原水及常规处理出水的SS粒径分布

高乃云1，李富生2，汤浅晶1，乐林生3，周云4
(1.日本国立岐阜大学流域环境研究中心，歧阜市柳户1番1，501-1193；
2.日本国立岐阜大学工学部土木工学科,岐阜市柳户1番1,501-1193；
3.上海市自来水市北有限公司,上海200082；4.上海市自来水浦东有限公司,上海200127)

　　摘　要：以上海的两座水厂为例，分别对其原水(长江、黄浦江水)和常规工艺的处理水进行颗粒计数和有机物测定，并对测定结果进行了分析和对比。原水中绝大部分的SS粒径＜5 μm(长江占89.38%，黄浦江占94.68%)，经沉淀与过滤可去除98%左右的SS颗粒，平均每去除原水中10%的SS颗粒，相应于去除2%～5%的溶解性UV260和1%～2%左右的DOC。
　　关键词：悬浮固体；颗粒粒径分布；溶解性有机物；混凝；沉淀；过滤
　　中图分类号：TU991.21
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)11-0070-04

　　水中的悬浮物和胶体颗粒对自来水的生产和配水系统以及人类的健康都有严重危害，因此准确检测水中悬浮固体(SS)颗粒的大小及其含量等，已经越来越受到人们的重视。对于给水处理行业，通过颗粒计数可灵敏、详细和较全面地提供水中含有的悬浮物和胶体杂质颗粒数、大小和特征的信息，也可在线连续跟踪处理工艺中颗粒动态的变化，比单纯采用浊度指标更具体、更科学，且可根据颗粒的去除情况及时调整处理流程。此外，由于水中病原体的尺寸基本上在混凝处理SS颗粒的大小范围内(单细胞原生动物贾第虫的大小为7～11μm，贾第虫孢囊为1～5 μm；隐孢子虫为4～7 μm［1］)，故颗粒分布的计测，对预测各个处理工艺中病原体的流出状况，及时调整混凝剂投加量、过滤速度等十分重要。随着颗粒测定技术的进一步完善，预期未来的饮用水标准中会增加颗粒浓度控制这一指标。目前，美国正在研究如何提高颗粒计数的准确性和水工业中各种用水的颗粒浓度控制标准［2］。有的地方已经要求饮用水处理厂在测定浊度的同时，对颗粒数进行跟踪计测。实践逐渐证明［3］，浊度对水中许多颗粒无法显示，且颗粒计数和电镜观察也已经表明，低浊度的水中仍存在着大量的颗粒物。日本由于面对饮用水可能出现被隐孢子虫污染的问题，水质管理部门正在研究将微粒计数作为评价水厂滤后水水质指标的课题，并且做了大量的调查研究工作［4］。中国在这方面正处于发展阶段，人们更注重经济核算［5］。江苏省镇江市锦西水厂的在线自动控制，可对矾花颗粒的大小进行连续计测，为提高水质、节省药耗、科学运行和管理提供了良好的条件。以上海市的两个饮用水水源——长江和黄浦江原水及经常规工艺处理后的水为研究对象，对其中SS颗粒的粒径分布和数量、溶解性有机物(DOC)的去除进行了评价和考察。

1　测定方法和设备

　　长江和黄浦江原水和常规处理后的水样分别于4月中旬取自上海的两座自来水厂。颗粒计数测定采用日本富士电机株式会社的“富士光遮断式微粒子计数仪”。该仪器可测定1～40 μm粒径范围内的微粒子，分为8个粒径段，每个粒径段的颗粒数测定12次，最后取其平均值。

2　结果和讨论

　　长江和黄浦江原水、沉淀(后)水、过滤(后)水和消毒(后)水中，各种粒径的颗粒数分布状况详见图1、2。测定结果给出了长江和黄浦江原水及其在常规处理的每一个净化过程后的异同点。
2.1　原水
　　长江和黄浦江原水中的SS粒径分布及其比例见表1。

　

