典型生活污水顆粒物粒徑分布及沉降性能研究

曹志斌，張 俊，王 偉，黃 俊

(1.蘇州蘇水環境監測服務有限公司，江蘇 蘇州 215131；2.蘇州市排水有限公司，江蘇 蘇州 215006；3.江蘇大學 國家水泵及系統工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

0 引 言

顆粒物質是水體的主要污染物之一，水中顆粒物質主要有泥砂、粘土、有機和礦物質顆粒等。典型生活污水中的顆粒主要來源于居民日常生活中的廢棄物、排泄物、經河道滲入和雨水沖刷作用進入污水管網的少量河道土壤和表層土壤等，造成了污水中有機和無機顆粒物增加，從而增加了水的濁度和懸浮物濃度，直接影響水體的污水處理工藝和效果[1-2]。因此，顆粒物檢測已成為污水處理過程中一個重要環節[3-4]。

王駐等人通過考察渤海懸浮物粒徑與濃度分布特征為渤海物質輸運過程的研究提供了全面的信息[5]；嚴峻等人通過顆粒計數法對蝦大棚養殖廢水懸浮物靜沉降效果進行了研究[6]；于冬冬通過對海水循環水養殖系統中微細顆粒分析，最終對水處理工藝研究具有指導作用[7]。顆粒計數方法己越來越多地應用于水環境監測、水處理、膜工藝、水產養殖等行業[8]。作為顆粒物計數法的一個重要應用領域，水處理行業也逐步將這種新型的水質監測手段應用于生產的各個環節[9]。目前，《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中將懸浮物(SS)作為生活污水處理的基本控制項目，該參數表示的是單位體積水體中粒徑大于0.45 μm的顆粒物總質量，無法表征水體中顆粒物的具體組成，為進一步探索生活污水中顆粒物的組成，向生活污水的有效處理提供更全面的信息，有必要對顆粒物的粒徑分布進行深入探究。

對于水中粒徑大于50 μm的顆粒物，沉淀、砂濾等常規水處理工藝對其有較好的去除效果，但對于水體中粒徑小于50 μm的細小顆粒物，由于處理難度較大，因此在水處理過程中，更加值得關注[9-12]。為研究典型生活污水及沉砂后水中懸浮物的特征和沉降性能，采用激光顆粒物計數儀器，生活污水樣品分別采自城區范圍內三個典型生活污水處理廠：F廠、L廠和D廠，三廠收集的污水全部為生活污水，其中D廠進水分為廠部進水和東環進水。分別考察三個典型生活污水處理廠進廠污水和沉砂后污水的顆粒物粒徑(2～50 μm)分布情況；在靜止沉降后，測定實驗終了時上層水體顆粒物的粒徑分布狀況；比較靜沉前后顆粒物的變化情況，分析不同粒徑段顆粒物的可沉降性。本研究旨在發現典型生活污水中懸浮物的性質和沉降規律，為生活污水處理系統的設計和構建提供參考依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及裝置

典型生活污水水樣分別采于F、L、D(廠部與東環)三個生活污水處理廠的4個進水采樣點以及三廠沉砂后污水采樣點。

儀器：顆粒分析儀(IBR Versa Count TM)(可檢測2～50 μm內不同粒徑段的顆粒數)，磁力攪拌器，燒杯若干。

1.2 試驗過程

分別于F、L、D廠進水采樣點采集典型生活污水樣品，合計4份；于沉砂后采樣點采污水水樣3份。在磁力攪拌器勻速攪拌的狀態下，分別對4個混合均勻的污水進行粒徑分布檢測，每個水樣檢測2次取平均值為檢測結果，并計算顆粒物分布的中位徑，即粒徑的中位數，用D50表示[13-14]。每次檢測后對儀器進行反沖洗，除去儀器中剩余的污水。靜沉60 min水體顆粒物分布能達到初步平衡[15-17]，分別對污水處理廠各進水粒徑分布再次測定。重復上述實驗流程，分別對3個混合均勻的沉砂后污水進行粒徑分布檢測。隨后，對比靜沉前后的試驗結果，計算各粒徑段顆粒物的沉降比例。

