城市污水處理中UV254與COD的相關(guān)關(guān)系分析

趙春玲，田 曦，曲 紅，郭尚黎，王雪峰，邊德軍

(1.長春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，長春130012； 2.吉林省城市污水處理重點實驗室，長春130012)

0 引言

UV254一般指在波長為254 nm處的單位比色皿光程下的紫外吸光度，它所反映的是含有雙鍵或苯環(huán)的不飽和烴類有機物的綜合含量。該指標在20世紀70年代由國外的研究者提出作為水中有機污染物的評價指標，是衡量水中有機物指標的一項重要控制參數(shù)[1-3]。經(jīng)過30多年的不斷研究，UV254已被國內(nèi)外的水處理研究者以及管理人員普遍接受和應(yīng)用，日本早已于1978年將UV254列為水質(zhì)監(jiān)測的正式指標，歐洲已將其作為水處理廠去除有機物效果的日常監(jiān)測指標[4-7]。

目前，國內(nèi)對于有機物的測定方法尚有不足。在水處理工藝的日常監(jiān)測中，COD是一項重要的監(jiān)測指標，它主要表征水中可化學(xué)氧化的有機物含量。國家標準規(guī)定COD的檢測方法為重鉻酸鉀法，但這種傳統(tǒng)的方法耗時長、藥品消耗量大，而且實驗設(shè)備和材料等費用較高。因此，對于水處理領(lǐng)域，通過研究UV254和COD的相關(guān)性，尋找可以快速地準確測定水中COD的方法具有重要意義[8-11]。國內(nèi)外許多研究資料表明，對特定性質(zhì)的污水，若UV254與COD具有良好的相關(guān)性，則UV254可以間接反映水中有機物污染的程度[12-13]。本文詳述了UV254的概念及其對于有機物測定的實際意義，并說明了用UV254作為COD的替代參數(shù)，具有操作簡便、檢測效率高、實驗成本低、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好等優(yōu)點，其檢測方法將可以在水處理試驗研究以及水處理廠工程實際運行中進行大規(guī)模推廣。

1 材料與方法

1.1 試驗用水及種泥

試驗用城市污水取自長春市某污水處理廠的初沉池出水，試驗期間為保證進水水質(zhì)穩(wěn)定，加入淀粉、乙酸鈉等藥品使進水COD為450 mg·L-1左右。試驗接種污泥為長春市某城市污水處理廠的生化池末端，經(jīng)培養(yǎng)與馴化后，5個污泥系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)，其SRT分別為10、30、50、100、240 d。

1.2 試驗裝置與運行模式

采用的試驗裝置為有機玻璃制成的5個SBR反應(yīng)器，單個反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸為140 mm×140 mm×700 mm，有效容積為12 L，曝氣裝置采用直徑120 mm的半球形曝氣砂頭，以玻璃轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)曝氣量，5個反應(yīng)器后側(cè)加裝水浴裝置使其溫度恒定在25 ℃左右。SBR工藝運行周期為12 h，采用限制性曝氣，瞬時進水，厭氧30 min，曝氣8 h，沉淀3 h，閑置30 min，排水比為40%，曝氣量為0.3 L·min-1。

1.3 分析檢測方法

1.3.1 UV254的測定方法

1)水樣的稀釋：水樣應(yīng)以比色皿光程為基礎(chǔ)，一般保證吸光度在0.005～0.900之間，若超出該范圍，則應(yīng)用不含有機物的清潔水(即指溶解性有機碳(DOC)含量低于0.3 mg·L-1的雙蒸餾水、純水或超純水)對水樣進行稀釋，使稀釋后水樣的吸光度在此范圍之內(nèi)。

2)水樣的制備：清洗濾膜和過濾裝置時應(yīng)保證至少50 mL不含有機物的清潔水通過濾膜，然后，將所取水樣用0.45 μm的濾膜過濾，以去除水中懸浮物和非溶解性有機物。此外，應(yīng)制備不含有機物的清潔洗水作為空白樣與水樣共同進行對照分析[14]。

3)使用分光光度計測定：設(shè)置波長為254 nm，并在測定空白樣時調(diào)零，在室溫下開始測定，應(yīng)至少測定兩組過濾的水樣。

UV254的計算公式如下：

UV254=[A/b]×D

式中：UV254為UV值，cm-1；b為比色皿光程，cm；A為實測的吸光度；D為稀釋因子。

1.3.2 COD的測定方法

試驗水質(zhì)指標COD的檢測方法采用國家標準方法[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市污水處理系統(tǒng)COD與UV254的相關(guān)性

2.1.1 原水COD與UV254相關(guān)性

圖1所示為城市污水處理工藝中原水COD與UV254的線性關(guān)系。由圖1可以看出，原水中COD和UV254的相關(guān)性較差，擬合方程為COD=1 410.21 UV254+257.129，相關(guān)系數(shù)僅為0.771 57。UV254是一種具有專屬性的指示指標，反映的僅僅是水中具有紫外吸收的有機物，主要是含有芳香烴、雙鍵或者羧基的共軛體系的有機物，它們在紫外光區(qū)(210～420 nm)都有強烈的吸收光譜。因此，COD和UV254的線性關(guān)系與這些物質(zhì)在COD中所占的比例有一定關(guān)系。本試驗原水主要以城市污水為主，試驗運行期間原水中COD一般在400～500 mg·L-1，城市污水水質(zhì)較為復(fù)雜，其中存在部分有機物，如糖類、飽和低級脂肪酸、醇類等，在紫外光區(qū)沒有明顯的吸收光譜，其次是有機物在紫外光區(qū)都具有不同程度的吸收強度，而測得的特定波長下的吸光度僅僅是某些有機物的綜合反應(yīng)，導(dǎo)致試驗原水檢測COD和UV254的相關(guān)性較差[16]。另外，在測定原水中COD和UV254時均需進行稀釋，因此，檢測過程中不可避免地會造成誤差，同樣會對COD和UV254的相關(guān)性帶來一定的影響。由此可見，不適宜僅采用UV254通過線性擬合關(guān)系式來預(yù)測原水COD。

