一种研究絮凝过程的新方法

李 星　李 虹　李圭白

　　摘　要：介绍了一种全新的光电检测方法——透光脉动检测技术。它利用悬浮液颗粒组成的随机脉动变化特性，可以分析和检测出悬浮液中颗粒的聚集状态及其变化情况。将该检测技术用于水处理中的絮凝过程的研究，便成为一种非常有效的方法和手段，可适用于高浊度水、低浊度水、工业废水和污泥脱水等多种水质的絮凝过程及其影响因素的研究中，具有广泛的应用前景。这种检测技术可进行流过式连续在线检测，不需要进行清洗和标定，可达到完全免维护的程度，为絮凝过程的研究提供了一种非常独特的方法。
　　关键词：絮凝；透光脉动；检测技术。

1. 检测原理

　　对于任何分散均匀的悬浮液，一定体积内所含颗粒数目会随着进出该体积的随机扩散而发生变化，这种变化一般认为遵循泊松分布。假设一定体积内的颗粒数目平均值为N，则在该体积内颗粒数目为K的概率为：

_{P(K)=ex(-N).N^K/K!} （1）

　　根据泊松分布的性质可知，该体积内颗粒的实际数目在N±2ÖN范围内的概率为95%，颗粒数的波动程度ÖN占平均颗粒数N的比重为ÖN／N=1／ÖN，可见该体积内的平均颗粒数越少，颗粒数的波动越显著；相反地，该体积内的平均颗粒数越多，则颗粒数的波动也越小。
　　当用一束光线照射流动的悬浮液，则受光照的悬浮液体积内的颗粒数就会遵循上述的变化规律，这种变化可通过透过悬浮液的光线强度的变化反映出来。如用光敏传感器将透射光接收，并转换成电信号，就有可能进行分析和处理，得到有效的信息。通过如图1（a）所示的装置，可使检测在实际中得以实现。在流动悬浮液两侧分别设置光源和光电检测器，则检测器的输出电流（或电压）值如图1（b）所示，可将其看成由二部分组成，一部分是相应于平均透过光强的电压值C_d，另一部分是对应于颗粒数随机变化引起的光强波动的脉动值C_a。将C_a部分放大，经过函数计算后，得到相应于反映该脉动信号波动程度的电压值V_R。V_R值与C_d值的比值R就可做为检测的有效输出值。
　　透射过悬浮液的光强，可根据朗伯—比尔定律得到：

　　　　　　　　　　Ⅰ=Ⅰ₀=exp(-τL） （2）

　　式中，I——透射过悬浮液后的光强；
　　　　　I₀——入射光强；
　　　　　L——透射光路径长度；
　　　　　t——悬浮液的浊度。
　　对于单一粒径均匀分散的悬浮液，浑浊度可表示为：

　　　　　　　　　τ=nc （3）

　　式中，n——单位体积悬浮液所含颗粒数目；
　　　　　c——单个颗粒的散射面积。
　　如果光束的有效截面积为A，则光束内平均颗粒数为：

　　　　　　　　　　Ⅳ=nAL （4）

　　为便于计算，将式（2）中I和I₀转换成相应的电压值V和V₀，并将式（3）和式（4）代入，则有：

_{Ⅰ/Ⅰ0=V/V0=exp(-N.c/A)} （5）

　　此式为指数形式，不易直接求得V_R的准确表达式，但作一些假设后，可用V值计算的结果近似的代替V_R值。假设条件：（1）颗粒数变化遵循泊松分布；（2）光束内的颗粒数在均值上、下一个均方差（即N±ÖN）范围内波动。设N＋ÖN与N－ÖN之差就是2V_R，则有

