(guān)性, 國(guó)外從1960年代就開始進(jìn)行研究, 甚至有些國(guó)家已在部分行業(yè)內(nèi)以TOC的測(cè)量代替COD的測(cè)量。中國(guó)從1980年代初開始對(duì)不同類型水體中的TOC進(jìn)行研究, 對(duì)TOC與COD的相關(guān)性進(jìn)行分析。

林晶等認(rèn)為, 紡織印染廢水TOC值與COD值在理論上有很好的線性關(guān)系。但是由于生產(chǎn)過程、設(shè)施裝置和排污情況的差異, 各個(gè)企業(yè)產(chǎn)生的污水成分不完全相同, 因此在實(shí)際研究中應(yīng)根據(jù)具體情況, 通過實(shí)驗(yàn)建立相應(yīng)的回歸方程。林琦等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 谷氨酸、鄰苯二甲酸氫鉀及較難降解的甲基橙, 每一種有機(jī)物的COD與TOC間相關(guān)性很好 (r=0.999 9) , COD與TOC的比值范圍為2.0~3.0。對(duì)部分印染、制革和化工企業(yè)的高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行測(cè)定后發(fā)現(xiàn), 廢水中COD與TOC的比值基本為2.0~3.0。李芳采用線性回歸法對(duì)冶金鋼鐵行業(yè)廢水中TOC和COD_{C r}2項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 表明冶金鋼鐵行業(yè)廢水中COD_{C r}值和TOC值的線性關(guān)系顯著, 在一定條件下可以使用TOC監(jiān)測(cè)值間接換算COD_{C r}值。陳光等的研究表明, 地表水中TOC與COD存在相關(guān)關(guān)系, 4種地表水的相關(guān)系數(shù)為0.40~0.93;城市污水中TOC與COD有較好的相關(guān)關(guān)系, 6種城市污水的相關(guān)系數(shù)為0.65~0.96, 每種水樣中至少有90%以上數(shù)據(jù)的換算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在±20%以內(nèi)。胡利芳等對(duì)深圳灣海水的COD與TOC的相關(guān)性研究表明, 海水中COD與TOC有著良好的相關(guān)性, 相關(guān)系數(shù)大于0.9。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究?jī)?nèi)容

使用自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器 (島津4100型) 分析水體中的TOC, 使用國(guó)標(biāo)方法重鉻酸鉀法分析COD, 選取有代表性的18個(gè)自動(dòng)站 (分別位于淮河、黃河、海河、長(zhǎng)江流域) 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 對(duì)地表水河流監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)分析, 了解上述地表水體在枯水期、平水期、豐水期3個(gè)水期中TOC和COD的含量;按不同水文情況 (枯水期、平水期、豐水期) 和不同濃度情況 (不同河流) 建立COD和TOC轉(zhuǎn)換曲線。

1.2 樣品的采集和保存

采集瞬時(shí)樣, 每天1次, 連續(xù)采集20 d, 保證20組以上的有效數(shù)據(jù)。同一水樣開展實(shí)驗(yàn)室分析和自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析, 在采集水樣時(shí), 要在溢流杯處取經(jīng)過30 min沉降、過濾的樣品, 同時(shí)記錄儀器TOC值。如不能在現(xiàn)場(chǎng)分析COD, 需加濃硫酸使p H<2, 在4℃下保存水樣, 盡快分析。使用聚四氟乙烯的容器保存。

1.3 樣品的分析

1.3.1 儀器設(shè)備及試劑

4100型總有機(jī)碳分析儀、回流裝置及滴定裝置, 所使用的試劑均為分析純以上, 載氣純度均為99.99%以上。

1.3.2 分析方法

COD采用《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定重鉻酸鉀法》 (GB 11914—1989) 測(cè)定。采用TOC-4100型分析儀進(jìn)行TOC分析測(cè)試, 嚴(yán)格參照《TOC水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》 (HJ/T 104—2003) 。

1.4 TOC-4100型儀器校準(zhǔn)

將儀器通電開機(jī)預(yù)熱, 初始化到正常運(yùn)行狀態(tài), 根據(jù)河流斷面水質(zhì)狀況, 設(shè)定合適量程, 根據(jù)設(shè)定量程初步設(shè)定儀器進(jìn)樣量、加酸量和通氣時(shí)間。

儀器在安裝調(diào)試時(shí), 已根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定了加酸量和N₂吹掃時(shí)間 (一般設(shè)置10%鹽酸的加入量為60μL、通氣時(shí)間為1.5 min) , 該條件能保證大部分水體出數(shù), 但要將TOC值轉(zhuǎn)換COD時(shí), 須對(duì)加酸量和N₂吹掃時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。首先固定N₂吹掃時(shí)間, 每次增加30μL加酸量, 在線測(cè)定同一份水樣3次, 取算術(shù)平均值為當(dāng)前條件下水樣值, 計(jì)算前后2次TOC值相對(duì)誤差, 直到相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)時(shí), 即可固定水樣加酸量;其次, 調(diào)整N₂吹掃時(shí)間, 每次增加通氣時(shí)間0.5 min, 在線測(cè)定同一份水樣3次, 取算術(shù)平均值為當(dāng)前條件下水樣值, 計(jì)算前后2次TOC值相對(duì)誤差, 直到相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)時(shí), 即可固定通氣時(shí)間;再次, 驗(yàn)證加酸量、吹氣時(shí)間, 以優(yōu)化后加酸量、吹氣時(shí)間為條件, 取同一份該斷面地表水水樣, 向其中加入一定量的無(wú)機(jī)碳標(biāo)液, 連續(xù)測(cè)試3次后, 根據(jù)結(jié)果的平均值, 計(jì)算加標(biāo)回收率, 回收率小于5%為合格。

