隨著全球人口水平的上升，包括制藥、煉油和制造在內(nèi)的各個(gè)行業(yè)也在不斷發(fā)展和擴(kuò)張。盡管存在差異，但每一個(gè)行業(yè)都應(yīng)對(duì)所產(chǎn)生的水污染負(fù)責(zé)，并確保水質(zhì)質(zhì)量。作為水質(zhì)檢測(cè)儀廠(chǎng)家，同奧科技帶你一起了解廢水監(jiān)測(cè)：從生化需氧量BOD/化學(xué)需氧量COD到總有機(jī)碳TOC分析的轉(zhuǎn)變。

無(wú)論是市政還是工業(yè)廢水，都對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成很大風(fēng)險(xiǎn)并危害環(huán)境；因此，所有廢水在排放前都必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)處理和密切監(jiān)測(cè)。隨著公眾對(duì)健康和環(huán)境保護(hù)的不斷推動(dòng)，廢水排放法規(guī)變得越來(lái)越嚴(yán)格。每個(gè)國(guó)家都有自己的廢水管理機(jī)構(gòu)和各種排放限制，因而開(kāi)發(fā)和使用了各種監(jiān)測(cè)方法?？焖贉?zhǔn)確識(shí)別污染物的方法對(duì)防止有害物排放到公共水源中至關(guān)重要。

世界衛(wèi)生組織（WHO）于1948年應(yīng)運(yùn)而生，旨在幫助和促進(jìn)全球健康。2017年，WHO開(kāi)展了一項(xiàng)涉及100個(gè)國(guó)家和275個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的廢水排放質(zhì)量要求的研究。該研究確定了廢水中五類(lèi)最常見(jiàn)的污染物，即化學(xué)品、營(yíng)養(yǎng)物、有機(jī)物、病原體和固體，其中有機(jī)物是最常監(jiān)測(cè)的類(lèi)別。有機(jī)化合物占廢水污染的很大一部分，并已監(jiān)測(cè)了100多年。世界上測(cè)量有機(jī)物含量最常用的分析技術(shù)是生化需氧量BOD。隨著技術(shù)進(jìn)步，法規(guī)允許使用其他方法，例如化學(xué)需氧量COD和總有機(jī)碳TOC來(lái)評(píng)估有機(jī)污染物。盡管BOD被普遍使用，但為了滿(mǎn)足合規(guī)性和過(guò)程控制的要求，從BOD/COD轉(zhuǎn)向TOC是一個(gè)新的趨勢(shì)。

有機(jī)污染參數(shù)

有機(jī)污染物是一類(lèi)污染物，由于其重要性，需要在廢水中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而，因?yàn)橛卸喾N有機(jī)化合物，單獨(dú)測(cè)量它們中的每一種不切實(shí)際。因此，"總和參數(shù)"的概念用于將許多具有相似質(zhì)量的化合物歸為一類(lèi)：BOD、COD和TOC是最常用于有機(jī)污染物檢測(cè)的參數(shù)。有關(guān)化學(xué)需氧量COD和生化需氧量BOD的概念及提出詳情請(qǐng)前往《一文帶你了解COD與BOD之間的區(qū)別和聯(lián)系》一文查看。

生化需氧量BOD

20世紀(jì)初期，大量污水和有機(jī)物釋放至泰晤士河中，從英國(guó)排至大海大約需要五天時(shí)間。當(dāng)微生物分解所含的有機(jī)物時(shí)，它們也會(huì)消耗水中的溶解氧含量，危害水生生物。因此，1908年發(fā)明了為期五天的生化需氧量BOD5測(cè)試，作為衡量水中有機(jī)污染物的一種方法。BOD5是用于確定廢水中有機(jī)污染物含量最常用的總和參數(shù)之一。該技術(shù)依賴(lài)于微生物通過(guò)消耗樣品中的氧氣來(lái)分解有機(jī)物。水樣中的大量有機(jī)物導(dǎo)致溶解氧消耗更大。

BOD5測(cè)試通過(guò)測(cè)量20°C下五天培養(yǎng)期所消耗的氧氣量，提供了有機(jī)污染物的間接指示，測(cè)定BOD的儀器叫做BOD測(cè)定儀。BOD測(cè)試的需氧量通常包括碳質(zhì)生化需氧量CBOD和含氮生化需氧量NBOD，這是由氨或其他含氮化合物的分解而產(chǎn)生的。氮需求會(huì)阻礙BOD5測(cè)試，因此通常使用替代的CBOD方法，這需要添加抑制性化合物。

