农村生活污水处理设施尾水中TOC 与COD 相关性研究

房慧德 赵炎 李现瑾 邓子泱 张志东

（江苏中车环保设备有限公司，江苏常熟 215505）

1 引言

村镇污水乱排乱放严重影响了村镇居民的生活质量，该问题亟待解决。目前，在政府的大力支持下，大量农村生活污水处理相关产品得到了广泛应用和普及，使村镇水环境得到极大的改善。

然而相比于城镇污水处理系统，大部分农村农户缺乏统一规划，居民居住较为分散，且存在排水系统复杂混乱等情况，因此大部分农村适合采用村镇分散式污水治理的模式。该处理模式在带来了管网施工便利的同时，也造成了水质检测样本量大、检测成本高的问题。

有机物是水体中的重要污染物，一般采用化学需氧量（COD）来表征水体中有机物的含量，但COD的测量过程不仅费时费力，而且使用了多种重金属盐，价格昂贵还极易产生二次污染［1］。如重铬酸钾、高锰酸钾等的氧化能力有限，仅能氧化水体中的部分有机物，无法准确地确定理论上的需氧量，也难以表征水体中有机物的总含量。

总有机碳（TOC）是指水体中存在的溶解性和悬浮性有机碳的碳含量。TOC 的检测一般采用燃烧法或光催化法，其可以有效氧化水体中的全部有机物，更准确、全面地反映水体中的有机物含量，测量过程简单快捷，无二次污染，且TOC 测定结果的精密度与准确度均高于COD［2］。

近几年，相关研究表明，若水体组成成分稳定，COD 与TOC 之间理论上存在线性函数关系［3］。各行业产生的生产废水中，TOC 与COD 值均存在较强的相关性，且生产废水的构成成分越单一，其相关性越好［1］。使用TOC 值换算得到的预测COD 值更加准确，适合应用于水质监测中。目前，美国已经把TOC 作为水体中有机物的监测指标，日本也将TOC 指标列入工业标准［4］。

2 研究现状

董萍等［1］对城镇污水厂、化工厂等多种不同来源废水中的TOC 与COD 相关性进行了研究，进行了回归性分析，并对其回归方程的显著性和有效性进行了检验，见表1。其研究证明了利用TOC 来推测COD 的可行性，能够满足水质监测的需要。

表1 不同来源废水中TOC 与COD 的相关性

孙立岩等［5］根据18 个地表水水质监测站的数据，对水体中COD 和TOC 的数值进行了线性分析，得到TOC-COD 转化曲线，然而这些曲线斜率范围为1.0～4.3，截距范围为-7.38～23.78，相关系数范围0.727～0.998 不等，由此认为不同的水体，因污染物种类、组成的差异也会存在不同的相关性。

张丹［6］研究了含氯有机化工废水和含氯有机无机混合化工废水，通过测定这2 种废水水样的TOC值与COD 值，使用一元线性方程进行回归性拟合，证明了TOC 与COD 之间存在显著的相关性，其结果表明TOC 与COD 的转化关系是可靠的，具有实用价值。

孙淑琴等［7］针对高盐污水中的TOC 与COD 关系建立了相关性的数学模型，适用于1 000 mg/L＜氯化物＜1 500 mg/L 的工业园区废水，避免了国标法测量COD 含量时的氯离子含量限制。

在市政污水处理领域中，也有较多对TOC 与COD 相关关系的研究。李佳仪等［8］对市政污水厂排污口不同月份的污水中的TOC 与COD 值进行了检测及相关性分析，建立了一元回归方程，并验证了其有效性；方雅恒等［9］以缺氧或厌氧状态下的城市管网内污水为研究对象，其研究结果表明，TOC 与COD 同样具有显著的相关性关系，但相关关系差异较大，其相关性与水体氧环境有一定关系。

如今关于TOC 和COD 相关性的研究主要集中在城镇生活污水、纺织和化工等工业用水的监测，而对于农村生活污水的研究却处于空白。农村生活污水的检测方式与城镇存在较大不同，由于农村居民居住较为分散、地形地势复杂等，农村污水的处理大多采用分散式的污水处理模式，处理站点数量众多，造成检测水样数量巨大，使用传统的COD 测量方法费时费力，且成本较高，而TOC 的测量则更加方便快捷。

3 实验仪器及实验方法

3.1 样品来源

本次实验随机抽取了苏沪地区安装的一类农村污水处理设施的尾水样本，共215 个。该设施采用传统的生物接触氧化工艺，对用户生活污水进行收集、净化和处理，设施进出水情况较为稳定。

3.2 主要实验仪器及实验方法

TOC 的测定使用岛津TOC-L 系列TOC 分析仪，测量范围为4～30 000 μg/L，采用680 ℃燃烧催化氧化法+非分散红外吸收（NDIR）法，测量结果精确性较高；COD 的测定采用哈希（HACH）公司生产的COD 快速消解试剂，测量范围为3～150 mg/L，使用哈希（HACH）DR2800 型分光光度计进行读数，利用快速消解分光光度法测量水体COD 含量。

