人力资源-16废水有机污染综合指标分析与评价2.docx

17　废水有机污染综合指标分析与评价
水体中有机物的种类繁多，不易逐个辨认，因此也难以进行全面的分析。目前常以化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总有机碳(TOC)等综合指标来表明有机物质含量。
17.1　实验目的
1） 掌握水体化学需氧量(COD)、生物化学需氧量(BOD5)、总有机碳(TOC) 等有机污染综合指标的意义及测定原理；
2） 熟练掌握化学需氧量(COD)的测定方法；
3) 掌握880型BOD测定仪的使用方法；
4) 了解multi N/C 3100 TOC/TN分析仪的基本结构和使用方法；
5） 根据所测定的COD、BOD和TOC数值，结合有关环境标准对所测水样有机物污染状况进行评价。
17.2　实验原理
化学需氧量(COD)是指用强氧化剂(如重铬酸钾)在强酸和加热回流条件下对有机物进行氧化，并加入银离子作催化剂，把反应中氧化剂的消耗量换算成氧气量即为化学需氧量，单位为mg/L。本实验原理为在强酸性溶液中，用重铬酸钾将水样中的还原性物质(主要是有机物)氧化，过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂，用硫酸亚铁铵溶液回滴。根据所消耗的重铬酸钾计算出水样的化学需氧量，以氧的mg/L表示。
生化需氧量(BOD)是指在好氧条件下，水中有机物由于微生物的作用被氧化分解，在一定期间内所消耗溶解氧的量，单位为mg/L。BOD的测定有稀释接种法（也称标准稀释法、五天培养法，是国家标准方法）、微生物电极法、库仑法、测压法等。
稀释接种法的原理：水样经稀释后，在20℃±1℃条件下培养5天，求出培养前后水样中溶解氧的含量，二者的差值为五日生化需氧量（BOD5）。溶解氧测定一般用修正的碘量法。
本实验采用测压法, 其原理是：在密闭培养瓶中，水样中溶解氧由于微生物降解有机物而被消耗，产生与耗氧量相当的CO2被碱吸收后，使密闭系统的压力降低，用压力计测出此压降，即可求出水样的BOD值。实际测定中，先以标准葡萄糖-谷氨酸溶液的BOD值和相应的压差作关系曲线，然后以此曲线校准仪器，便可直接读出水样BOD值。本实验所用880型BOD测定仪，在出厂前已经过校正，直接数字显示水样BOD值。
为了保证培养水样中有足够的溶解氧，水样及稀释水要充氧至饱和或接近饱和。应加入一定量的无机营养物质(磷酸盐、钙盐、镁盐和铁盐等)，以保证微生物生长时的需要。
对于某些含有不易被一般微生物所分解的有机物的工业废水，需进行微生物的驯化。这种驯化的微生物种群最好从接受该种废水的水体中取得。为此，可以在排水口以下3～8km处取得水样，经培养接种到稀释水中；也可以人工方法驯化，即采用一定量的生活污水，每天加入一定量待测废水，连续曝气培养，直至培养成含有可分解废水中有机物的微生物种群为止。培养后的菌液用相同方法接种到稀释水中。
总有机碳(TOC)是以碳的含量表示水体中有机物质总量的综合指标。测定TOC 的原理是基于把不同形式的有机碳(OC)通过氧化转化为易定量测定的CO2 , 利用CO2与TOC间碳含量的对应关系, 从而对水溶液中TOC 进行定量测定。方法通常分为直接测定法和间接测定法(差减法)。直接测定法一般是通过将无机碳( IC) 除去后测定全碳( TC) 的方法。TC 的测定可采用干法氧化（即燃烧法）和湿法氧化将其转化为CO2 后进行定量。在间接测定法中, TOC 是通过TC 减去IC 得到，将所有的碳氧化得到TC , IC 则是通过测定样品经酸分解的CO2 量得到的。