1.5 準(zhǔn)確度和精密度

自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器比對(duì)實(shí)驗(yàn), 用滿量程30%、70%兩點(diǎn)對(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)溶液連續(xù)6次測(cè)量, 自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器測(cè)定值與真值的相對(duì)誤差應(yīng)分別小于±15%和±10%。對(duì)于同一標(biāo)準(zhǔn)溶液 (中間濃度) 8次重復(fù)測(cè)定, 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)小于10%。

1.6 轉(zhuǎn)換曲線的形成

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析, 設(shè)TOC為x, COD為y, 則y=a+bx。應(yīng)用求極值的方法求出截距a和斜率b, 即可得到回歸方程。

線性假設(shè)的顯著性檢驗(yàn):回歸分析是假定y關(guān)于x的回歸方程具有y=a+bx的形式, 但y是否為x的線性函數(shù), 則需對(duì)斜率b和0的顯著性差異進(jìn)行檢驗(yàn):在給定的測(cè)量次數(shù)n和顯著水平α的情況下, 利用t檢驗(yàn)法來進(jìn)行檢驗(yàn), 由t分布表查得t_{α/2 (n-2)} , 當(dāng)統(tǒng)計(jì)量|t|≥t_{α/2 (n-2)} 時(shí)認(rèn)為b瓪0, 線性假設(shè)成立, 否則就認(rèn)為b=0, 線性假設(shè)不成立, 即y不依賴于x而變化。

相關(guān)系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn):相關(guān)系數(shù)r是表征變量x與y相關(guān)關(guān)系的一個(gè)數(shù)量性指標(biāo), r表示由x能夠說明的y的誤差在總誤差中的比例。相關(guān)系數(shù)r的檢驗(yàn)方法:在給定測(cè)量次數(shù)n和顯著水平α的情況下, 由相關(guān)系數(shù)的臨界值r_α表查出r_α值, 當(dāng)統(tǒng)計(jì)量|r|≥r_α時(shí), 說明此回歸方程的因變量與自變量之間線性顯著相關(guān), 反之, 線性無(wú)關(guān)。

截距a的顯著性檢驗(yàn):在給定測(cè)量次數(shù)n和顯著水平α的情況下, 利用t檢驗(yàn)法來就截距a與0的顯著性差異進(jìn)行檢驗(yàn), 由t分布表查得t_{α/2 (n-2)} , 當(dāng)統(tǒng)計(jì)量|t|≥t_{α/2 (n-2)} 時(shí)則認(rèn)為a與0有顯著性差別, 否則, 認(rèn)為a與0無(wú)顯著性差別, 可以省略。

2.結(jié)果與分析

采取國(guó)標(biāo)方法對(duì)其所屬區(qū)域水中的COD進(jìn)行測(cè)定, 濃度值為7.7~108 mg/L, 基本能夠涵蓋目前地表水中COD可能出現(xiàn)的濃度值。對(duì)18個(gè)自動(dòng)站, 均使用至少20組有效數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸, 得到TOC-COD轉(zhuǎn)換曲線。斜率范圍為1.03~4.3、截距范圍為-7.38~23.78、相關(guān)系數(shù)范圍為0.727~0.998, 詳細(xì)結(jié)果見表1、圖1。

表1 1 8 個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站站點(diǎn)的基本數(shù)據(jù)

圖1 1 8 個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站斜率范圍與理論值的關(guān)系 

2.1 不同濃度區(qū)間TOC與COD換算關(guān)系

在對(duì)不同濃度區(qū)間的轉(zhuǎn)換曲線開展研究時(shí), 將地表水中COD濃度劃分為3個(gè)區(qū)間, 一是符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 3838—2002) Ⅲ類水質(zhì)要求, 即COD≤20 mg/L;二是符合Ⅴ類水質(zhì)要求, 即20 mg/L<COD≤40 mg/L;三是針對(duì)劣Ⅴ類水質(zhì), 即COD>40 mg/L。

根據(jù)這一分類, 結(jié)合18個(gè)斷面的COD的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 可對(duì)18個(gè)自動(dòng)站進(jìn)行篩選分類, 年度COD最大、最小濃度相差較大的自動(dòng)站為鹿邑東孫營(yíng), 年均濃度范圍為18.1~44.7 mg/L;西華址坊, 年均濃度范圍為12.9~33.4 mg/L;耿寺橋, 年均濃度范圍為42.2~107 mg/L (圖2~圖4) 。