4 实验结果与分析

为了适应农村生活污水水质检测的需要，降低水质检测的成本，提高水质检测效率，提高检测结果的可信度，并避免COD 检测过程中的二次污染问题，亟须开发一种使用TOC 数值来判断COD 数值的方法，这就需要探究二者的相关性。

对单一有机物而言，虽然不同有机物TOC 与COD 的比例常数不同，但总是成正比关系［1］，而农村生活污水处理设施尾水中的有机物组成相对稳定，TOC 与COD 的比例也应当在一定范围之内。

4.1 TOC 与COD 的浓度对比

随机抽取215 台农村生活污水处理设施，分析其尾水水样中的COD 与TOC 浓度值，并以TOC 浓度值由小到大排序。TOC 与COD 浓度值见图1。

图1 TOC 与COD 浓度对比

由图1 可见，在这215 台农村生活污水处理设施的尾水中，COD 浓度值与TOC 浓度值存在大致相同的变化趋势，因此推测该尾水中的COD 与TOC浓度值之间存在倍数或一次函数关系。

4.2 TOC 与COD 的比值分析

由于TOC 与COD 的比值仅与水体中有机物的组成和含量有关，因此不同的有机物浓度下该比值可能会有所差异。使用监测点位中水样COD 浓度值除以TOC 浓度值，并以TOC 浓度值由小到大排序，分析COD/TOC 值的变化，结果见图2。

图2 COD/TOC 值散点图

由图2 可见，COD/TOC 的值大多集中在3.0 左右，存在一个明显的密集区域。对这些散点做回归性分析，其回归方程为：y＝-0.028 5x+3.611 3，线性方程斜率（a）＝-0.028 5，斜率略小于0，证明随着TOC 浓度的增加，COD/TOC 的比值虽略有降低，但在总体趋势上保持稳定。

表2 中分析了各TOC 浓度下COD/TOC 的比值，当TOC＜10 mg/L 时，COD/TOC 在3.0～4.0 之间占比较大；而当TOC 范围在10～20 mg/L 时，COD/TOC在2.5～3.5 之间占比较大；当TOC＞20 mg/L 时，COD/TOC 在2.5～3.0 之间占比最大。刨除存在一定的测量误差后，可得出结论，低有机物含量的污水中其有机物的组成比例与高有机物含量的污水中有机物的组成比例存在差别，但差别较小，适用于大多数农村生活污水处理设施尾水（COD＜100 mg/L，TOC＜30 mg/L）的检测领域。

表2 各TOC 浓度下COD/TOC 比值占比

4.3 TOC 与COD 的回归性分析及显著性检验

由于不同有机物浓度的水体中TOC 与COD 均存在类似的比例系数，认为在整个实验范围区间内，两者之间都存在相似的线性关系。将两者进行线性回归分析，得出了一条线性回归方程：y＝2.822 5x+4.542，决定系数R2＝0.91，相关系数r＝0.954。TOC 与COD 相关性趋势线见图3。

图3 TOC 与COD 相关性趋势线

采用相关系数法检验该回归曲线的显著性，取显著性水平α＝0.01，自由度f=n-2，取f＝200，查相关系数临界值表得到其相关系数的临界值r0.01（200）＝0.181，回归方程中的相关系数|r|≥r0.01，因此证明该线性回归方程相关性具有显著性，该回归方程可以较好地表述COD 与TOC 之间的相关关系。

4.4 TOC 与COD 回归曲线的有效性验证

为验证该回归方程的有效性，另选164 个农村生活污水处理设施尾水水样进行了TOC 及COD 检测分析，将测出的TOC 浓度值分别带入该方程中，便可以得到COD 浓度的预测值，将该预测值与COD浓度的实测值进行对比，结果见图4。

图4 COD 浓度预测值与实测值对比

由图4 中明显可见，COD 浓度的预测值与实测值2 条折线保持高度吻合，但仍然存在一定的误差，于是对该判断方法的误差率进行了统计。

表3 为COD 浓度预测值相比于实测值的误差率，误差率越小的区间内样品所占比例越高，且误差率大多存在于小于20%的区间之内，该区间内的样品数量占总数量的87.80%，因此该一次线性方程可以较好地表示农村生活污水处理设施尾水中的TOC与COD 的相关性，并可以作为农村生活污水处理设施尾水检测领域中使用TOC 浓度值预测COD 浓度值的一种简便方法。

表3 COD 预测值的误差率

5 结论

（1）在农村生活污水处理设施尾水的检测领域中，当出水水质条件满足COD＜100 mg/L，TOC＜30 mg/L时，TOC 与COD 具有明显的一次线性相关关系，可以使用TOC 浓度值来推测COD 浓度值。

（2）COD 的预测公式为COD＝2.822 5TOC+4.542，误差率在20%以内的概率为87.80%，可以较为准确地使用检测出的TOC 浓度数值来推测水体中的COD浓度数值。