表1　SS的粒径分布及其比例 粒径分布(μm) 长江原水 黄浦江原水 原水 消毒水 原水 消毒水 颗粒浓度(个/mL) 百分率(%) 颗粒浓度(个/mL) 百分率(%) 颗粒浓度(个/mL)
百分率(%) 颗粒浓度(个/mL) 百分率(%) 1～2 24415 27.58 1358 89.00 143229 52.90 4934 79.32 2～5 54704 61.80 153 10.02 113 110 41.78 1090 17.53 5～10 8717 9.85 10 0.66 13039 4.82 172 2.77 10～15 593 0.67 2 0.15 1 172 0.43 19 0.30 15～20 73 0.08 1 0.09 168 0.06 4 0.06 20～25 8 0.01 1 0.06 19 0.01 1 0.01 25～30 1 0.00 0 0.01 2 0.00 0 0.00 ＞30 0 0.00 0 0.01 2 0.00 0 0.00 合计 88 511 100 1526 100 270741 100 6221 100

　　从表1中可以看出，长江原水中粒径为1～5 μm颗粒占总粒子数的89.38%，而1～10 μm颗粒占总数的99.23%；黄浦江原水中粒径为1～30 μm的颗粒总数为270 739 个/mL(未包括粒径＞30 μm的颗粒2 个/mL)，其中1～2 μm粒径的颗粒占所测到粒子总数的52.90%(最多)，该比例比长江原水中同样大小粒径的颗粒所占的比例高25.32%；2～5 μm粒径的占41.78%，比长江原水同样粒径的颗粒所占比例低20.02%；5～10 μm粒径的颗粒占4.82%。这样，黄浦江原水中1～5 μm粒径的颗粒占总粒子数的94.68%，1～10 μm粒径的颗粒占99.50%。因此，长江和黄浦江原水所含杂质颗粒的共同特点是绝大部分(长江原水99.23%；黄浦江原水99.50%)为1～10 μm粒径的颗粒(原水粒径在1～40 μm测定范围内)，即原水中的杂质颗粒粒径＜10 μm。同时，黄浦江原水中所测最小粒径的比例大于长江原水。
　　黄浦江原水中所含的杂质颗粒总数是长江原水中的3倍。这是因为长江原水进入水厂之前，要先进入具有避开咸水期储蓄淡水功能的陈行水库，停留若干时间以后，再进入水厂。陈行水库相当于一个巨大的天然沉淀池，长江原水经此已完成预沉淀过程，其浊度比黄浦江原水低得多。长江和黄浦江原水最近5年的浊度逐月平均变化见图3。

　　从图3中可见，长江原水中的浊度变化不大，4月—7月浊度较低，8月—次年3月稍高。总浊度月平均为27 NTU，最低月平均为10 NTU，最高月平均为79 NTU。据调查，取自陈行水库的长江原水的浊度呈逐年上升趋势，一是因为取水量的不断增加导致长江水在库中停留时间缩短，从而引发浊度增加；二是为了减少藻类繁殖，人为控制原水在水库中的停留时间，使浊度保持在一定的范围内。黄浦江原水浊度连续5年最高月平均为116 NTU，最低为43 NTU；雨季时由于雨水稀释，使原水浊度降低，月总平均浊度为72 NTU，是长江原水的2.7倍。
2.2沉淀、过滤及消毒水
　　常规处理后的颗粒数与处理过程中的物理、化学等很多因素有关。该测定结果显示，长江原水的沉淀池出水中含杂质颗粒总数为64 892 个/mL，沉淀去除了原水中粒子总数的26.68%。另对照各种粒径的颗粒数及其去除率(图1、4)可清楚地看到，沉淀池出水中，粒径为1～2 μm的颗粒数为36 653 个/mL，反而比原水中同样大小颗粒的数量增加了50.12%，沉淀池的总去除率也降至26.68%，其原因有待于进一步探讨。粒径为2～5 μm的颗粒数降至26 622个/mL，其去除率为51.33%；粒径为5～10 μm的颗粒数为1 510 个/mL，去除率为82.67%。可见，过滤工艺过程可去除其原水颗粒总数的70.47%，去除沉淀后水中所含颗粒数的96.11%。由于沉淀水中粒径为1～2 μm的颗粒数反而比原水中增加，且在滤池内得到有效截留，故过滤对原水中粒径为1～2 μm的颗粒的去除率便成为144.50%；滤池对粒径为2～5μm颗粒的去除率为46.95%；对粒径为5～10 μm颗粒的去除率为15.38%。对照图2和图5，黄浦江原水的沉淀池出水中含颗粒总数为15 658 个/mL，尽管原水中总颗粒数高于长江原水，但沉淀后剩余颗粒数反而低于长江原水的沉淀池，其去除率达到了94.22%，高出长江原水沉淀池的去除率67.54%，即过滤可以去除黄浦江原水经沉淀出水中颗粒的86.53%。总体而言，经沉淀和过滤后可将原水中98%左右的杂质颗粒去除。
　　长江原水的水厂消毒水中含有SS颗粒总数为1 526 个/mL，去除了滤后水中颗粒总数的39.49%；黄浦江原水的水厂消毒水中含有颗粒总数为6 621 个/mL，而滤后水中的颗粒数为2109 个/mL，消毒使水中的SS颗粒增加195%。造成这种反常现象的原因可能与取样或清水池即将进行清洗等有关，其原因有待于进一步探讨。

