城污水BOD與COD關(guān)系的探討

1、城市污水 BOD 與 COD 關(guān)系的探討摘 要：從 BOD 與 COD 的構(gòu)成及降解動(dòng)力學(xué)出發(fā)，探討了 BOD 與 COD 的相關(guān)關(guān)系，得到了 BOD 5 與 COD 的 相關(guān)模型。應(yīng)用某城市污水的實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對模型進(jìn)行了檢驗(yàn)，表明該模型具有適用性。提出并討論了當(dāng) 量耗氧系數(shù)和城市污水最大 BOD 5 /COD 之值。1 前言化學(xué)需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)是用來表明廢水特性，評價(jià)廢水處理構(gòu)筑物效率的重要指標(biāo)。COD是在酸性條件下用強(qiáng)氧化劑，將水中有機(jī)物氧化為簡單穩(wěn)定的無機(jī)物所消耗的氧量，其測定歷時(shí)短，不受毒物限制，測定設(shè)備簡 單易于普及。 BOD 表示水中有機(jī)物在有氧條件

2、下，被微生物分解代謝所消耗掉的溶氧量，它間接地表示了水中可生化有機(jī)物的量。 盡管 BOD 作為評價(jià)有機(jī)污染和生物處理構(gòu)筑物性能的綜合指標(biāo)已被廣泛采用， 但是它測定所需歷時(shí)長 (一 般用 5日計(jì)為 BOD 5 )，不能及時(shí)迅速地反映生物處理構(gòu)筑物的運(yùn)行情況，測定條件又要求嚴(yán)格，且易受到水中毒物、 營養(yǎng)條件以及菌種的干擾，因此不易操作分析。近年來，諸多環(huán)境學(xué)工作者在快速測定BOD 方面做了許多工作。如以30'C BOD代替BOD 5 1，用固定化微生物傳感器測定 BOD 2等；另一方面試圖尋求廢水中 BOD 5與COD之 間的相互關(guān)系35，以期能根據(jù)測得的 COD值和其相關(guān)方程預(yù)報(bào)出 BO

3、D 5的值。本文擬從 BOD與COD構(gòu)成 和降解動(dòng)力學(xué)出發(fā)，對 BOD與COD的關(guān)系進(jìn)行分析，以求得城市污水BOD 5與COD的關(guān)系模型。2 BOD、COD 特點(diǎn)的分析2.1 COD 組成分析在大多數(shù)情況下，污水中許多能被重鉻酸鉀氧化的有機(jī)化合物，不一定能被生物化學(xué)作用氧化，某些無機(jī)離子如硫化 物、硫代硫酸鹽、亞硫酸鹽、亞鐵離子等可被重鉻酸鉀氧化，卻不能被BOD 實(shí)驗(yàn)測定出含量來。因化 COD 值主要包括兩部分；即不能被微生物降解的物質(zhì) (COD NB ) 和能被微生物降解的有機(jī)物質(zhì) (COD B )，表示成關(guān)系式為 : COD=COD B 十 COD NB (1)2.2 CON NB 與 C

4、OD 分析以往對 BOD 5 和 COD 相關(guān)性的研討中，大多是假設(shè) COD 中的 COD NB 為常數(shù)。這一假設(shè)顯然不符合實(shí)際，從普遍 意義上講 COD NB 不可能是常數(shù)，而是一個(gè)時(shí)間序列的隨機(jī)變量。對于同一種廢水、在同一斷面取樣，取樣的時(shí)刻、 取樣時(shí)的外部條件、測定中的誤差以及測試反應(yīng)進(jìn)行的程度等會(huì)使COD 值具有隨機(jī)性，從而使 COD NB 也具有隨機(jī)特性，但并不意味著兩個(gè)值完全不具有確定性。如前述， COD NB 無非是由兩類物質(zhì)造成，即不可被生物降解的有機(jī) 物和不能被生物所利用的還原性無機(jī)鹽。就工業(yè)污水而言，如果生產(chǎn)工藝流程固定，生產(chǎn)的產(chǎn)品、原料和生產(chǎn)條件相 同，那么污水中 COD

