北京市城市污水中主要污染物分布调查分析_胶体组分

3. 1城市污水水质的分析

经多次采样分析,北京市城市污水中主要污染物浓度分布见表3。

表3 城市污水主要水质指标

Tab.3 The water character of municipal sewage

根据表3的数据分析，北京市城市污水显中性，主要污染物中SS浓度平均值在210mg/L左右，而COD浓度平均值在572mg/L左右，TN和TP浓度平均为58和6.25mg/L，显示北京市城市污水中污染物浓度总体上比典型生活污水的中等浓度水质稍高，其中COD高20％，总氮高45％，氨氮高50％。北京市城市污水中污染物浓度基本处于中等浓度～高浓度之间。
 

3. 2城市污水中污染物组分分布规律分析

3. 2.1污水中不同粒径大小组分的分布规律

图1是12次采样分析后得出的污水中主要污染物不同组分的分布图。由图1所示, 在总COD组成中，CODp所占比例最高（55.4%），其次是CODc（31.2%）胶体组分，CODs所占比例最小（13.4%）；而在TN组成中，TNs含量最高（62%），其次是TNc（24%）和TNp（14%）；在TP的组成中，TPs含量最高（56%），其次是TPc（23%）与TPp（21%）。

根据图1所示结果可知，城市污水中的COD大部分以悬浮性和胶体性组分存在，二者之和约占总COD的84%；但对于污水中的营养物质（磷和氮）来说，其分布主要以溶解性组分存在。由于COD、TN、TP都是常规处理和深度处理的去除对象，所以可以根据污染物在污水中各自的分布形态选择相应的分析以选择相应的处理工艺。

图1城市污水中主要污染物不同粒径大小组分的分布

Fig.1 Distribution of main contamination in municipal sewage classified by particle size

3. 2.2城市污水中氮元素的分布规律

城市污水中所测定的总氮包括有机氮和无机氮，而后者则包括氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。污水中含氮污染物有机及无机组分的分布由图2所示。根据图2可以得出城市污水中氮元素的主要存在形式为无机氮。但在悬浮性组分中，有机氮比例（88%）则远高于无机氮比例（12%），这可能是由于城市污水中的悬浮性组分中含有大量的食物碎屑和有机体残渣，它们含有较高比例的有机氮元素，同时这些有机物悬浮和部分无机物悬浮也能吸附一部分有机氮导致其中含有一定比例的无机氮元素^[9,10]；而在胶体性和溶解性组分中，无机氮比例都高于有机氮比例，同时由图1也可看出城市污水中氮元素的主要分布这两部分组分中，无机氮占城市污水中总氮含量的69%左右胶体组分，有机氮占城市污水中总氮含量的31.0%左右中国论文下载中心。

图2城市污水中有机及无机含氮污染物组分的分布

Fig.2 Distribution of organic nitrogen and inorganic nitrogencontamination in municipal sewage

同时根据表3所测定分析的结果，原污水中含有微量的硝酸盐氮（0.21-1.24mg/L），而亚硝酸盐氮比例几乎为零，所以可以推论出污水在从各个管网汇入污水厂的过程中，中间可能发生了部分硝化反应将少量的氨氮氧化为硝酸盐氮，或者可以推测亚硝酸盐氮在氮元素的转化过程中是很不稳定的，其存在时间非常短暂，但具体转化原理还需要实验探明。

3. 2.3城市污水中磷元素的分布规律

城市污水中所测定的总磷包括无机磷和有机磷，而前者主要以正磷酸盐形式存在。污水中含磷污染物有机及无机组分的分布由图3所示。根据图3可以得出城市污水中磷元素的存在形式中无机磷（71%）要多于有机磷（29%）。其中在胶体性组分中，无机磷所占比例（63%）要高于有机磷所占比例（37%）；在溶解性组分中，无机磷所占比例（88%）也远高于有机磷比例（12%）；而在悬浮性组分中则是有机磷比例（59%）高于无机磷比例（41%）。一般来说，城市污水中磷元素的来源主要有含磷的洗涤剂、粪便以及动植物残渣^[11，12]。根据前人所做的研究，溶解状的无机磷酸盐化合物主要是来自洗涤剂的正磷酸盐和稠环磷酸盐，小部分有机磷及非溶解状态的有机磷化合物可能来自化妆品、药品及部分工业废水^[13]。

结合图2和图1可看出城市污水中磷元素的分布与氮元素的分布类似，主要分布在溶解性和胶体性组分中，这两种组分中磷元素的总和在总磷中的比例接近80%。

图3污水中含磷污染物有机及无机组分的分布

Fig.3 Distribution of organic phosphorus and inorganic phosphoruscontamination in municipal sewage