2 結果與討論

2.1 典型生活污水顆粒物分布

如表1所示，混合均勻時，F廠進水顆粒物含量最高，為27 743個/mL；L廠其次，為23 598個/mL；東環(D廠)為21 551個/mL；廠部(D廠)最低，為16 651個/mL。靜沉60 min后，上層水中F廠顆粒物含量為27 427個/mL，L廠為27 754個/mL，東環(D廠)為26 010個/mL，廠部(D廠)為20 443個/mL。靜沉后L廠、東環(D廠)和廠部上層水中≥2 μm顆粒總數均有所上升。這是由于小顆粒物上浮，導致上層水體小顆粒物增幅大于較大顆粒物沉降數。

表1 各廠進水顆粒物總數及中位徑

對顆粒物的不同粒徑段進行分析。如圖1所示，混勻狀態下F廠進水樣品內10～15 μm粒徑段顆粒物含量最高，為6 179個/mL，占22%，D50為13.5 μm；靜沉后F廠2～10 μm粒徑段的顆粒物含量顯著增加，10～50 μm粒徑段的顆粒物含量有所減少，D50減小至7.7 μm。如圖2所示，L廠的進水樣品內同為10～15 μm粒徑段顆粒物含量最高，為5 596個/mL，占24%，D50為14.0 μm；靜沉后粒徑2～20 μm的顆粒物數量均有所增加，≥20 μm的顆粒物含量則有所降低，D50減小至9.8 μm。東環(D廠)進水樣內10～15 μm粒徑段內顆粒物含量最高，為4 367個/mL，占20%，D50為13.0 μm；靜沉后粒徑2～15 μm的顆粒物數量有所增加，≥15 μm的顆粒物有所減少，D50減小至7.5 μm，如圖3所示。由圖4可知，廠部(D廠)進水樣品內3～5 μm粒徑段的顆粒物含量最高，為4 081個/mL，占25%，D50為8.0 μm；靜沉后粒徑2～10 μm的顆粒物數量均顯著增加，粒徑10～50 μm的顆粒物數量均有所減少，D50減小至4.6 μm。

圖1 F廠進水靜沉前后顆粒物粒徑分布

圖2 L廠進水靜沉前后顆粒物粒徑分布

圖3 D廠(東環)進水靜沉前后顆粒物粒徑分布

圖4 D廠(廠部)進水靜沉前后顆粒物粒徑分布

靜沉試驗結果表明，顆粒物的沉降性能與顆粒物的粒徑有一定的相關性，小粒徑顆粒物易上浮，較大粒徑顆粒物易下沉。其中，F廠和廠部(D廠)的水樣內粒徑小于10 μm顆粒物發生了上浮，導致靜沉后上層水中小粒徑的顆粒物數量增加，而大于10 μm的顆粒物在靜沉后發生了沉降，故靜沉后上層水中較大粒徑顆粒物數量呈較少趨勢；東環(D廠)和L廠上浮和下沉的界限分別為15 μm和20 μm。

2.2 沉砂后污水顆粒物分布

表2所示為各廠沉砂后水顆粒物總數及中位徑比較結果。沉砂后污水在混合均勻時，F廠顆粒物總數最高，≥2 μm顆粒數為24 299個/mL；L廠其次，為20 751個/mL；D廠為19 680個/mL。靜沉后，上層水中F廠顆粒物總數為24 819個/mL，L廠為29 228個/mL，D廠為27 923個/mL。靜沉后，三廠上層水中≥2 μm顆粒物總數均有所上升，由于小顆粒物上浮，導致上層水體小顆粒物增幅大于較大顆粒物沉降數。

表2 各廠沉砂后水顆粒物總數及中位徑

對不同粒徑段進行分析，混勻狀態下，F廠沉砂后水樣內≥25 μm粒徑段的顆粒物含量最高，為6 423個/mL，占26%，顆粒物的中位徑D50為15.2 μm；靜沉后3～10 μm和15～20 μm粒徑段的顆粒物數量增加，2～3 μm、10～15 μm、≥20 μm粒徑段的顆粒物數量均有所減少，D50減小至12.2 μm，如圖5所示。L廠沉砂后水樣內10～15 μm粒徑段的顆粒物含量最高，為3 754個/mL，占18%，D50為11.1 μm；靜沉后2～10 μm顆粒物數量均有所增加，≥10 μm段都有所降低，D50減小至4.9 μm，如圖6所示。D廠沉砂后水樣3～5 μm粒徑段含量最高，為3 909個/mL，占20%，D50為9.5 μm；靜沉后2～10 μm顆粒物數量有所增加，10～50 μm顆粒物有所減少，D50減小至6.1 μm，如圖7所示。