5、 的相對組成應(yīng)該是穩(wěn)定的，即 COD NB /COD 的比值應(yīng)保持不變。對于某一地區(qū)的生活污水而 言，由于生活習(xí)慣、生活條件、食物結(jié)構(gòu)變化不大或基本相同，那么排出的生活污水中的各種有機(jī)和無機(jī)物的相對組 成應(yīng)該是穩(wěn)定的，即是 COD NB /COD 的比值也應(yīng)保持為常數(shù)。按照這一原則，假定 :COD NB =KCOD (2)2.3 BOD 與 COD 的分析BOD 與 COD 的關(guān)系，可根據(jù)微生物對有機(jī)物降解生物化學(xué)過程加以分析，如圖1。作為微生物營養(yǎng)基質(zhì)、可被微生物降解的有機(jī)物(COD)，一部分通過微生物的呼吸代謝 (異化作用)被氧化分解為無機(jī)物；另一部分通過合成代謝(同化作用)成為細(xì)胞物質(zhì)，

6、即表現(xiàn)為合成細(xì)菌體 Ma，而Ma部分通過內(nèi)源呼吸而無機(jī)化，另一部分則表現(xiàn)為菌體的增殖。因此實(shí)際上 BOD UCOD B ，而應(yīng)vCOD B，且應(yīng)有如下關(guān)系：1舎.Z 內(nèi)» . “ 靈產(chǎn).十"圖1有機(jī)物降解模式BOD U =A COD B +BC COD B=(A+BC) COD B式中BOD U 總生化需氧量COD B 可被微生物降解的化學(xué)需氧量A呼吸代謝氧化有機(jī)物的比例系數(shù)B合成代謝氧化有機(jī)物的比例系數(shù)C內(nèi)源呼吸氧化細(xì)胞物質(zhì)的比例系數(shù)3 COD與BOD 5的相關(guān)關(guān)系3.1相關(guān)方程有實(shí)驗(yàn)研究表明，城市污水基質(zhì)的降解過程可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模式來描述，亦即有dc/dt=-K C C

7、 (4)dl/dt=-K L L (5)式中 C COD B 的濃度LBOD的濃度t時(shí)間在只要滿足有氧條件、有機(jī)物質(zhì)參與生化反應(yīng)這一概念下，反應(yīng)器內(nèi)剩余 系式：BOD和剩余COD量的降解，應(yīng)存在如下關(guān)厶(1 一 £-切)總 W式中a機(jī)物在生物降解時(shí)伴隨的耗氧當(dāng)量系數(shù)由式(6)得：lima =lim8|-*CQloG(7)式中L o、C o 生化反應(yīng)開始時(shí) COD B與BOD的濃度 因此有，在反應(yīng)進(jìn)行得很徹底時(shí) ：BODud = COD；又因BOD產(chǎn)BODu(l廣叫)(8)(9)由式(1)和(2)得：CODB=(1-K)COD (10) 將式(9)、(10)代入式(8)得:(11)_B

8、ODSa= (1-K) * GODBOD5 =a(l -K)(1 -e-SJCO COD令 Kf則得*'ODS=K/COD(12)»1 COD 與 BODs序號(hào)CODBODs序號(hào)CODBODs1627.63607370.$1602555-5340504.02903238.11259383.02104437,828010372.42005300.018011324. 01626457.0280COD (mf/L)圖2 COD與BOD匚的回歸關(guān)系5表i為重慶市某污水干管總排放口處的實(shí)測資料。采用最小二乘法對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得回歸直線方程為：BOD 5 =0.57COD (1

9、3)回歸直線如圖2所示。3.2直線回歸方程的檢驗(yàn)在求得回歸直線方程后，其規(guī)律性強(qiáng)不強(qiáng)以及能否利用它來根據(jù)COD的測定值預(yù)報(bào)BOD 5值?是這類回歸經(jīng)驗(yàn)方程實(shí)用性好壞的關(guān)鍵。因此，必須通過對回歸直線方程進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，即檢驗(yàn)線性回歸模型是否成立，而最終歸結(jié)為回歸系數(shù)的檢驗(yàn)。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)知，檢驗(yàn)線性回歸的方法是：給定顯著水平 a計(jì)算得：ajT= (14)的數(shù)值，若|T| >t a/22n則認(rèn)為線性回歸顯著。式中T統(tǒng)計(jì)變量回歸系數(shù)的無偏估計(jì)值Xi自變量實(shí)測值:< 自變量算術(shù)平均值5 * 差的無偏估計(jì)值t a /2 -2)自由度為(n-2)的t分布n子樣容量«2誠市污水BODS &

