污水处理中TOD、TOC、COD和BOD的深度解析及其相互关系

在污水处理和水质分析领域， TOD（总需氧量）、TOC（总有机碳）、COD（化学需氧量）和BOD（生化需氧量）是四个核心指标，用于评估水体中有机物和无机物的污染程度，并指导污水处理工艺的选择与优化。  

  一、核心指标的定义与测定方法    

1.TOD（Total Oxygen Demand，总需氧量）  

定义：
TOD表示水样中所有可氧化物质（包括有机物和还原性无机物，如硫化物、亚铁盐、亚硝酸盐等）在高温燃烧条件下完全氧化所需的氧气总量。它是理论上的最大需氧量。  

测定方法：  

高温燃烧法：将水样注入高温燃烧炉（约 900℃），在催化剂作用下，有机物和还原性物质完全氧化生成CO?、H?O和SO?等。通过测量燃烧前后的氧气消耗量计算TOD。  

仪器： TOD分析仪，具有快速（通常几分钟内完成）和高精度的特点。  

适用性：适用于工业废水、高浓度有机污染水体的快速检测。  

优点与局限：  

优点：涵盖范围最广，包含所有需氧物质。  

局限：仪器成本高，对操作技术要求严格，且可能因燃烧温度过高导致部分物质挥发损失。  

2.TOC（Total Organic Carbon，总有机碳）  

定义：
TOC指水样中所有有机物的总含碳量，直接反映有机物浓度。它不区分有机物的种类（如易降解或难降解），但能快速量化总有机污染负荷。  

测定方法：  

高温催化氧化法：  

酸化水样去除无机碳（如 CO?2?、HCO??）；  

在 680℃高温下，有机碳被氧化为CO?；  

通过红外检测器（ NDIR）测量CO?浓度，换算为TOC值。  

紫外 -过硫酸盐氧化法：利用紫外光和强氧化剂（如过硫酸盐）分解有机物，适用于低浓度水样。  

在线监测： TOC分析仪广泛用于污水处理厂的实时监控。  

优点与局限：  

优点：快速（数分钟）、灵敏度高，可区分总碳（ TC）和无机碳（IC）。  

局限：无法区分有机物类型（如毒性或生物可利用性）。  

3.COD（Chemical Oxygen Demand，化学需氧量）  

定义：
COD表示在一定条件下（强酸、高温），利用强氧化剂（如重铬酸钾或高锰酸钾）氧化水中有机物和部分无机物所需的氧当量。它是评估水体受还原性物质污染的重要指标。  

测定方法：  

重铬酸钾法（ COD Cr）：  

水样在浓硫酸和硫酸银（催化剂）存在下，与重铬酸钾回流加热 2小时；  

未被还原的 Cr?O?2?通过硫酸亚铁铵滴定，计算消耗的氧量。  

快速消解分光光度法：利用分光光度计测定 Cr3+的吸光度，缩短检测时间至30分钟。  

高锰酸钾法（ COD_Mn）：适用于较清洁水体（如地表水），但氧化能力较弱。  

优点与局限：  

优点：覆盖大部分有机物（包括难生物降解物质），结果稳定。  

局限：无法氧化某些芳香烃和吡啶类物质，且可能引入毒性试剂（如汞盐）。  

4.BOD（Biochemical Oxygen Demand，生化需氧量 ）  

定义：
BOD表示微生物在20℃、黑暗条件下分解水中有机物所需的氧气量，通常以5天为标准（BOD?）。它反映可生物降解有机物的污染程度。  

测定方法：  

稀释接种法：  

水样稀释至合适浓度，加入营养盐和接种微生物（如污水处理厂活性污泥）；  

密封于 BOD瓶中，20℃避光培养5天；  

通过溶解氧仪测量培养前后的溶解氧差值，计算 BOD?。  

压力传感器法：通过监测密闭系统中氧气消耗导致的压力变化，缩短检测时间。  

优点与局限：  

优点：直接反映水体的可生化性和自净能力。  

局限：耗时长（ 5天）、受微生物活性影响大，且无法检测难降解有机物。  

二、指标间的相互关系与数值对比

1.理论关系  

氧化彻底性排序： TOD ≥ COD ≥ BOD?  