圖5 F廠沉砂后水樣靜沉前后顆粒物粒徑分布

圖6 L廠沉砂后水樣靜沉前后顆粒物粒徑分布

圖7 D廠沉砂后水樣靜沉前后顆粒物粒徑分布

沉砂后水樣靜沉試驗結果表明，顆粒物的沉降性能與水體中顆粒物的粒徑有一定的相關性。其中L廠和D廠的水樣中粒徑小于10 μm的顆粒物發生了上浮，而大于10 μm的顆粒物在靜沉后發生了沉降，雖F廠水樣試驗結果雖未呈現上述兩廠的變化規律，但顆粒物的D50值從15.2 μm降至12.2 μm，整體上呈現大粒徑顆粒物減少，小粒徑顆粒物增加。

2.3 各典型生活污水、沉砂池后污水顆粒物比較

對于不同地區、不同時段的生活污水，其水量與水質均變化較大。本次試驗結果表明，在攪拌混合均勻的狀態下，F廠進水和砂沉后水樣內顆粒物含量最多，L廠次之，D廠最少。在靜沉后，上層水顆粒物與混勻時比較，F廠進水樣品和沉砂后水樣均變化不大；而L廠和D廠無論是原水還是沉砂后水內顆粒物總數均有較大幅度上升。從各水樣顆粒物中位徑D50來看，D廠原水和沉砂后水樣內顆粒物D50均為最小，可見其小顆粒物含量較多，而F廠和L廠顆粒物的中位徑D50與D廠相比偏大。

本次試驗所采集的各污水處理廠的水處理工藝各不相同，但前期工藝段(污水進廠后經細格柵、沉砂池進入生物處理環節)的處理流程一致。因此，本研究通過試驗對比進廠污水和沉砂池后水內的顆粒物粒徑分布情況，旨在考察沉砂作用對污水中2～50 μm顆粒物的去除效果[18-20]。通過試驗發現，沉砂后此粒徑段顆粒物總數并未顯著減少，其中位徑D50也無顯著變化，由此看出，沉砂對細小顆粒物并無顯著去除效果。

2.4 靜沉后顆粒物分布情況及難去除顆粒分析

從四個原水、三個沉砂池后水樣的分析可看出，通過靜沉后大部分水體表現出大顆粒物能夠通過自然沉降得到一定的去除，而小顆粒物非但無法減少，且容易浮于上層水體中，使其含量顯著增加。上述大小顆粒物的分界線在10 μm附近。

由圖8可以看出，離子、分子、大分子和小微粒的粒徑均小于10 μm，即包括了金屬離子、可溶性鹽、所有溶解性的有機物、病毒、細菌、隱孢子蟲等，而膠乳乳化物、膠體、藻類、單細胞原生動物的粒徑分布則跨越了10 μm。由此可以看出，只有部分膠乳膠體、藻類、單細胞原生動物等大顆粒的物質能在靜沉后得到一定的去除。

圖8 不同物質的粒徑分布范圍圖

3 結 論

(1)不同生活污水廠的進廠水顆粒物總數和粒徑分布有所區別，但在混合均勻狀態，中位徑D50普遍在8～14 μm范圍內；靜沉試驗后上層污水中顆粒物總數未見降低，但中位徑D50降低至4～8 μm范圍內，粒徑普遍減小。

(2)沉砂后水樣中，在混合均勻狀態時，中位徑分布在9～15 μm范圍內，靜沉試驗后上層污水中中位徑D50分布在4～12 μm范圍內，且整體上呈現大粒徑顆粒物減少，小粒徑顆粒物增加。

(3)對比沉砂池前后污水內顆粒物總數以及粒徑分布未發現顯著區別，沉砂作用對本次試驗范圍內(小于50 μm)的顆粒物并無顯著去除效果。