由于該測(cè)試在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)中得到了長(zhǎng)久認(rèn)可，BOD5參數(shù)已納入幾乎所有全球廢水法規(guī)中。雖然得到廣泛使用，但生化需氧量仍存在許多問(wèn)題。BOD5的一個(gè)主要缺點(diǎn)是取樣和獲得結(jié)果之間需要五天時(shí)間。該測(cè)試的持續(xù)時(shí)間使BOD5無(wú)法成為用于過(guò)程控制的參數(shù)。當(dāng)污水處理廠(chǎng)意識(shí)到其已經(jīng)超過(guò)了污水排放限定值時(shí)，實(shí)際上其不合規(guī)的排放已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾天時(shí)間。BOD5測(cè)試的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是它依賴(lài)于微生物的生長(zhǎng)。因此，阻礙生物生長(zhǎng)的化合物（包括氯、重金屬、堿或酸）都會(huì)影響結(jié)果。BOD僅測(cè)量可自然降解的物質(zhì)，但有幾種微生物無(wú)法分解的有機(jī)化合物，因此BOD5無(wú)法測(cè)定水中所有有機(jī)污染物。由于取決于生物生長(zhǎng)，該測(cè)試不僅遇到精度和準(zhǔn)確度問(wèn)題，且靈敏度較差。

化學(xué)需氧量COD

化學(xué)需氧量COD是另一種間接方法，用于確定廢水中的有機(jī)污染物含量，測(cè)定COD的儀器叫做COD測(cè)定儀。在該測(cè)試中使用化學(xué)氧化分解水中的污染物，然后測(cè)量在該過(guò)程中消耗的氧氣。與BOD5測(cè)試類(lèi)似，氧氣消耗量的增加通常意味著樣品中存在更高含量的有機(jī)物。有許多不同的COD測(cè)試方法已獲批準(zhǔn)。

開(kāi)放式回流法要求樣品在重鉻酸鉀強(qiáng)酸中回流。由于與氧化劑短暫接觸，揮發(fā)物可能無(wú)法有效氧化。當(dāng)樣品中揮發(fā)物含量增加時(shí)，密閉滴定回流是一種令人滿(mǎn)意的方法，因?yàn)樗鼈兣c氧化劑長(zhǎng)時(shí)間接觸。任何可以吸收可見(jiàn)光的物質(zhì)（例如不溶性懸浮固體和帶色組分）都會(huì)影響結(jié)果。

與BOD5相比，COD測(cè)試有一些優(yōu)勢(shì)。其中一大優(yōu)勢(shì)是縮短了測(cè)試所需時(shí)間。BOD需要五天才能獲得結(jié)果，但COD通常只需幾個(gè)小時(shí)。另一個(gè)好處是該測(cè)試不需要微生物生長(zhǎng)進(jìn)行氧化，因此產(chǎn)生相對(duì)可靠和可重復(fù)的結(jié)果。與BOD只能測(cè)定可生物降解有機(jī)物的需氧量不同，COD氧化的更為徹底，幾乎可以氧化樣品中的所有有機(jī)物。因此，COD測(cè)試結(jié)果更高，也提供了對(duì)水中有機(jī)物含量更準(zhǔn)確的評(píng)估。

COD測(cè)試的主要缺點(diǎn)是需要使用有毒化學(xué)品，并會(huì)產(chǎn)生更多危廢，包括銀、六價(jià)鉻和汞：氯化物和其他鹵化物會(huì)在不添加銀或汞離子的情況下嚴(yán)重干擾測(cè)試。吡啶和類(lèi)似的芳香族化合物可能會(huì)排斥氧化并導(dǎo)致假的低測(cè)量結(jié)果。

總有機(jī)碳TOC

多年來(lái)的技術(shù)進(jìn)步，誕生了總有機(jī)碳TOC分析儀，它提供了一種測(cè)量水中有機(jī)物含量的直接方法。與BOD5或COD不同，BOD5或COD使用需氧量來(lái)確定有機(jī)物含量，而TOC分析儀直接測(cè)量并定量分析樣品中所含的碳。所有TOC分析儀都是將有機(jī)物氧化成CO2，然后可以使用電導(dǎo)法或非色散紅外檢測(cè)（NDIR）對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。樣品氧化的不同方法包括燃燒、紫外線(xiàn)過(guò)硫酸鹽和超臨界水氧化 （SCWO）。

與傳統(tǒng)的需氧量測(cè)試相比，TOC分析有許多優(yōu)勢(shì)。BOD5只能測(cè)量可生物降解的有機(jī)物的需氧量。TOC分析儀可快速氧化所有有機(jī)化合物，以測(cè)定樣品中存在的有機(jī)物。與COD測(cè)試不同，TOC分析可以識(shí)別有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳之間的差異，包括碳酸鹽、碳酸氫鹽和二氧化碳。

如果樣品中揮發(fā)性有機(jī)物含量降低，分析儀可以酸化并置換出無(wú)機(jī)碳以定量分析不可置換的有機(jī)碳（NPOC）。TOC分析儀還可以獨(dú)立評(píng)估總碳（TC）和總無(wú)機(jī)碳（TIC）以計(jì)算總有機(jī)碳。TOC分析儀的顯著優(yōu)勢(shì)是具有更高的靈敏度和多功能性，它可以測(cè)定低至0.03 ppb和高達(dá)50000 ppm的有機(jī)物濃度。與傳統(tǒng)的BOD和COD實(shí)驗(yàn)室方法相比，TOC可在短短幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果。TOC儀器通常有實(shí)驗(yàn)室和在線(xiàn)型號(hào)，這使得它們成為合規(guī)性和過(guò)程控制中必不可少的工具。標(biāo)準(zhǔn)方法5310指出，“總有機(jī)碳TOC是總有機(jī)物含量更方便和直接的表達(dá)方式……TOC的測(cè)量對(duì)于水處理和廢物處理廠(chǎng)的運(yùn)行至關(guān)重要”。