本实验采用德国耶拿分析仪器公司生产的multi N/C 3100 TOC/TN 分析仪测定废水样品中的TOC含量，该仪器的测定原理是基于燃烧氧化-NDIR(非色散红外光谱检测)法。通过高精度地注射样品到燃烧炉的高温区来执行总碳（TC）分析。高温区内样品在催化剂存在下被分解和氧化，有机化合物和无机碳酸盐均转化成为CO2。氧气既是载气又是氧化剂，产生的分析物气体通过干燥单元被输送到NDIR 检测器。因CO2能够选择吸收一定波长的红外光，在一定浓度范围内CO2对红外光吸收的强度与二氧化碳的浓度成正比，因此可做定量分析。结果以积分面积表示，利用保存在系统中的校正曲线，计算样品的浓度，单位为ug/l 或mg/l。对于TIC 的测定，一定体积的样品被注入TIC 反应罐（又起冷凝作用），反应罐里预先加入10%的磷酸。酸化后，样品中的碳酸盐和碳酸氢盐被转化为CO2 释放出来，同时有载气吹扫样品。如果样品中有溶解的CO2，在这个吹扫过程中也被释放出来。产生的CO2 的检测与TC分析时类似。multi N/C 3100 分析TOC，原则上采用差减法，即先进一定体积的样品测量出TIC 值，然后进相同体积的样品测量出TC 值，二者之差即为TOC 值。NPOC 分析(即直接法) 是测量TOC 的又一方法，样品先在分析仪的外面用2N 的盐酸酸化。酸化后，溶液的PH≤2 。溶解的CO2、碳酸盐和碳酸氢盐通过吹扫被去除，然后已除去无机碳的样品溶液被注入燃烧炉分析，得到非挥发性的总有机碳TOC。
multi N/C 3100 的基本单元包括燃烧单元、TIC 和冷凝单元、分析气干燥系统、电子系统、氧气流量控制系统、NDIR 检测器及内部计算机，另外还可包括CHD (电化学检测器)或NDIR（测量TNb）。
17.3　仪器和试剂
17.3.1　仪　　器
JH—12型COD恒温加热器；880型BOD测定仪；恒温培养箱：20℃±l℃；multi N/C 3100 TOC/TN 分析仪；酸式滴定管：50mL；锥形瓶500mL；量筒：100ml、1000mL；烧杯、移液管、容量瓶等实验室常用玻璃仪器。
17.3.2　试　　剂
1．测量COD试剂1） 重铬酸钾标准溶液（c 1/6K2Cr2O7 = 0.2500 mol/L）：准确称取12.258g基准或优级纯重铬酸钾(预先在105～l10℃烘箱中干燥2 h，并贮存于干燥器中冷却至室温) 溶于水中，移至1000mL容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀。
2）试亚铁灵指示剂：称取1.49 g邻菲罗啉(C12H8N2·H2O，l，10－phenan-throline)，0.695g硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)溶于水中，稀释至100mL，贮于棕色试剂瓶中。
3）硫酸亚铁铵标准溶液[c(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O ≈ 0.1 mol/L]：称取39.5g硫酸亚铁铵溶于水中，边搅拌边缓慢加入20mL浓硫酸，冷却后稀释至1000mL容量瓶中，摇匀。临用前用重铬酸钾标准溶液标定。
标定方法：吸取10.00mL重铬酸钾标准溶液于500mL锥形瓶中，用水稀释至110mL左右，缓慢加入30mL浓硫酸，混匀。冷却后加3滴试亚铁灵指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定到溶液由黄色经蓝绿色刚变为红褐色为终点。硫酸亚铁铵的浓度可由下式计算：
(17-5)
式中：c——硫酸亚铁铵标准溶液的浓度，mol/L；
V——硫酸亚铁铵标准溶液的用量，mL。
4）硫酸银—硫酸溶液：于500mL浓硫酸中加入5g硫酸银，放置1～2天，不时摇动使其溶解。
5）硫酸汞：结晶或粉末。
2．测量BOD试剂：
1）氯化钙溶液：称取27.5g无水氯化钙，溶于水中，稀释至l000mL。
2）三氯化铁溶液：称取0.25g三氯化铁(FeCl3·6H2O)溶于水中，稀释到1000mL。
3）硫酸镁溶液：称取22.5g硫酸镁(MgSO4·7H2O)，溶于水中，稀释到l000mL。