10、#171;測值與預(yù)擢值比較序號(hào)實(shí)渚值(tng/L)(mg/L)絕對誤差 (mg/L)相對課蔓(%)I360357- 732. 270.62340316. 6423- 36& 93125135* 72-10. 728. 64280249. 5530. 4510.9518017L0945,06280260. 4919. 51化0718021L413L 4117,5829028?. 282. 720,99210218.31-8* 314010200212. 27-12- 276*】11162184. 68-22. 68T4.0平均0.17-3-7此處，取a=1% 經(jīng)計(jì)算T=4.9431，查表

11、t a/2 (9)=3.2498因?yàn)門>t a/2 (9)所以線性回歸顯著。BOD 5與COD兩者線性相關(guān)性很好。研究廢水BOD與COD的相關(guān)性并建立回歸方程的目的之一，是利用易測的COD指標(biāo)來預(yù)報(bào)廢水的 BOD 5。如表2所示城市污水BOD 5的實(shí)測值與預(yù)報(bào)值的比較中可以看出，預(yù)報(bào)的最大絕對誤差為-31.41mg/L，最大相對誤差為-17.5% ;平均絕對誤差為0.17mg/L，平均相對誤差為-3.7%。因此可以認(rèn)為預(yù)報(bào)的精度較高。4討論4.1耗氧當(dāng)量系數(shù)a的意義由式(3)和式有：乙(1 一廣心)=G (匚巧1kl*= (A+BC) ；_；壬(15)式(15)說明，耗氧當(dāng)量系數(shù) a是呼

12、吸代謝、合成代謝和內(nèi)源呼吸代謝的綜合指標(biāo)，是隨生化反應(yīng)進(jìn)程歷時(shí)變化的一個(gè)過程變量，它與BOD和COD B的反應(yīng)速度常數(shù)有關(guān)，表達(dá)了 BOD與COD之間的關(guān)系，具有普遍意義，不同于以 往研究中關(guān)于BOD與COD的簡單常數(shù)比例關(guān)系。而系數(shù) A、B、C是一種描述物質(zhì)比例關(guān)系的狀態(tài)量，因此a把過程量和狀態(tài)量聯(lián)系了起來。 僅當(dāng)BOD和COD B的反應(yīng)速度常數(shù)相等(K L =K C )時(shí)或者反應(yīng)歷時(shí)足夠長時(shí)， 它才在數(shù) 值上等于呼吸代謝氧化比例系數(shù)加上合成代謝氧化比例系數(shù)與內(nèi)源呼吸比例系數(shù)乘積的和，并且對于同一種污水才可 能是常數(shù)。也就是說不同污水具有不同的BOD與COD比例關(guān)系，是由于所含有機(jī)物的性質(zhì)和

13、數(shù)量不同，以及反應(yīng)器內(nèi)微生物生長狀況、生化反應(yīng)過程和微生物生態(tài)系統(tǒng)的不同而產(chǎn)生的。4.2關(guān)于最大BOD 5 /COD的值由前面分析知：BQ臥 6 CXI-*%)COD；= (A+B *C) (1-e) (16)COD>CODbBOD, BOPsCODCOD；= C(l一嚴(yán)巧(17)由此可見，BOD 5 /COD的值直接與BOD的降解速率常數(shù)(K L )有關(guān)，也與A、B、C代謝常數(shù)有關(guān)。這些系數(shù)可以 通過平行的間歇式生化培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)來確定，在20C下連續(xù)培養(yǎng)20d以上，逐日測定其同一份培養(yǎng)液的COD和BOD并分析培養(yǎng)液的組份，回歸有機(jī)物降解過程線確定 K L和比例系數(shù)A、B、C值。對于城市污水，一般認(rèn)為A=1/3、B=2/3、C=0.8 7，在20 C時(shí)K L =0.23 _則BOD 5 /COD的最大值為0.593,本試驗(yàn)測得的 BOD 5 /COD最大值為