圖1 原水COD與UV254的相關(guān)性

2.1.2 SBR典型周期內(nèi)COD和UV254的變化情況

對SBR處理城市污水過程中典型周期內(nèi)COD和UV254進行檢測，取樣位置均在反應(yīng)器中心位置，取樣時間分別為0、0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5 h，圖2所示為SBR處理城市污水典型周期內(nèi)COD和UV254隨時間的去除情況。

由圖2可以看出，COD和UV254隨時間的變化趨勢極其相似。從整體趨勢看來，在1.5 h前，COD和UV254均有較快的去除速率，變化曲線斜率較大，由于原水中有機物進入反應(yīng)器即刻被稀釋，而后在0.5 h內(nèi)于厭氧條件下發(fā)生反應(yīng)，第0.5 h開始曝氣提供好氧環(huán)境，至1.5 h期間快速反應(yīng)，從而有機物得到有效的降解。反應(yīng)后期1.5～8.5 h，系統(tǒng)內(nèi)有機物減少，反應(yīng)趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)內(nèi)COD主要由可以產(chǎn)生紫外吸收的有機物組成，COD和UV254的變化曲線同時趨于平緩?？梢奤V254能夠快速準確地反映COD的去除效果。

圖2 SRT=30 d反應(yīng)器典型周期內(nèi)COD與UV254的去除效果

圖3為SBR處理城市污水典型周期內(nèi)COD和UV254的相關(guān)關(guān)系。由圖3可以看出，COD和UV254經(jīng)線性回歸，獲得擬合方程為COD=2 193.00 UV254-107.155，相關(guān)系數(shù)達到0.964 68，表明具有良好的相關(guān)性。在整個SBR處理城市污水過程中，COD和UV254的變化趨勢保持高度的相似性，具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系，可見在此過程中UV254可以作為預(yù)測COD處理效果的指示指標。

圖3 SRT=30 d反應(yīng)器典型周期內(nèi)COD與UV254的相關(guān)性

2.1.3 SBR反應(yīng)器出水COD與UV254相關(guān)性

圖4所示為SBR處理城市污水出水的COD和UV254的相關(guān)關(guān)系。原水經(jīng)過生化處理后，可以達到同時脫氮除磷和去除COD的目的，平均出水為12.43 mg·L-1，去除了大部分不產(chǎn)生紫外吸收的有機物，COD和UV254的相關(guān)性得到提高。由圖4可以看出，反應(yīng)器出水中COD和UV254的擬合方程為COD=202.37 UV254+2.678，相關(guān)系數(shù)為0.958 26，相關(guān)性較原水有顯著提高，由于出水中有機物成分較固定，因此可以采用UV254通過線性擬合關(guān)系式預(yù)測出水COD。

圖4 SRT=30 d反應(yīng)器出水COD與UV254的相關(guān)性

2.2 不同SRT條件下SBR出水COD與UV254的相關(guān)性

基于前述實驗結(jié)果，對SRT=10、30、50、100、240 d的運行條件下SBR處理城市污水出水的COD和UV254進行了檢測，結(jié)果見表1所示，其線性擬合結(jié)果如圖5所示。

表1 不同SRT條件下5個反應(yīng)器

圖5 不同SRT條件下反應(yīng)器出水COD與UV254的相關(guān)性

由圖5看出，不同SRT條件下SBR處理城市污水出水中的COD和UV254具有顯著的相關(guān)性，經(jīng)線性擬合得到擬合方程為COD=809.86 UV254-42.949，相關(guān)系數(shù)達到0.967 9。相對城市污水而言，SBR處理系統(tǒng)的出水中所含的具有紫外吸收的有機物相對比較固定，因此這類物質(zhì)與COD的比例具有較好的線性關(guān)系，即COD和UV254具有良好的線性相關(guān)性。由此可見，紫外吸光度具有其測定的專屬性，擬合的相關(guān)方程只適用于特定水體，對于出水水質(zhì)UV254可以作為COD去除效果的指示指標。

3 結(jié)語

1)SBR處理城市污水系統(tǒng)的原水中COD和UV254的相關(guān)系數(shù)為0.771 57，相關(guān)性較差，城市污水中有機物成分較為復(fù)雜，其中含有不定量的無法產(chǎn)生紫外吸收的小分子有機物，同時檢測稀釋過程同樣會造成誤差，因此，不適宜僅采用UV254通過線性擬合關(guān)系式來預(yù)測原水COD。

2)對SBR處理城市污水過程中典型周期內(nèi)COD和UV254進行檢測，在整個周期內(nèi)，COD和UV254的變化趨勢保持高度的相似性，COD和UV254經(jīng)線性擬合后相關(guān)系數(shù)達到0.964 68，具有良好的相關(guān)關(guān)系，可見在此過程中可以采用UV254來預(yù)測COD的處理效果以及變化趨勢。

3)SBR反應(yīng)器出水中COD和UV254的相關(guān)性較原水有顯著提高，相關(guān)系數(shù)為0.958 26；SRT=10、30、50、100、240 d的運行條件下SBR處理城市污水出水中的COD和UV254具有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到0.967 9。出水中有機物成分較固定，因此UV254可以作為預(yù)測COD去除效果的指示指標。