3. 3城市污水中污染物粒径分布规律分析

图4为典型城市污水中不同污染物粒径分布体积比例图。由图4可以看出在城市污水中污染物粒径分布中大体存在着20μm和0.14μm两处对称中心。大部分污染物的粒径在1μm以上胶体组分，另有少部分位于0.05至1.0μm之间。根据悬浮物质在水中性质，粒径在0.1μm-1.0μm为胶体范围，而如果悬浮物粒径在1.0μm-100.0μm之间时，虽然超过了传统定义的胶体范围，但仍旧表现出胶体的某些性质，被称为超胶体^[14]。根据Levine所做的分类^[15]（见图5），可以看出在胶体和超胶体范围中包含了污水中大部分的污染物形态，而在溶解性组分中，主要是一些小分子量的氨基酸、脂肪酸及无机盐类。

根据图4所示，城市污水中大部分污染物的粒径在1.0μm以上，即大部分污染物属于超胶体范围，在本文中将其归属为悬浮物组分，同时也可以发现粒径在100.0μm以上的组分是很少的，这部分组分具有可沉降性，大部分属于有机物残骸。另根据Audrey所做的统计^[16]，污水中粒径小于0.001μm的部分所占比例在12-50%之间，0.001-1μm的部分所占比例在9-16%之间；1-100μm的部分所占比例在10-31%之间；大于100μm的部分所占比例在15-42%之间。本实验的结论与Audrey的结论类似。

图4 城市污水中污染物物粒径分布(清河污水厂水样)

Fig. 4 Example of particle size distribution in municipalsewage（Sewage from Qinghe）

图5城市污水中污染物的分布（引自文献[6]）

Fig. 5 Size distribution of contaminants in municipal sewage (adapted from [6]).

3.4城市污水中悬浮物和胶体组分中矿质成分分析

矿质成分是城市污水中悬浮物和胶体的重要组成部分。目前对这方面的研究还少有进行。考虑到悬浮物和胶体组分中矿质成分的复杂性胶体组分，我们对冷冻干燥后的悬浮物和胶体组分用X射线衍射技术（XRD）进行了分析，分析图谱见图7。根据所测定图谱利用X'Pert HighScore Plus软件进行匹配运算，运算的元素构成来自于EDX分析结果（图6）中国论文下载中心。结果表明悬浮物和胶体组分中矿质成分主要有石英、伊利石、高岭石、绿泥石、白云母、钠长石、钙长石、微斜长石、坡缕石、正长石等。表4列出了6种占主要成分的矿质成分的比例。从结果可以看出城市污水悬浮物和胶体组分中矿质成分中石英占有较大的比例，其次是次生矿物伊利石、高岭石、绿泥石等。此外长石类矿物（钠长石、钙长石、正长石、微斜长石等）含量也相对较多。

石英和长石属于原生矿物，是砂粒和粉砂粒的主要组成部分。而次生矿物是在原生矿物风化过程中形成的，其成分是铝硅酸盐，具有片状晶体构造^[17]。由于次生矿物微粒表面存在未饱和的氧原子和羟基，晶层之间吸附有可交换的阳离子及水分子，微粒的半径一般小于10 μm，呈现高度分散性，因此在水体中具有明显的胶体特性^[18]。在城市人类的活动中，矿物成分可能通过洗涤、建筑等人类生产生活活动进入污水中。

图6 胶体性与悬浮性矿物X射线能谱分析元素组成图谱（左：胶体性；右：悬浮性）

Fig.6 EDX’s element spectra of mineral fractionin the colloidal and particulate component

(left : colloidal; right : particulate)

图7城市污水中胶体性与悬浮性矿物XRD图谱（上：胶体性；下：悬浮性）

Fig.7 XRD spectra of mineral fraction in the colloidaland particulate component of municipal sewage

(up : colloidal; down : particulate)

表4胶体性与悬浮性矿物XRD半定量分析结果

Tab.4 XRD semi-quantificational analyse ofmajor minerals contents in colloidal and particulate component

3.5城市污水中溶解性污染物成分分析
 

3.5.1城市污水中胶体性污染物的光谱解析

三维荧光光谱(Three-Dimensional Excitation Emission Matrix Fluorescence Spectrum， 3DEEM)是将荧光强度表示为激发波长—发射波长两个变量的函数，它能够表示激发波长(λEX)和发射波长(λEM)同时变化时的荧光强度信息，具有较高的灵敏度。目前应用三维荧光光谱已经成功用于分析污水中不同来源的有机污染物的分类及其含量以及监测污水和水源水的水质^[19]。图6是城市污水中胶体性污染物的三维荧光图谱，根据图中信息，城市污水胶体性污染物分别在EX/EM：350/440nm胶体组分，280/350 nm，230/350 nm，230/300 nm，270/305 nm，240/420 nm，280/370 nm左右具有明显的荧光峰，根据PARAFAC模型可以判断出主要成分，结果见表4。

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