典型生活污水颗粒物粒径分布及沉降性能研究

曹志斌，张 俊，王 伟，黄 俊

(1.苏州苏水环境监测服务有限公司，江苏 苏州 215131；2.苏州市排水有限公司，江苏 苏州 215006；3.江苏大学 国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

0 引 言

颗粒物质是水体的主要污染物之一，水中颗粒物质主要有泥砂、粘土、有机和矿物质颗粒等。典型生活污水中的颗粒主要来源于居民日常生活中的废弃物、排泄物、经河道渗入和雨水冲刷作用进入污水管网的少量河道土壤和表层土壤等，造成了污水中有机和无机颗粒物增加，从而增加了水的浊度和悬浮物浓度，直接影响水体的污水处理工艺和效果[1-2]。因此，颗粒物检测已成为污水处理过程中一个重要环节[3-4]。

王驻等人通过考察渤海悬浮物粒径与浓度分布特征为渤海物质输运过程的研究提供了全面的信息[5]；严峻等人通过颗粒计数法对虾大棚养殖废水悬浮物静沉降效果进行了研究[6]；于冬冬通过对海水循环水养殖系统中微细颗粒分析，最终对水处理工艺研究具有指导作用[7]。颗粒计数方法己越来越多地应用于水环境监测、水处理、膜工艺、水产养殖等行业[8]。作为颗粒物计数法的一个重要应用领域，水处理行业也逐步将这种新型的水质监测手段应用于生产的各个环节[9]。目前，《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中将悬浮物(SS)作为生活污水处理的基本控制项目，该参数表示的是单位体积水体中粒径大于0.45 μm的颗粒物总质量，无法表征水体中颗粒物的具体组成，为进一步探索生活污水中颗粒物的组成，向生活污水的有效处理提供更全面的信息，有必要对颗粒物的粒径分布进行深入探究。

对于水中粒径大于50 μm的颗粒物，沉淀、砂滤等常规水处理工艺对其有较好的去除效果，但对于水体中粒径小于50 μm的细小颗粒物，由于处理难度较大，因此在水处理过程中，更加值得关注[9-12]。为研究典型生活污水及沉砂后水中悬浮物的特征和沉降性能，采用激光颗粒物计数仪器，生活污水样品分别采自城区范围内三个典型生活污水处理厂：F厂、L厂和D厂，三厂收集的污水全部为生活污水，其中D厂进水分为厂部进水和东环进水。分别考察三个典型生活污水处理厂进厂污水和沉砂后污水的颗粒物粒径(2～50 μm)分布情况；在静止沉降后，测定实验终了时上层水体颗粒物的粒径分布状况；比较静沉前后颗粒物的变化情况，分析不同粒径段颗粒物的可沉降性。本研究旨在发现典型生活污水中悬浮物的性质和沉降规律，为生活污水处理系统的设计和构建提供参考依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料及装置

典型生活污水水样分别采于F、L、D(厂部与东环)三个生活污水处理厂的4个进水采样点以及三厂沉砂后污水采样点。

仪器：颗粒分析仪(IBR Versa Count TM)(可检测2～50 μm内不同粒径段的颗粒数)，磁力搅拌器，烧杯若干。

1.2 试验过程

分别于F、L、D厂进水采样点采集典型生活污水样品，合计4份；于沉砂后采样点采污水水样3份。在磁力搅拌器匀速搅拌的状态下，分别对4个混合均匀的污水进行粒径分布检测，每个水样检测2次取平均值为检测结果，并计算颗粒物分布的中位径，即粒径的中位数，用D50表示[13-14]。每次检测后对仪器进行反冲洗，除去仪器中剩余的污水。静沉60 min水体颗粒物分布能达到初步平衡[15-17]，分别对污水处理厂各进水粒径分布再次测定。重复上述实验流程，分别对3个混合均匀的沉砂后污水进行粒径分布检测。随后，对比静沉前后的试验结果，计算各粒径段颗粒物的沉降比例。

