城市污水处理中UV254与COD的相关关系分析

赵春玲，田 曦，曲 红，郭尚黎，王雪峰，边德军

(1.长春工程学院水利与环境工程学院，长春130012； 2.吉林省城市污水处理重点实验室，长春130012)

0 引言

UV254一般指在波长为254 nm处的单位比色皿光程下的紫外吸光度，它所反映的是含有双键或苯环的不饱和烃类有机物的综合含量。该指标在20世纪70年代由国外的研究者提出作为水中有机污染物的评价指标，是衡量水中有机物指标的一项重要控制参数[1-3]。经过30多年的不断研究，UV254已被国内外的水处理研究者以及管理人员普遍接受和应用，日本早已于1978年将UV254列为水质监测的正式指标，欧洲已将其作为水处理厂去除有机物效果的日常监测指标[4-7]。

目前，国内对于有机物的测定方法尚有不足。在水处理工艺的日常监测中，COD是一项重要的监测指标，它主要表征水中可化学氧化的有机物含量。国家标准规定COD的检测方法为重铬酸钾法，但这种传统的方法耗时长、药品消耗量大，而且实验设备和材料等费用较高。因此，对于水处理领域，通过研究UV254和COD的相关性，寻找可以快速地准确测定水中COD的方法具有重要意义[8-11]。国内外许多研究资料表明，对特定性质的污水，若UV254与COD具有良好的相关性，则UV254可以间接反映水中有机物污染的程度[12-13]。本文详述了UV254的概念及其对于有机物测定的实际意义，并说明了用UV254作为COD的替代参数，具有操作简便、检测效率高、实验成本低、数据重现性好等优点，其检测方法将可以在水处理试验研究以及水处理厂工程实际运行中进行大规模推广。

1 材料与方法

1.1 试验用水及种泥

试验用城市污水取自长春市某污水处理厂的初沉池出水，试验期间为保证进水水质稳定，加入淀粉、乙酸钠等药品使进水COD为450 mg·L-1左右。试验接种污泥为长春市某城市污水处理厂的生化池末端，经培养与驯化后，5个污泥系统进入稳定状态，其SRT分别为10、30、50、100、240 d。

1.2 试验装置与运行模式

采用的试验装置为有机玻璃制成的5个SBR反应器，单个反应器结构尺寸为140 mm×140 mm×700 mm，有效容积为12 L，曝气装置采用直径120 mm的半球形曝气砂头，以玻璃转子流量计调节曝气量，5个反应器后侧加装水浴装置使其温度恒定在25 ℃左右。SBR工艺运行周期为12 h，采用限制性曝气，瞬时进水，厌氧30 min，曝气8 h，沉淀3 h，闲置30 min，排水比为40%，曝气量为0.3 L·min-1。

1.3 分析检测方法

1.3.1 UV254的测定方法

1)水样的稀释：水样应以比色皿光程为基础，一般保证吸光度在0.005～0.900之间，若超出该范围，则应用不含有机物的清洁水(即指溶解性有机碳(DOC)含量低于0.3 mg·L-1的双蒸馏水、纯水或超纯水)对水样进行稀释，使稀释后水样的吸光度在此范围之内。

2)水样的制备：清洗滤膜和过滤装置时应保证至少50 mL不含有机物的清洁水通过滤膜，然后，将所取水样用0.45 μm的滤膜过滤，以去除水中悬浮物和非溶解性有机物。此外，应制备不含有机物的清洁洗水作为空白样与水样共同进行对照分析[14]。

3)使用分光光度计测定：设置波长为254 nm，并在测定空白样时调零，在室温下开始测定，应至少测定两组过滤的水样。

UV254的计算公式如下：

UV254=[A/b]×D

式中：UV254为UV值，cm-1；b为比色皿光程，cm；A为实测的吸光度；D为稀释因子。

1.3.2 COD的测定方法

试验水质指标COD的检测方法采用国家标准方法[15]。

2 结果与分析

2.1 城市污水处理系统COD与UV254的相关性

2.1.1 原水COD与UV254相关性

图1所示为城市污水处理工艺中原水COD与UV254的线性关系。由图1可以看出，原水中COD和UV254的相关性较差，拟合方程为COD=1 410.21 UV254+257.129，相关系数仅为0.771 57。UV254是一种具有专属性的指示指标，反映的仅仅是水中具有紫外吸收的有机物，主要是含有芳香烃、双键或者羧基的共轭体系的有机物，它们在紫外光区(210～420 nm)都有强烈的吸收光谱。因此，COD和UV254的线性关系与这些物质在COD中所占的比例有一定关系。本试验原水主要以城市污水为主，试验运行期间原水中COD一般在400～500 mg·L-1，城市污水水质较为复杂，其中存在部分有机物，如糖类、饱和低级脂肪酸、醇类等，在紫外光区没有明显的吸收光谱，其次是有机物在紫外光区都具有不同程度的吸收强度，而测得的特定波长下的吸光度仅仅是某些有机物的综合反应，导致试验原水检测COD和UV254的相关性较差[16]。另外，在测定原水中COD和UV254时均需进行稀释，因此，检测过程中不可避免地会造成误差，同样会对COD和UV254的相关性带来一定的影响。由此可见，不适宜仅采用UV254通过线性拟合关系式来预测原水COD。