4）磷酸盐缓冲液：称取8.5g磷酸二氢钾(KH2PO4)，21.75g磷酸氢二钾(K2HPO4)，33.4g磷酸氢二钠(Na2HPO4·7H2O)和1.7g氯化铵，溶于500mL水中，稀释到1000mL。此溶液pH应为7.2。
5）稀释水的制备：将上述四种溶液各1rnL，加入到1升溶解氧饱和的蒸馏水中即为稀释水。
6）接种稀释水：可利用生活污水20℃放置24～36h后的上层清液作为接种液，于每升稀释水中加入1～3ml接种液为接种稀释水，对某种特殊工业废水最好加入专门培养驯化过的菌种。
3．测量TOC试剂：
1） 超纯水
2） 10%磷酸：由85%磷酸（分析纯）稀释得到。
3） TIC标准溶液1000ppm(mg/l)：4.41625g Na2CO3 + 3.5g NaHCO3定溶于1000ml水中。
4） TOC 标准溶液1000ppm(mg/l)：2.1254g邻苯二甲酸氢钾定溶于1000ml水中。
若配置TIC 1000ppm(mg/l)和TOC 1000ppm(mg/l)混合标准液，则将上述试剂放在一块定溶于1000ml水中。
5）纯度≥99.995% 氧气

17.4　实验步骤
17.4.1　COD的测定
1. 根据需要将恒温度调节在170℃~180℃之间。
2．在主机预热的同时，吸取20mL混匀水样(或稀释的水样，其COD值为50～400mg/L)置于加热管中，加入10.00mL重铬酸钾标准溶液，慢慢加入30mL硫酸银—硫酸溶液和小瓷粒石数10粒轻晃，使溶液均匀。
3．加热管上接好冷凝管，置于已经恒温的加热孔中加热，约15分钟后，溶液开始沸腾，沸腾后继续加热回流2小时。
4．回流2小时后，仔细取出（注意应避免烫伤）加热管及冷凝管，置于支架中待自然冷却或冷却后，用少许水冲洗冷凝管管壁和磨口处，取下冷凝管，加入搅拌子，加水稀释到140ml后电磁搅拌，用硫酸亚铁铵滴定，用3滴试亚铁灵作为指示剂。如无电磁搅拌器，可将加热管中的溶液转移到500ml三角瓶中，加水到140ml后手工滴定。
在上述操作过程中应注意下列事项：
1）用本法测定时，0.4g硫酸汞可与40mg氯离子结合，如果氯离子浓度更高，应补加硫酸汞以使其与氯离子的质量比为10∶1，如果产生轻微沉淀也不影响测定。如水样中氯离子的含量超过l000mg/L时，则需按其他方法处理。
2）回流过程中若溶液颜色变绿，说明水样的化学需氧量太高，应将水样适当稀释后重新测定。
3）水样加热回流后，溶液中重铬酸钾剩余量为原加入量的1/5～4/5为宜。
4）若水样中含易挥发有机物，在加硫酸银—硫酸溶液时，应在冰浴或冷水浴中进行，或从冷凝管顶端慢慢加人，以防易挥发性物质损失，使结果偏低。
5）水样中的亚硝酸盐对测定有干扰，每毫克亚硝酸盐氮相当于1.14mg化学需氧量，可按每毫克亚硝酸盐氮加入10mg氨基磺酸消除。蒸馏水空白中也应加入等量的氨基磺酸。
6）在某些情况下，如所取水样在10～50mL时，试剂的体积、浓度等应按表17-1进行相应调整。
17.4.2 BOD的测定
1、接通培养箱电源，将培养箱上温度开关拨至“设置”位置，调节温度电位器旋钮，使表头显示温度为20℃，再把温度开关拨至“测量”位置，(培养温度允许±1℃)。
2、预先估计被测样品的BOD5值范围，选择接近的量程。如无法估计，可先测定该样品的COD值，然后根据该样品COD值来确定该样品的BOD5值，(通常样品BOD5值约为该样品COD值的0.8倍左右)。若样品BOD5值在0～1000mg／L范围内，则样品不需稀释，若样品有足够的微生物，则样品不需接种，按照表17-1根据估算的样品BOD5值选择合适的量程，并使用干净的量杯，量出所需体积的水样倒入已清洗干净的培养瓶中。(见图17-1)

表17-1　取水样量表
样品BOD5值范围
（mg/L）
取样量
（mL）
转换系数
0～20
549
0.2
0～50
476
0.5
0～100
389
1
0～200
285
2
0～300
225
3
0～400
186
4
0～600
138
6
0～800
109
8
0～1000
91
10
注：若需接种、稀释，则应接种、稀释后按上表取样。