按照水質(zhì)自動(dòng)站每周開展自動(dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室國(guó)標(biāo)方法的比對(duì)監(jiān)測(cè)要求, 剔除斷流、停電等因素的影響, 自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差小于20%的達(dá)到85%以上, 可以認(rèn)為單個(gè)斷面COD濃度值的波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)換關(guān)系產(chǎn)生的影響較小。

圖2 西華址坊自動(dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)比對(duì)情況

圖3 鹿邑東孫營(yíng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)比對(duì)情況

圖4 耿寺橋自動(dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)比對(duì)情況 

2.2 不同水文時(shí)期TOC與COD換算關(guān)系

在對(duì)不同水文時(shí)期轉(zhuǎn)換曲線開展研究時(shí), 分為枯水期、平水期、豐水期3個(gè)時(shí)期。不同流域、不同地區(qū)3個(gè)時(shí)期各不一樣。已經(jīng)有研究表明, 實(shí)驗(yàn)區(qū)域的枯水期為當(dāng)年11月份至次年的2月份, 平水期為3—6月, 豐水期為7—10月。

通常認(rèn)為枯水期、平水期、豐水期3個(gè)時(shí)期地表水中的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物含量的比例會(huì)有所差別, 導(dǎo)致轉(zhuǎn)換曲線的適用性不強(qiáng)。結(jié)合18個(gè)斷面的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類篩選, 選取全年水中COD含量較為穩(wěn)定的站點(diǎn) (睢縣長(zhǎng)崗、新野新甸鋪) 和最不穩(wěn)定的站點(diǎn) (鹿邑東孫營(yíng)、西華址坊) 3個(gè)時(shí)期的水樣, 利用實(shí)驗(yàn)室TOC儀器 (差減法) 分析其中的有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳含量, 確認(rèn)其比例。數(shù)據(jù)表明;單個(gè)斷面3個(gè)時(shí)期的水體中, 有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的比例基本保持在固定的比例波動(dòng), 枯水期無(wú)機(jī)碳的比例較低。根據(jù)2011年第1周~52周比對(duì)數(shù)據(jù) (剔除影響比對(duì)的斷流、停電等因素) , 自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差小于20%的達(dá)到85%以上?？梢哉J(rèn)為單個(gè)斷面3個(gè)時(shí)期濃度值的波動(dòng), 對(duì)轉(zhuǎn)換關(guān)系產(chǎn)生的影響較小。具體見圖5~圖7。

圖5 睢縣長(zhǎng)崗自動(dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)比對(duì)情況

圖6 新野新甸鋪?zhàn)詣?dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)比對(duì)情況 

圖7 相對(duì)誤差比較情況

3.討論

研究結(jié)果表明, TOC和COD具有較好的相關(guān)性, 可以用COD來估算和衡量水體的污染情況。但是不同的水體, 因其納入污染物的種類、數(shù)量等因素不同, 其相關(guān)性也存在一定差異;即使同一水體, 因污染程度的不同, 其相關(guān)性也不相同。

水質(zhì)較好時(shí), 即COD低于15 mg/L、TOC低于6 mg/L時(shí), 除去無(wú)機(jī)碳時(shí)的通氣量和通氣時(shí)間尤為重要, 如通氣時(shí)間控制不好, 揮發(fā)性有機(jī)物的吹出能造成TOC測(cè)量結(jié)果減少20%以上, 對(duì)比誤差就很大, 超過30%, 有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)檢測(cè)不出TOC數(shù)值, 無(wú)法轉(zhuǎn)換COD的情況。

遇到暴雨洪水, 水質(zhì)突變, 泥沙和懸浮物較多時(shí), 毛細(xì)管容易被堵塞, 經(jīng)常影響測(cè)量結(jié)果。遇到突發(fā)污水排放, COD急劇升高, 超出轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)濃度范圍較多時(shí), TOC與COD線性相關(guān)關(guān)系變差, 仍用原來的轉(zhuǎn)換公式推算出的COD結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比誤差會(huì)超出允許的范圍。遇到這種情況時(shí), 應(yīng)及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣、監(jiān)測(cè), 以實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

4.結(jié)論

TOC和COD具有良好的相關(guān)性, 可以用COD來估算和衡量水體的有機(jī)污染情況。

在利用TOC推算COD時(shí), 不應(yīng)超過實(shí)驗(yàn)的濃度范圍, 在制作回歸方程時(shí), 要把可能的最大值和最小值都考慮進(jìn)去, 以便實(shí)際應(yīng)用。換算系數(shù)應(yīng)進(jìn)行定期檢驗(yàn), 加強(qiáng)對(duì)安裝有TOC的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行質(zhì)量控制。

雖然TOC自動(dòng)分析儀具有穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低、維護(hù)量小、數(shù)據(jù)測(cè)量能夠很好地反映水質(zhì)變化情況等優(yōu)點(diǎn), 但監(jiān)測(cè)結(jié)果要換算成COD需要繁瑣的步驟, 且要定期開展比對(duì)工作, 增加了監(jiān)測(cè)人員的工作量, 建議早日推出地表水中TOC的標(biāo)準(zhǔn)限值。