2 结果与讨论

2.1 典型生活污水颗粒物分布

如表1所示，混合均匀时，F厂进水颗粒物含量最高，为27 743个/mL；L厂其次，为23 598个/mL；东环(D厂)为21 551个/mL；厂部(D厂)最低，为16 651个/mL。静沉60 min后，上层水中F厂颗粒物含量为27 427个/mL，L厂为27 754个/mL，东环(D厂)为26 010个/mL，厂部(D厂)为20 443个/mL。静沉后L厂、东环(D厂)和厂部上层水中≥2 μm颗粒总数均有所上升。这是由于小颗粒物上浮，导致上层水体小颗粒物增幅大于较大颗粒物沉降数。

表1 各厂进水颗粒物总数及中位径

对颗粒物的不同粒径段进行分析。如图1所示，混匀状态下F厂进水样品内10～15 μm粒径段颗粒物含量最高，为6 179个/mL，占22%，D50为13.5 μm；静沉后F厂2～10 μm粒径段的颗粒物含量显著增加，10～50 μm粒径段的颗粒物含量有所减少，D50减小至7.7 μm。如图2所示，L厂的进水样品内同为10～15 μm粒径段颗粒物含量最高，为5 596个/mL，占24%，D50为14.0 μm；静沉后粒径2～20 μm的颗粒物数量均有所增加，≥20 μm的颗粒物含量则有所降低，D50减小至9.8 μm。东环(D厂)进水样内10～15 μm粒径段内颗粒物含量最高，为4 367个/mL，占20%，D50为13.0 μm；静沉后粒径2～15 μm的颗粒物数量有所增加，≥15 μm的颗粒物有所减少，D50减小至7.5 μm，如图3所示。由图4可知，厂部(D厂)进水样品内3～5 μm粒径段的颗粒物含量最高，为4 081个/mL，占25%，D50为8.0 μm；静沉后粒径2～10 μm的颗粒物数量均显著增加，粒径10～50 μm的颗粒物数量均有所减少，D50减小至4.6 μm。

图1 F厂进水静沉前后颗粒物粒径分布

图2 L厂进水静沉前后颗粒物粒径分布

图3 D厂(东环)进水静沉前后颗粒物粒径分布

图4 D厂(厂部)进水静沉前后颗粒物粒径分布

静沉试验结果表明，颗粒物的沉降性能与颗粒物的粒径有一定的相关性，小粒径颗粒物易上浮，较大粒径颗粒物易下沉。其中，F厂和厂部(D厂)的水样内粒径小于10 μm颗粒物发生了上浮，导致静沉后上层水中小粒径的颗粒物数量增加，而大于10 μm的颗粒物在静沉后发生了沉降，故静沉后上层水中较大粒径颗粒物数量呈较少趋势；东环(D厂)和L厂上浮和下沉的界限分别为15 μm和20 μm。

2.2 沉砂后污水颗粒物分布

表2所示为各厂沉砂后水颗粒物总数及中位径比较结果。沉砂后污水在混合均匀时，F厂颗粒物总数最高，≥2 μm颗粒数为24 299个/mL；L厂其次，为20 751个/mL；D厂为19 680个/mL。静沉后，上层水中F厂颗粒物总数为24 819个/mL，L厂为29 228个/mL，D厂为27 923个/mL。静沉后，三厂上层水中≥2 μm颗粒物总数均有所上升，由于小颗粒物上浮，导致上层水体小颗粒物增幅大于较大颗粒物沉降数。

表2 各厂沉砂后水颗粒物总数及中位径

对不同粒径段进行分析，混匀状态下，F厂沉砂后水样内≥25 μm粒径段的颗粒物含量最高，为6 423个/mL，占26%，颗粒物的中位径D50为15.2 μm；静沉后3～10 μm和15～20 μm粒径段的颗粒物数量增加，2～3 μm、10～15 μm、≥20 μm粒径段的颗粒物数量均有所减少，D50减小至12.2 μm，如图5所示。L厂沉砂后水样内10～15 μm粒径段的颗粒物含量最高，为3 754个/mL，占18%，D50为11.1 μm；静沉后2～10 μm颗粒物数量均有所增加，≥10 μm段都有所降低，D50减小至4.9 μm，如图6所示。D厂沉砂后水样3～5 μm粒径段含量最高，为3 909个/mL，占20%，D50为9.5 μm；静沉后2～10 μm颗粒物数量有所增加，10～50 μm颗粒物有所减少，D50减小至6.1 μm，如图7所示。