　　　

　　日本的26个以地表水和16个以水库水为水源的水厂，其滤后水中粒径分布和颗粒数的调查见表2［4］。将图1、2中滤后水中的颗粒测定结果与表2对照比较，发现长江原水的水厂其滤后水中颗粒数较高(月平均浊度值＜0.7 NTU，而且大部分时间保持在0.1 NTU)，黄浦江原水的则较低(月平均浊度为0.8 NTU)。但消毒之后的情况就大不相同了，长江原水的水厂消毒之后的水中颗粒减少，而黄浦江原水的水厂消毒后水中的颗粒则大大增加，其值虽然远低于中国的饮用水水质标准，但与日本的水厂相比还有一定差距。

表2　日本水厂滤后水颗粒分布范围调查结果［4］ 水源名称 粒径范围(μm) 平均浊度(NTU) 调查水厂(个) 2～5 5～10 10～15 15～20 20～25 25～50 微粒子数(个/mL) 地表水 1～616 0～140 0～17 0～3 0 0 0.04 26 水库水 5～469 0～54 0～14 0～6 0～3 0～1 0.08 16 地下水 50 6 1 0 0 0 0.09 1

2.3　SS颗粒与有机物去除率的关系
　　原水经混凝沉淀、过滤和消毒处理后，长江原水的水厂常规工艺可去除所测1～30 μm的颗粒总数的98.28%，相应的溶解性UV260和DOC的去除率见表3。

表3　常规处理对SS颗粒和DOC的去除率% 原水 SS颗粒 UV₂₆₀ DOC 长江 98.28 48.6712.60 　 黄浦江 97.70 28.00 20.98

　　根据表3的结果，可以估算出以长江原水和黄浦江原水经常规处理后对SS颗粒的去除率与有机物去除率的大致关系。对于前者，平均每去除10%的颗粒总数，相应地去除溶解性UV₂₆₀为4.95%、DOC为1.28%。而对于后者而言(通过常规处理)，平均每去除10%的SS总颗粒数，可平均去除2.87%的UV₂₆₀和2.15%的DOC。

3　结论

　　①长江和黄浦江原水中绝大部分杂质颗粒的粒径＜5 μm(长江占89.38%，黄浦江占94.68%)，但两种原水中的杂质颗粒粒径＜10 μm。黄浦江原水中的杂质绝大部分(99%)颗粒粒径有部分小于长江原水。不同原水所含杂质颗粒大小和数量会不一样，经沉淀和过滤两个常规处理工艺过程可去除98%左右的SS颗粒。
　　②水厂平均每去除10%的SS颗粒总数，相应于UV₂₆₀平均被去除2%～5%，DOC平均被去除1%～2%左右。
　　③可以预期，随着水工业的发展，采用颗粒计数仪测定水质会逐步普及，并会有相应的标准出台，水中的颗粒计数测定将成为饮用水水质指标之一。
　　致谢：文中试验数据由日本国立岐阜大学汤浅晶博士、李富生博士研究室的研究生帮助测定，在此表示感谢。

参考文献：

　　［1］O shaughnessy P T,et al.Evaluating particle counters［J］.AWWA,1997,89(12):60-76.
　　［2］Gelder A M，et al.Conscience particle counting［J］.AWWA,1999,91(12):64-70.
　　［3］Srivastava R M.Effect of sequence of measurement on particle count and size measurements using a light blockage (HIAC) particle counter［J］.Wat Res,1993,27(5):939-942.
　　［4］竹田静雄，赤泽宽，国包章一.沪过水的浊度、微粒子数及びFIの相互关系［J］.水道协会杂言志，1999，68(1):2-11.
　　［5］罗岳平，李宁，李建国，等.自来水中悬浮颗粒物的检测和控制［J］.给水排水，2000，26(3):26-31.

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　　收稿日期：2001-07-12