图1 原水COD与UV254的相关性

2.1.2 SBR典型周期内COD和UV254的变化情况

对SBR处理城市污水过程中典型周期内COD和UV254进行检测，取样位置均在反应器中心位置，取样时间分别为0、0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5 h，图2所示为SBR处理城市污水典型周期内COD和UV254随时间的去除情况。

由图2可以看出，COD和UV254随时间的变化趋势极其相似。从整体趋势看来，在1.5 h前，COD和UV254均有较快的去除速率，变化曲线斜率较大，由于原水中有机物进入反应器即刻被稀释，而后在0.5 h内于厌氧条件下发生反应，第0.5 h开始曝气提供好氧环境，至1.5 h期间快速反应，从而有机物得到有效的降解。反应后期1.5～8.5 h，系统内有机物减少，反应趋于稳定，系统内COD主要由可以产生紫外吸收的有机物组成，COD和UV254的变化曲线同时趋于平缓。可见UV254能够快速准确地反映COD的去除效果。

图2 SRT=30 d反应器典型周期内COD与UV254的去除效果

图3为SBR处理城市污水典型周期内COD和UV254的相关关系。由图3可以看出，COD和UV254经线性回归，获得拟合方程为COD=2 193.00 UV254-107.155，相关系数达到0.964 68，表明具有良好的相关性。在整个SBR处理城市污水过程中，COD和UV254的变化趋势保持高度的相似性，具有显著的线性相关关系，可见在此过程中UV254可以作为预测COD处理效果的指示指标。

图3 SRT=30 d反应器典型周期内COD与UV254的相关性

2.1.3 SBR反应器出水COD与UV254相关性

图4所示为SBR处理城市污水出水的COD和UV254的相关关系。原水经过生化处理后，可以达到同时脱氮除磷和去除COD的目的，平均出水为12.43 mg·L-1，去除了大部分不产生紫外吸收的有机物，COD和UV254的相关性得到提高。由图4可以看出，反应器出水中COD和UV254的拟合方程为COD=202.37 UV254+2.678，相关系数为0.958 26，相关性较原水有显著提高，由于出水中有机物成分较固定，因此可以采用UV254通过线性拟合关系式预测出水COD。

图4 SRT=30 d反应器出水COD与UV254的相关性

2.2 不同SRT条件下SBR出水COD与UV254的相关性

基于前述实验结果，对SRT=10、30、50、100、240 d的运行条件下SBR处理城市污水出水的COD和UV254进行了检测，结果见表1所示，其线性拟合结果如图5所示。

表1 不同SRT条件下5个反应器

图5 不同SRT条件下反应器出水COD与UV254的相关性

由图5看出，不同SRT条件下SBR处理城市污水出水中的COD和UV254具有显著的相关性，经线性拟合得到拟合方程为COD=809.86 UV254-42.949，相关系数达到0.967 9。相对城市污水而言，SBR处理系统的出水中所含的具有紫外吸收的有机物相对比较固定，因此这类物质与COD的比例具有较好的线性关系，即COD和UV254具有良好的线性相关性。由此可见，紫外吸光度具有其测定的专属性，拟合的相关方程只适用于特定水体，对于出水水质UV254可以作为COD去除效果的指示指标。

3 结语

1)SBR处理城市污水系统的原水中COD和UV254的相关系数为0.771 57，相关性较差，城市污水中有机物成分较为复杂，其中含有不定量的无法产生紫外吸收的小分子有机物，同时检测稀释过程同样会造成误差，因此，不适宜仅采用UV254通过线性拟合关系式来预测原水COD。

2)对SBR处理城市污水过程中典型周期内COD和UV254进行检测，在整个周期内，COD和UV254的变化趋势保持高度的相似性，COD和UV254经线性拟合后相关系数达到0.964 68，具有良好的相关关系，可见在此过程中可以采用UV254来预测COD的处理效果以及变化趋势。

3)SBR反应器出水中COD和UV254的相关性较原水有显著提高，相关系数为0.958 26；SRT=10、30、50、100、240 d的运行条件下SBR处理城市污水出水中的COD和UV254具有显著的相关性，相关系数达到0.967 9。出水中有机物成分较固定，因此UV254可以作为预测COD去除效果的指示指标。