图5 F厂沉砂后水样静沉前后颗粒物粒径分布

图6 L厂沉砂后水样静沉前后颗粒物粒径分布

图7 D厂沉砂后水样静沉前后颗粒物粒径分布

沉砂后水样静沉试验结果表明，颗粒物的沉降性能与水体中颗粒物的粒径有一定的相关性。其中L厂和D厂的水样中粒径小于10 μm的颗粒物发生了上浮，而大于10 μm的颗粒物在静沉后发生了沉降，虽F厂水样试验结果虽未呈现上述两厂的变化规律，但颗粒物的D50值从15.2 μm降至12.2 μm，整体上呈现大粒径颗粒物减少，小粒径颗粒物增加。

2.3 各典型生活污水、沉砂池后污水颗粒物比较

对于不同地区、不同时段的生活污水，其水量与水质均变化较大。本次试验结果表明，在搅拌混合均匀的状态下，F厂进水和砂沉后水样内颗粒物含量最多，L厂次之，D厂最少。在静沉后，上层水颗粒物与混匀时比较，F厂进水样品和沉砂后水样均变化不大；而L厂和D厂无论是原水还是沉砂后水内颗粒物总数均有较大幅度上升。从各水样颗粒物中位径D50来看，D厂原水和沉砂后水样内颗粒物D50均为最小，可见其小颗粒物含量较多，而F厂和L厂颗粒物的中位径D50与D厂相比偏大。

本次试验所采集的各污水处理厂的水处理工艺各不相同，但前期工艺段(污水进厂后经细格栅、沉砂池进入生物处理环节)的处理流程一致。因此，本研究通过试验对比进厂污水和沉砂池后水内的颗粒物粒径分布情况，旨在考察沉砂作用对污水中2～50 μm颗粒物的去除效果[18-20]。通过试验发现，沉砂后此粒径段颗粒物总数并未显著减少，其中位径D50也无显著变化，由此看出，沉砂对细小颗粒物并无显著去除效果。

2.4 静沉后颗粒物分布情况及难去除颗粒分析

从四个原水、三个沉砂池后水样的分析可看出，通过静沉后大部分水体表现出大颗粒物能够通过自然沉降得到一定的去除，而小颗粒物非但无法减少，且容易浮于上层水体中，使其含量显著增加。上述大小颗粒物的分界线在10 μm附近。

由图8可以看出，离子、分子、大分子和小微粒的粒径均小于10 μm，即包括了金属离子、可溶性盐、所有溶解性的有机物、病毒、细菌、隐孢子虫等，而胶乳乳化物、胶体、藻类、单细胞原生动物的粒径分布则跨越了10 μm。由此可以看出，只有部分胶乳胶体、藻类、单细胞原生动物等大颗粒的物质能在静沉后得到一定的去除。

图8 不同物质的粒径分布范围图

3 结 论

(1)不同生活污水厂的进厂水颗粒物总数和粒径分布有所区别，但在混合均匀状态，中位径D50普遍在8～14 μm范围内；静沉试验后上层污水中颗粒物总数未见降低，但中位径D50降低至4～8 μm范围内，粒径普遍减小。

(2)沉砂后水样中，在混合均匀状态时，中位径分布在9～15 μm范围内，静沉试验后上层污水中中位径D50分布在4～12 μm范围内，且整体上呈现大粒径颗粒物减少，小粒径颗粒物增加。

(3)对比沉砂池前后污水内颗粒物总数以及粒径分布未发现显著区别，沉砂作用对本次试验范围内(小于50 μm)的颗粒物并无显著去除效果。