图17-1 水样倒入培养瓶 图17-2 搅拌子放入培养瓶

按图3每只培养瓶中放入一只搅拌子。

图17-3 密封杯中放入CO2吸收剂KOH或NaOH
3、把培养箱内专用电源插头插进主机左侧板电源输入插座，主机开始工作，把8只培养瓶依次放到主机搅拌器相应位置，对样品进行搅拌，直至样品液温度达到规定的培养温度20℃±1℃（此时培养瓶不盖），样品液达到20℃±1℃约需2～4小时。
4、样品液达到培养温度后，取8只清洗好的密封杯，每只放人5～6粒CO2吸收剂氢氧化钠（或氢氧化钾），并将密封杯垂直放人培养瓶口，见图4。
注：若不小心把KOH或NaOH溅入培养瓶中，应丢弃此样品重新取样。
5、为防止培养瓶密封不好，漏气，可在密封杯与培养瓶接触的上下两面涂少许密封油。
6、把通过塑胶管连接在压力传感器上的8只密封瓶盖依次拧到8只培养瓶上，注意拧紧，防止培养瓶气路漏气。此时培养瓶内的气压与参考气压端内气压和当地的大气压相等。关上培养箱门，稳定恒温半小时左右。
7、用“手动”按键或用遥控器依次接通8个通道，指示通道数的发光二极管逐个点亮，8个培养瓶内的BOD值依次显示出来，此时每接通一路，调节对应的“调零”电位器使数码显示为OO.O。这样，BOD5实验正式开始时，每个培养瓶内的BOD值都为零。
8、“调零’’结束的时间就是BOD5测定开始时间，从此时开始进行BOD5培养测定，直到120小时结束，在整个五日培养测定中，操作者应经常观察培养箱内温度是否控制在20℃±1℃，搅拌器工作是否正常，利用遥控器定时检查8个培养内的BOD值，记下120小时结束时8个通道所显示的数值。

表17-1 重铬酸钾法测定COD的条件
水样体积/mL
0.25mol/L重铬酸钾标准溶液/mL
硫酸银-硫酸标准溶液/mL
硫酸汞/g
硫酸亚铁铵标准溶液的浓度/mol·L-1
滴定前的体积/mL
10.00
5.00
15
0.2
0.050 0
70
20.00
10.00
30
0.4
0.100 0
140
30.00
15.00
45
0.6
0.150 0
210
40.00
20.00
60
0.8
0.200 0
280
50.00
25.00
75
1.0
0.250 0
350
17.4.3 TOC的测定
multi N/C 3100 完全是由计算机自动控制所有的操作并提供系统所有的模块之间的通讯。
1． 气瓶总阀，调整氧气减压阀的分压阀至0.2-0.4兆帕(MPa)。
2．打开主机电源和计算机电源，待主机指示灯变绿后，双击multiWin图标，打开软件。输入软件口令（Admin），然后点击OK。
3．设定催化剂所需测量温度：点击Configuration，点击下拉菜单Options，选择分析仪器部件Analyzer Components，设定测量温度（如：CeO2:850℃），点击OK确定。
4．新建方法：选择方法Method，选择新建方法New Method，在File name中键入新文件名后，选择测量参数（如TOC(diff)），选择测量次数（如2－3），选择测试精度要求（如2%），点击过程参数Process Parameters对话框，选择进样体积（如300ul），选择积分时间Max Integration time(如：200S)。点击Save保存，点击YES确定此方法，再次点击YES确定此方法作为当前的测量方法。
载入已存方法：选择Load Method载入已存方法，点击OK确认。
已存方法中已包含校准曲线，可用一点标准样品来检验校准曲线是否满足测试要求(校准曲线是否漂移)，如果校准曲线满足测试要求，可直接测试样品，否则需重新制作校准曲线。
5．校准曲线的制作：
选择Measurement，点击下拉菜单校准（Calibration），点击yes确定，再次点击yes确定采用当前方法，编辑校准曲线的标准样品份数（4个以上），输入标准液浓度（mg/L）。点击测量（Measurement），弹出自动进样器对话框，将标准液放在相应的位置上，点OK，弹出测量对话框，然后点击START（F2）开始自动测量。
