環(huán)境監(jiān)測(cè)中生化需氧量與化學(xué)需氧量的相關(guān)性研究

王亞潔

摘 要：本研究介紹了BOD5和COD的測(cè)定原理，根據(jù)四種不同水質(zhì)樣本的COD值和BOD5值建立線性回歸方程，并闡述了回歸方程的精密度和準(zhǔn)確度。結(jié)果表明，部分樣本COD與BOD5之間存在線性相關(guān)性，但是不同水質(zhì)的COD與BOD5相關(guān)性強(qiáng)弱也有較大差別。對(duì)于有機(jī)物含量較高且成分相對(duì)穩(wěn)定的水質(zhì)，樣本的COD與BOD5相關(guān)性較高，利用樣本的COD快速計(jì)算BOD5值具有實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)中通過(guò)樣本的COD值來(lái)計(jì)算BOD5值提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：BOD5;COD;環(huán)境監(jiān)測(cè);線性回歸

中圖分類號(hào)：X834 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）6-0125-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.029

Correlation Between BOD5 and COD in Environmental Detection

WANG ?Yajie

（Second Geological Exploration Institute of He'nan Provincial Bureau of Geological and Mineral Exploration and Development， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： This paper introduced the principles of BOD5 and COD， and build the linear regression equation on the basis on BOD5 and COD of four kinds of different water. The author also expounded the precision and accuracy of the regression equation. The results show that there is a linear correlation between COD and BOD5， but the correlation of different water is also greatly different. For the water with high organic content and relatively stable composition， COD and BOD5 have a higher correlation， it is of practical significance and economic value to use COD to quickly calculate BOD5 value， which provides a basis for calculating BOD5 value through COD value in environmental water quality monitoring.

Keywords： Biochemical Oxygen Demand;Chemical Oxygen Demand;environmental detection;linear regression

0 引言

生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）是指在規(guī)定的條件下，微生物分解水中的某些可氧化的物質(zhì)，特別是分解有機(jī)物的生物化學(xué)過(guò)程消耗的溶解氧?；瘜W(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，CODCr）是指在一定條件下，經(jīng)重鉻酸鉀氧化處理時(shí)，水樣中的溶解性物質(zhì)和懸浮物所消耗的重鉻酸鹽相對(duì)應(yīng)的氧的質(zhì)量濃度。

生化需氧量（BOD）和化學(xué)需氧量（COD）是水環(huán)境監(jiān)測(cè)中表征水體中有機(jī)物含量的重要指標(biāo)。兩者之間在理論上存在著定性的大小關(guān)系，即化學(xué)需氧量大于生化需氧量，有研究認(rèn)為化學(xué)需氧量的測(cè)定值可以推測(cè)生化需氧量測(cè)定值的范圍[1]。

目前，我國(guó)現(xiàn)行的五日生化需氧量（BOD5）最經(jīng)典的測(cè)定方法是稀釋接種法，由于BOD5的生化過(guò)程十分復(fù)雜，測(cè)定過(guò)程中受諸多因素影響，測(cè)定重現(xiàn)性差，且測(cè)定周期較長(zhǎng)[2]。為了確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，及時(shí)獲得科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)COD的實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)BOD5，為BOD5的測(cè)定提供了一種更加便捷的方法。

本研究根據(jù)四種不同水質(zhì)樣本的COD和BOD5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立線性回歸方程，探討回歸方程的精密度和準(zhǔn)確度，并通過(guò)該回歸方程對(duì)BOD5值進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究表明，COD與BOD5之間存在線性相關(guān)性，但不同水質(zhì)的相關(guān)性強(qiáng)弱也有較大差別，有機(jī)物含量較高且成分相對(duì)穩(wěn)定水質(zhì)的COD與BOD5相關(guān)性較高，由COD實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)的BOD5值較可信;而成分復(fù)雜、出水水質(zhì)不穩(wěn)定的工業(yè)廢水COD與BOD5的線性關(guān)系不顯著。

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)備

生化培養(yǎng)箱（上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司，SPX-150BSH-Ⅱ）;多參數(shù)分析儀（上海儀電科技儀器股份有限公司，DZS-706）;電子天平（瑞士梅特勒公AL104）;手提式壓力蒸汽滅菌鍋（上海申安醫(yī)療器械廠，DSX-208B）;300 mL碘量瓶。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法