_{VR=V0.exp(-N.c/A).sin[(N)^0.5.c/A)=V.sin[(N)^0.5.c/A)} （6）

　　当悬浮液浊度较高时，上式中ÖN·c／A 项通常远小于1，则上式可简化为：

_{VR=V[(N)^0.5.c/A)} （7）

　　移项后，将式（4）代入，可得R的表达式^[2]：

_{R=VR/V=(L/A)^1/2.N^1/2.C} （8）

　　对于非均相悬浮液，设单位体积内散射截面积为c_i的颗粒数为n_i个，则

_{R=(L/A)^1/2.(∑ni.ci)^1/2} （9）

　　对于未絮凝的悬浮液，一般颗粒粒径很小，虽然颗粒数量浓度较高，但对R值的贡献较小，这时R值一般都很小。当发生絮凝时，悬浮液中的细小颗粒在絮凝剂的作用下聚集成较大的絮凝颗粒，从而使悬浮液的颗粒数量浓度降低而颗粒散射截面积增大，由于后者对R值的贡献较大，便使R值随絮凝过程的进行明显增大，即絮凝程度愈大，生成的絮凝颗粒愈大，R值也增大的愈多，所以R值可灵敏地反映悬浮液中颗粒絮凝程度的变化。通过类似的分析可知，R值亦可评价悬浮液中平均颗粒粒径的相对大小，而不必知道颗粒的任何光学特性。

2. 检测技术

　　本试验使用的是北京精密单因子科技有限公司制造的FP—2000型絮凝检测仪。该仪器由信号远程传感器和检测器两部分组成，可显示和输出R值信号，如适配记录仪可将信号连续地记录下来。

　　当在实验室研究絮凝过程时，一般多采用烧杯试验法。用絮凝检测仪对烧杯中的絮凝过程进行检测（图2）。试验时，先将悬浮液装入烧杯内，开动电机搅拌水样（120～150 r/min），等悬浮液搅拌均匀后，用虹吸管将水样引至传感器，并启动絮凝检测仪和记录仪，这时可记录下未絮凝时悬浮液的R值。向烧杯内加入一定量的絮凝剂溶液，继续快速搅拌1～2 min，使药液与水充分混合，然后降低转速至40～60 r/min，再慢速搅拌2～5 min，停止搅拌使水静置沉淀，等水沉淀一定时间后，取液面下的清水，测定水的浊度，从而完成了一次絮凝试验。这时，记录仪已连续地记录下从投药至絮凝反应结束全过程中R值的变化。
　　为获得准确的R的检测值，需要烧杯中生成的絮凝体在取样管中不被打碎，为此需要控制取样管中水的流速不得过大，一般以0.05～0.10 m/s为宜。为此，取样管应尽量短些，以缩短水样由取样管口流至传感器的时间，这也是记录仪的滞后时间，应在处理记录资料时注意修正。
　　需要特别指出的是，这种检测技术有一个重要特性，即其检测值R一般不受透光壁面沾污和光电器件老化的影响。这是由于R是一个比值，当透光壁面遭到沾污和光电器件老化时，透过光强的变化对平均值（比值的分母）和脉动值（分子）的影响是相同的，故其比值不受影响。实验中将光源强度减小到原强度的数十分之一，这相当于透光壁面受严重到沾污的情况，试验表明检测值R确实不受影响。
　　用图2所示的系统，可以进行絮凝体粒径与R值相关性的研究。所用粘土悬浮液浓度为50mg/L，水的pH=7.0，絮凝剂为硫酸铝（Al₂（SO₄）₃·18H₂O），投药量为7mg/L。试验从投药混凝开始，连续记录R值随时间的变化（图3）。由图3可见，投药以前R值甚小，且没有变化。投药以后，R值开始迅速增大，直到10min左右增大趋势减小，并趋向一稳定值。用显微摄影的方法，可以同时测出絮凝颗粒的粒径。由图3可见，R值和絮体粒径的变化趋势是完全一致的，即随着絮凝过程的进行，絮体粒径随时间不断增大，而R值也相应增大，所以R值的变化可以反映出悬浮液的絮凝程度。根据图3中R值的变化情况可知，在该试验条件下，悬浮液的絮凝过程大致在10min左右已基本完成，絮体粒径已不再增大。
　　高浓度悬浮液的絮凝过程非常迅速，从投药到生成大颗粒的絮凝体一般仅数十秒钟时间，在这样短的时间内用常规的检测方法是难于对其絮凝过程进行仔细研究的，而用透光脉动检测技术则可获得比较满意的结果。仍采用图2所示的试验装置。对于高浓度悬浮液，一般不易测出其絮凝颗粒的粒径，但易于测定其成层沉淀速度（即浑液面沉速）。高浓度悬浮液沉淀时会形成清晰的清、浑水界面，即浑液面。未经絮凝的高浓度悬浮液的浑液面沉速很小，絮凝后高浓度悬浮液的浑液面沉速会显著增大，这是由于水中细小悬浮颗粒絮凝成较大颗粒的缘故，所以浑液面沉速的变化可以反映出高浓度悬浮液的絮凝程度和絮体颗粒粒径的变化情况。试验用高岭土配制的质量浓度为29400mg/L的高浓度悬浮液，投加阳离子型有机高分子絮凝剂（分子量300万），投量为117 mg/L，搅拌速度为120 r/min。试验方法同前。于试验的某一时刻，停止搅拌，使悬浮液静置沉淀，可测定出该时刻的浑液面沉速。多次重复上述试验，可测出不同絮凝时刻浑液面的沉速，结果见图4，与R值的变化情况相对照，可以间接地反映出R值变化与絮凝颗粒粒径变化的相关性。由图可见，R值的变化与高浓度悬浮液絮凝颗粒粒径的变化趋势是一致的，两者相关性良好。