TOD包含所有可氧化物质（有机物+还原性无机物）；  

COD覆盖大部分有机物和部分无机物（如亚铁盐），但无法氧化某些难降解物质；  

BOD仅反映可被微生物分解的有机物。  

TOC与需氧量的换算：
理论上， 1g有机碳（TOC）完全氧化需2.67g氧气（化学计量比：C + O? → CO?）。但实际中，因有机物种类不同（如碳水化合物、脂肪、蛋白质的C/O比差异），TOC与COD或BOD的比值在1.5~3.0之间波动。  

2.经验比值  

BOD?/COD比值：  

若比值＞ 0.3：表明废水适合生物处理（如活性污泥法）；  

若比值＜ 0.2：需预处理（如化学氧化或吸附）以提高可生化性。  

COD/BOD?比值：  

市政污水： COD/BOD? ≈ 1.5~2.5；  

工业废水（如制药废水）： COD/BOD?可能高达5~10，表明含大量难降解有机物。  

3.典型数值范围  

三、在污水处理中的应用与案例分析

1.工艺选择与优化  

高 BOD污水（如食品废水）：
优先采用生物处理（如活性污泥法、厌氧消化），利用微生物高效降解有机物。  

高 COD、低BOD污水（如制药废水）：
需结合化学氧化（如 Fenton法、臭氧）或吸附（活性炭）预处理，降低COD后再进行生物处理。  

案例：某啤酒厂废水（ COD=2500 mg/L，BOD?=1800 mg/L，BOD/COD=0.72）采用UASB厌氧反应器+好氧曝气池，COD去除率达95%。  

2.处理效果监控  

TOC在线监测：用于实时追踪生物反应器中有机物去除效率。例如，某污水处理厂通过TOC数据调整曝气量，降低能耗10%。  

BOD?与COD联动分析：判断微生物活性是否受抑制。若BOD突然下降但COD稳定，可能因有毒物质进入系统。  

3.污泥负荷计算  

污泥负荷（ F/M比）：  

=进水BOD? (kg/d)MLVSS (kg) × 反应池容积 (m3) F /M=MLVSS (kg) ×  反应池容积  (m3)进水BOD? (kg/d)  

通常控制在 0.1~0.4 kg BOD?/(kg MLVSS·d)，过高会导致污泥膨胀，过低则微生物活性不足。  

四、指标间的互补性与局限性

1.互补性  

TOC + BOD：TOC提供总有机负荷，BOD指示可降解比例，联合用于评估生物处理潜力。  

COD + TOD：COD快速测定氧化需求，TOD补充还原性无机物数据，适用于复杂工业废水。  

2.局限性  

BOD：耗时长、受接种微生物来源影响，且无法检测硝化作用（传统BOD?未抑制硝化菌）。  

COD：可能高估实际需氧量（如氧化Cl?为ClO?，与实际生物过程无关）。  

TOC：无法区分毒性有机物与易降解物质。  

五、未来发展与新兴技术

1.快速BOD检测技术  

微生物传感器：固定化微生物膜与氧电极结合，可在数小时内测定 BOD。  

呼吸计量法：通过监测微生物呼吸速率推算 BOD，已在德国部分污水厂应用。  

2.光谱分析替代传统指标  

紫外 -可见光谱（UV-Vis）：通过特征吸收峰（如254 nm）快速估算COD和TOC。  

荧光光谱（ EEM）：区分溶解性有机物（DOM）类型，辅助优化处理工艺。  

六、总结与建议

建议：  

市政污水厂可优先采用 COD和BOD?指导日常运行；  

工业废水处理需结合 TOC和TOD分析难降解成分；  

未来应推动快速检测技术（如光谱法）与传统指标的融合应用。  

通过以上分析可见， TOD、TOC、COD和BOD各具特点，在污水处理中需根据水质特性、处理目标及监测需求灵活选择，同时结合新兴技术提升效率与精度。