生化需氧量采用稀釋與接種法（HJ 505—2009），化學(xué)需氧量采用重鉻酸鹽法（HJ 828—2017）。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 相關(guān)性分析方法。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入Excel 2010工作表中，建立COD值與BOD5值的標(biāo)準(zhǔn)曲線，用線性函數(shù)y=a+bx的形式對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸，其相關(guān)性由相關(guān)系數(shù)r值來(lái)表示[3]，r值計(jì)算公式如式（1）。設(shè)COD值為x，BOD5值為y。

[r=S（xx）S（xy）S（yy）] ? ? ? ? ?（1）

式中：[Sxx=i=1n（xi?x）2];

[Sxy=i=1n（xi?x）（yi?y）];

[Syy=i=1n（yi?y）2]。

1.3.2 回歸直線精密度分析方法。通過(guò)COD值和BOD5值建立的回歸方程可以估算BOD5的值，但是不能準(zhǔn)確知道BOD5的值。測(cè)量值與估計(jì)值的差別反映了回歸直線的精密度。

在一元線性回歸中，可以用剩余標(biāo)準(zhǔn)差SE描述回歸直線的精密度，進(jìn)而對(duì)BOD5值作近似的區(qū)間估計(jì)。剩余標(biāo)準(zhǔn)差SE的計(jì)算如式（2）。

[SE=（1?r2）S（yy）n?2] ? ? （2）

對(duì)于測(cè)量范圍內(nèi)的每個(gè)x值，由95.4%的y值落在兩條平行直線y=a+bx-2SE與y=a+bx+2SE之間。

2 結(jié)果與討論

2.1 生化需氧量和化學(xué)需氧量的監(jiān)測(cè)結(jié)果

將表2中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入Excel 2010工作表中，建立COD值與BOD5值的標(biāo)準(zhǔn)曲線（見(jiàn)圖1），經(jīng)計(jì)算，各水質(zhì)類型的回歸方程和相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 生化需氧量和化學(xué)需氧量的相關(guān)性分析

由圖1可知，COD與BOD5有一定的線性關(guān)系。由化學(xué)需氧量和生化需氧量的定義可知，通常COD>BOD5，由此存在COD=CODB+CODNB的關(guān)系，其中CODB為可生化降解的有機(jī)物含量，CODNB為不可生化降解的有機(jī)物含量。由水中有機(jī)物生化降解過(guò)程[4]可推出COD=k×BOD5+CODNB，可見(jiàn)COD與BOD5有線性關(guān)系。

由表1可知，不同水質(zhì)樣本COD與BOD5的回歸方程不同，COD與BOD5的相關(guān)性強(qiáng)弱也不同。按照標(biāo)準(zhǔn)常用統(tǒng)計(jì)技術(shù)方向進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，查“相關(guān)系數(shù)的臨界值ra表”，當(dāng)n=22，f=n-2=20，a=0.10時(shí)，ra=0.359 8;a=0.01時(shí)，ra=0.536 8;a=0.001時(shí)，ra=0.652 4。其中，a表示顯著性水平，f表示自由度，n為測(cè)量次數(shù)，（1-a）為置信水平。當(dāng)r≥ra時(shí)，回歸直線才有意義，才可用回歸方程描述這兩個(gè)變量間的關(guān)系。

由此可見(jiàn)，地表水、生活廢水、化工廢水的COD與BOD5有非常顯著的線性關(guān)系，其回歸方程的置信度在99.9%以上;而紡織廢水的線性關(guān)系較差，其回歸直線沒(méi)有意義，之間無(wú)線性關(guān)系。

2.3 回歸方程精密度和準(zhǔn)確度的檢驗(yàn)

2.3.1 精密度檢驗(yàn)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在一元線性回歸中，回歸方程y=a+bx的精密度可用剩余標(biāo)準(zhǔn)差SE來(lái)描述。根據(jù)公式計(jì)算得到不同水質(zhì)的剩余標(biāo)準(zhǔn)差SE及精密性平行直線區(qū)域。由圖2可以看出，不同水質(zhì)樣品大部分點(diǎn)都落在此區(qū)間內(nèi)。