當(dāng)然，由于TOC排除了其他元素，如高含N、S或P等元素有機(jī)物在燃燒氧化過(guò)程中，同樣參與了氧化反應(yīng)，但TOC以C計(jì)結(jié)果中并不能反映出這部分有機(jī)物的含量。

廢水法規(guī)

中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部制定中國(guó)的環(huán)境政策和法規(guī)。中國(guó)綜合廢水排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 8978-1996）的出臺(tái)是為了管理水污染水平以保證健康和環(huán)境。2002年，環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了GB 18918-2002，這是專(zhuān)門(mén)為控制污水處理廠(chǎng)排放而制定的。中國(guó)的法規(guī)允許使用BOD和COD，GB 8978-1996確定了制藥和石化等行業(yè)的COD限值。該法規(guī)還確定了合成脂肪酸行業(yè)和脫膠行業(yè)的TOC限值。

開(kāi)發(fā)TOC與BOD5的相關(guān)性

雖然BOD5測(cè)試范圍廣且不具專(zhuān)屬性，但當(dāng)涉及到取代這樣一個(gè)成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，大多數(shù)監(jiān)管機(jī)構(gòu)都會(huì)感到擔(dān)憂(yōu)。但，包括美國(guó)和印度在內(nèi)的一些國(guó)家/地區(qū)了解其他測(cè)試參數(shù)的價(jià)值，并允許將BOD應(yīng)用于與TOC的相關(guān)性。正如標(biāo)準(zhǔn)方法5310A所述，“如果在特定源水的BOD、AOC或COD之間建立了可重復(fù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，則TOC可用于估算伴隨的BOD、AOC或COD。必須為每組矩陣條件獨(dú)立建立這種關(guān)系”。

制定BOD與TOC的相關(guān)性通常需要與當(dāng)?shù)毓芾頇C(jī)構(gòu)合作設(shè)計(jì)一項(xiàng)長(zhǎng)期研究。由于BOD5結(jié)果往往是含糊不清的，需要幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生適合于制定這種相關(guān)性和隨后的回歸曲線(xiàn)方程的信息。許可或管理機(jī)構(gòu)必須簽署相關(guān)性。美國(guó)的許多工廠(chǎng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了具體工廠(chǎng)的相關(guān)性，現(xiàn)在利用TOC來(lái)監(jiān)測(cè)其廢水排放。

Inland Empire Utilities Agency是一家位于圣貝納迪諾縣（San Bernardino County）的廢水處理設(shè)施，它使用TOC來(lái)監(jiān)測(cè)其水質(zhì)。頒發(fā)給其的NPDES證書(shū)和廢物排放許可證規(guī)定：“排放者已證明廢水中的生物需氧量（BOD5）和總有機(jī)碳（TOC）濃度之間的相關(guān)性，令執(zhí)行官滿(mǎn)意?！边@使得Inland Empire Utilities Agency能夠根據(jù)TOC分析確定BOD5合規(guī)性。對(duì)于進(jìn)水監(jiān)測(cè)和三級(jí)出水監(jiān)測(cè)，許可證需要每周進(jìn)行一次BOD和TOC的綜合分析結(jié)果，說(shuō)明“BOD5是根據(jù)區(qū)域水務(wù)局批準(zhǔn)的BOD/TOC相關(guān)性計(jì)算的”。

加利福尼亞州的圣克魯斯市（Santa Cruz County）也為其污水處理廠(chǎng)建立了一項(xiàng)長(zhǎng)期的TOC相關(guān)性研究。NPDES水排放要求文件強(qiáng)調(diào)了工廠(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)污染物的排放限制，聲明“排放者已證明該設(shè)施的TOC和BOD之間具有充分可靠的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性”，并批準(zhǔn)利用TOC相關(guān)性來(lái)滿(mǎn)足BOD5排放限制。經(jīng)批準(zhǔn)的圣克魯斯市具體現(xiàn)場(chǎng)的TOC相關(guān)性是：TOC=0.4141(BOD)+4.3937。表5顯示了基于相關(guān)性的批準(zhǔn)TOC限值。

圣克魯斯市發(fā)布的題為“更快更智能”的文章稱(chēng)，“這項(xiàng)研究證明了通過(guò)公有處理廠(chǎng)為污水開(kāi)發(fā)具體現(xiàn)場(chǎng)TOC值的可行性?！坝捎赥OC可帶來(lái)更短的停工檢修時(shí)間，此項(xiàng)開(kāi)發(fā)還通過(guò)在工廠(chǎng)過(guò)程控制中用TOC分析代替BOD，提高了操作效率?！彪S著技術(shù)進(jìn)步，世界各地的管理機(jī)構(gòu)將繼續(xù)在法規(guī)中引入更準(zhǔn)確和精確的參數(shù)。