校准曲线做好后，仪器将自动弹出校准曲线表，可通过选择标准样品点数来修改校准曲线。校准曲线修改后，点击连接方法（Link with method），点击yes确定此方法，点击接收（Accept Values），校准曲线的K1、K0将变为新值。点击“CLOSE”关闭当前对话框，再关闭校准曲线对话框。
6．测量样品：
选择Measurement，点击下拉菜单启动测量（Start Measurement）或直接点击F2快揵键，输入样品名称及样品表名称，点OK，自动进样器对话框将弹出，在样品列表(Analysis Table)输入相应名称后，点击开始（Start），弹出测量菜单，点击“Start F2”，仪器将自动测试样品。待检测完毕后，调出样品表，保存和打印测试结果，退出测量程序。
7．关机：
选择退出（EXIT）按扭，退出软件，关闭主机电源，关闭计算机电源，将氧气瓶总阀关闭，松开氧气瓶分压阀。

注意事项：
（1） 有待主机指示灯变绿后，才能双击multiWin图标，打开软件。
（2） 采用TOC（diff）方法，使用10%的磷酸；NPOC方法，使用2molHCl。
（3） 每次测试完毕后，应进几针空白液，待仪器指示稳定后，再退出软件，关闭仪器。
（4） 如果样品含有氰化物，氰酸盐，异氰酸盐或碳的颗粒，无法测出TIC 值，但TC 能测出来。
（5） 如果水样中含有较大的颗粒物，受输送管路内径所限，应预先过滤处理，因此TOC的测定值不包含大颗粒物的TOC部分。
（6） TOC分析仪对样品的含盐量有一定要求，如含盐量高，应稀释或预先除盐，否则会使催化剂中毒，增加脱卤素用铜丝的消耗。
（7） 为了获得可重复的注射，应注意液体输送管路不应含有大的气泡。
17.5　数据处理
17.5.1　COD的含量
（17-7）
式中：COD——化学需氧量，mg/L；
c——硫酸亚铁铵标准溶液的浓度，mol/L；
V1——滴定水样消耗的硫酸亚铁铵标准溶液的体积，mL
V0——涵定空白消耗的硫酸亚铁铵标准溶液的体积，mL；
V2——水样体积，mL。
17.5.2　BOD的含量
1、对于未经稀释处理的样品，只需将仪器上显示的读数读出，乘上所选量程的转换系数，即得到样品的BOD5值。
2、对于作了稀释和接种预处理的样品，可把显示器读数读出，再按下面公式计算，转换系数按表l可查得。
样品BOD5读数×转换系数-接种液BOD5读数×转换系数×接种液%
样品实际BOD5＝ ×稀释倍数
样品液%
（17-8）
BOD5单位：mg/L。
17.5.3　TOC的含量
由计算机软件分析自动给出。
17.6　思考题
1) 　构成水体COD的物质有哪些?
2) COD测定有哪些方法？你认为它们的适用性如何？　
3) COD测定主要有哪些干扰物质？
4) 你能找到哪些办法来消除Cl-对COD测定的干扰？
5) 构成水体BOD的物质有哪些?
6) BOD的测定有哪些方法？哪一种方法是国家标准方法？
7) 稀释接种法测定BOD的原理是什么？测定中应注意哪些问题？
8) 你认为与稀释接种法相比，压差法测定BOD有何优缺点？
9) 压差法测定BOD应注意哪些问题？
10) 试解释用BOD5、CODCr评价水环境质量时会掩盖有毒有害有机物污染的风险。
11) 分析你在本次实验中测定COD、BOD和TOC过程还存在哪些问题以及实验成败的原因。
12) 测定水质TOC指标有何意义？相比COD测定，TOC测定有何优势？
13) 通过查阅资料你认为三个综合指标的相关性如何？
14) 目前TOC分析仪主要用在哪些方面？
15) multi N/C 3100的基本单元有哪些？
16) 测定TOC的样品消解方法主要有哪些？
17) 根据所测定的COD、BOD和TOC的数值，结合国家有关环境标准对所测水样的有机物污染状况进行评价。
参考文献
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