2.3.2 準(zhǔn)確度檢驗(yàn)。從前面的回歸分析及精密度檢驗(yàn)可以看出，對(duì)于某些有機(jī)物質(zhì)含量較高的水樣，COD與BOD5有著顯著的相關(guān)關(guān)系。為了檢驗(yàn)回歸方程的準(zhǔn)確度，利用表2中的COD的實(shí)測(cè)值以及表1中各水質(zhì)COD與BOD5的線性回歸方程結(jié)果計(jì)算出BOD5值，并與實(shí)測(cè)的BOD5值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算其相對(duì)誤差來(lái)檢驗(yàn)回歸方程的準(zhǔn)確度，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，COD與BOD5相關(guān)性最高的生活廢水的BOD5預(yù)測(cè)值的相對(duì)偏差最小，均小于10%;地表水及化工廢水這兩種水樣的COD與BOD5的相關(guān)性較高，其BOD5預(yù)測(cè)值的相對(duì)偏差大部分為20%左右;而COD與BOD5相關(guān)性最低的紡織廢水的BOD5預(yù)測(cè)值的相對(duì)偏差較大?？梢?jiàn)，不同水質(zhì)水樣的COD與BOD5相關(guān)性越高，利用其線性回歸方程結(jié)果計(jì)算得到的BOD5預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)的BOD5值的相對(duì)偏差越小，即其線性回歸方程的準(zhǔn)確度越高。

3 結(jié)語(yǔ)

有機(jī)物含量高的生活廢水的COD與BOD5的相關(guān)系數(shù)大于0.9，其線性關(guān)系最顯著。本研究取樣點(diǎn)的地表水和成分相對(duì)穩(wěn)定，化工行業(yè)廢水的相關(guān)系數(shù)大于0.8，其線性關(guān)系較顯著，而成分復(fù)雜、出水水質(zhì)不穩(wěn)定的紡織行業(yè)廢水的相關(guān)系數(shù)僅有0.303 6，其線性關(guān)系不顯著。

對(duì)不同水質(zhì)水樣的回歸方程精密度和準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算可知，依據(jù)相關(guān)公式計(jì)算得出不同水質(zhì)水樣的COD與BOD5。不同水質(zhì)水樣的COD與BOD5相關(guān)性越高，其剩余標(biāo)準(zhǔn)差SE得到的精密性平行直線區(qū)域越窄，利用其線性回歸方程結(jié)果計(jì)算得到的BOD5預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)的BOD5值的相對(duì)偏差也越小，即其線性回歸方程的準(zhǔn)確度越高。

本研究發(fā)現(xiàn)，COD與BOD5之間存在線性相關(guān)性，在運(yùn)用接種稀釋法進(jìn)行五日生化需氧量測(cè)定時(shí)，可以通過(guò)COD的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)BOD5值進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而得到較為精確的待測(cè)樣品的稀釋倍數(shù)，提高五日生化需氧量的監(jiān)測(cè)效率。通過(guò)本研究監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，有機(jī)物含量較高且成分相對(duì)穩(wěn)定水質(zhì)的COD與BOD5相關(guān)性較高，由COD實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)的BOD5值較可信;而成分復(fù)雜、出水水質(zhì)不穩(wěn)定的工業(yè)廢水COD與BOD5的線性關(guān)系不顯著[5]。因此，對(duì)于有機(jī)物含量較高、成分相對(duì)穩(wěn)定的水質(zhì)，可以建立CODCr與BOD5的回歸方程，通過(guò)CODCr測(cè)定值來(lái)計(jì)算BOD5值，能快速、準(zhǔn)確、頻繁地監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化，具有較高的使用價(jià)值;對(duì)于大批量、成分復(fù)雜且未知的工業(yè)廢水，僅利用COD實(shí)測(cè)值難以確定BOD5預(yù)測(cè)值，在實(shí)際操作中還須進(jìn)一步研究，從而提高廢水五日生化需氧量測(cè)定的準(zhǔn)確性和高效性。

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