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(huán)境監(jiān)測服務(wù)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(xué) 國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

顆粒物質(zhì)是水體的主要污染物之一，水中顆粒物質(zhì)主要有泥砂、粘土、有機(jī)和礦物質(zhì)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(jīng)河道滲入和雨水沖刷作用進(jìn)入污水管網(wǎng)的少量河道土壤和表層土壤等，造成了污水中有機(jī)和無機(jī)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(huán)節(jié)[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(zhì)輸運(yùn)過程的研究提供了全面的信息[5]；嚴(yán)峻等人通過顆粒計(jì)數(shù)法對蝦大棚養(yǎng)殖廢水懸浮物靜沉降效果進(jìn)行了研究[6]；于冬冬通過對海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中微細(xì)顆粒分析，最終對水處理工藝研究具有指導(dǎo)作用[7]。顆粒計(jì)數(shù)方法己越來越多地應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測、水處理、膜工藝、水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè)[8]。作為顆粒物計(jì)數(shù)法的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，水處理行業(yè)也逐步將這種新型的水質(zhì)監(jiān)測手段應(yīng)用于生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)[9]。目前，《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中將懸浮物(SS)作為生活污水處理的基本控制項(xiàng)目，該參數(shù)表示的是單位體積水體中粒徑大于0.45 μm的顆粒物總質(zhì)量，無法表征水體中顆粒物的具體組成，為進(jìn)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(jìn)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(guī)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(xì)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(guān)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(jì)數(shù)儀器，生活污水樣品分別采自城區(qū)范圍內(nèi)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(jìn)水分為廠部進(jìn)水和東環(huán)進(jìn)水。分別考察三個典型生活污水處理廠進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)典型生活污水中懸浮物的性質(zhì)和沉降規(guī)律，為生活污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)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(huán))三個生活污水處理廠的4個進(jìn)水采樣點(diǎn)以及三廠沉砂后污水采樣點(diǎn)。

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

1.2 試驗(yàn)過程

分別于F、L、D廠進(jìn)水采樣點(diǎn)采集典型生活污水樣品，合計(jì)4份；于沉砂后采樣點(diǎn)采污水水樣3份。在磁力攪拌器勻速攪拌的狀態(tài)下，分別對4個混合均勻的污水進(jìn)行粒徑分布檢測，每個水樣檢測2次取平均值為檢測結(jié)果，并計(jì)算顆粒物分布的中位徑，即粒徑的中位數(shù)，用D50表示[13-14]。每次檢測后對儀器進(jìn)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(dá)到初步平衡[15-17]，分別對污水處理廠各進(jìn)水粒徑分布再次測定。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)流程，分別對3個混合均勻的沉砂后污水進(jìn)行粒徑分布檢測。隨后，對比靜沉前后的試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算各粒徑段顆粒物的沉降比例。

2 結(jié)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(xiàn)廠進(jìn)水顆粒物含量最高，為27 743個/mL；L廠其次，為23 598個/mL；東環(huán)(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(huán)(D廠)為26 010個/mL，廠部(D廠)為20 443個/mL。靜沉后L廠、東環(huán)(D廠)和廠部上層水中≥2 μm顆粒總數(shù)均有所上升。這是由于小顆粒物上浮，導(dǎo)致上層水體小顆粒物增幅大于較大顆粒物沉降數(shù)。

表1 各廠進(jìn)水顆粒物總數(shù)及中位徑

對顆粒物的不同粒徑段進(jìn)行分析。如圖1所示，混勻狀態(tài)下F廠進(jìn)水樣品內(nèi)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(jìn)水樣品內(nèi)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(shù)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(huán)(D廠)進(jìn)水樣內(nèi)10～15 μm粒徑段內(nèi)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(shù)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(jìn)水樣品內(nèi)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(shù)量均顯著增加，粒徑10～50 μm的顆粒物數(shù)量均有所減少，D50減小至4.6 μm。

圖1 F廠進(jìn)水靜沉前后顆粒物粒徑分布

圖2 L廠進(jìn)水靜沉前后顆粒物粒徑分布

圖3 D廠(東環(huán))進(jìn)水靜沉前后顆粒物粒徑分布

圖4 D廠(廠部)進(jìn)水靜沉前后顆粒物粒徑分布

靜沉試驗(yàn)結(jié)果表明，顆粒物的沉降性能與顆粒物的粒徑有一定的相關(guān)性，小粒徑顆粒物易上浮，較大粒徑顆粒物易下沉。其中，F(xiàn)廠和廠部(D廠)的水樣內(nèi)粒徑小于10 μm顆粒物發(fā)生了上浮，導(dǎo)致靜沉后上層水中小粒徑的顆粒物數(shù)量增加，而大于10 μm的顆粒物在靜沉后發(fā)生了沉降，故靜沉后上層水中較大粒徑顆粒物數(shù)量呈較少趨勢；東環(huán)(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(shù)及中位徑比較結(jié)果。沉砂后污水在混合均勻時，F(xiàn)廠顆粒物總數(shù)最高，≥2 μm顆粒數(shù)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(shù)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(shù)均有所上升，由于小顆粒物上浮，導(dǎo)致上層水體小顆粒物增幅大于較大顆粒物沉降數(shù)。

表2 各廠沉砂后水顆粒物總數(shù)及中位徑

對不同粒徑段進(jìn)行分析，混勻狀態(tài)下，F(xiàn)廠沉砂后水樣內(nèi)≥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(shù)量增加，2～3 μm、10～15 μm、≥20 μm粒徑段的顆粒物數(shù)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(nèi)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(shù)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(shù)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(yàn)結(jié)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(guān)性。其中L廠和D廠的水樣中粒徑小于10 μm的顆粒物發(fā)生了上浮，而大于10 μm的顆粒物在靜沉后發(fā)生了沉降，雖F廠水樣試驗(yàn)結(jié)果雖未呈現(xiàn)上述兩廠的變化規(guī)律，但顆粒物的D50值從15.2 μm降至12.2 μm，整體上呈現(xiàn)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(qū)、不同時段的生活污水，其水量與水質(zhì)均變化較大。本次試驗(yàn)結(jié)果表明，在攪拌混合均勻的狀態(tài)下，F(xiàn)廠進(jìn)水和砂沉后水樣內(nèi)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(xiàn)廠進(jìn)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(nèi)顆粒物總數(shù)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(nèi)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(yàn)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(jìn)廠后經(jīng)細(xì)格柵、沉砂池進(jìn)入生物處理環(huán)節(jié))的處理流程一致。因此，本研究通過試驗(yàn)對比進(jìn)廠污水和沉砂池后水內(nèi)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，沉砂后此粒徑段顆粒物總數(shù)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(xì)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(xiàn)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(jī)物、病毒、細(xì)菌、隱孢子蟲等，而膠乳乳化物、膠體、藻類、單細(xì)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(xì)胞原生動物等大顆粒的物質(zhì)能在靜沉后得到一定的去除。

圖8 不同物質(zhì)的粒徑分布范圍圖

3 結(jié) 論

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

(2)沉砂后水樣中，在混合均勻狀態(tài)時，中位徑分布在9～15 μm范圍內(nèi)，靜沉試驗(yàn)后上層污水中中位徑D50分布在4～12 μm范圍內(nèi)，且整體上呈現(xiàn)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(nèi)顆粒物總數(shù)以及粒徑分布未發(fā)現(xiàn)顯著區(qū)別，沉砂作用對本次試驗(yàn)范圍內(nèi)(小于50 μm)的顆粒物并無顯著去除效果。