　　由图4中R值的变化，可以看出高浓度悬浮液的絮凝过程比较复杂。在该试验条件下，投药后水中悬浮液的絮凝过程进行得极快，絮凝颗粒粒径迅速增大，但达到峰值后又急剧减小，然后趋于一稳定值。这个峰值的出现，表明高浓度悬浮液絮凝同时存在着聚结和破碎两个过程。当开始絮凝时，聚结过程占优势，絮体粒径不断增大，但絮体的抗剪切能力随着絮体粒径的增大而减弱，所以随着絮体尺寸的增大，破碎速率逐渐增大；当破碎速率增加到与聚结速率相等时，便出现了峰值；峰值以后，破碎过程占优势，破碎速率大于聚结速率，致使絮体粒径不断减小，直至达到与剪切力相应的颗粒尺寸。由图可见，峰值出现在絮凝开始后仅约15s处，表明高浓度悬浮液的絮凝过程于混合阶段已开始进行，事实上已无法将混合和絮凝完全区分开来，这就为高浓度悬浮液的水处理工艺提出了一个新的概念，就是应该把混合和絮凝综合起来考虑，特别是应使剧烈的混合过程在峰值出现以前完成，以免形成的絮体被打碎。这个试验表明，将透光脉动检测技术用于高浓度悬浮液絮凝过程的研究，无疑是非常有效的。
　　污泥处置是环境工程中的重要课题。在污泥调理和脱水过程中一般需投加高分子絮凝剂以改善污泥的脱水等性能。乞今，人们常用毛细管抽滤时间（T_CS）做为指标来评价污泥的脱水性能，但T_CS只能定时取样测定，测定操作费工费时。图5为用透光脉动检测技术监测明矾污泥脱水的结果，试验装置仍如图2，只是搅拌为多层叶片。污泥的固体浓度为0.5～1.0%，絮凝剂为阳离子型有机高分子絮凝剂（分子量300万），投药量为10 mg/L，搅拌速度为700 r/min。由图5可见，随污泥絮凝时间的延续，R值先迅速增大后趋于平稳，而絮凝污泥的T_CS值则先迅速减小然后趋于平稳，可见两者之间存在着良好的相关性。所以也可用R值作为指标来进行污泥脱水性能的研究。
　　试验表明，透光脉动检测技术可用于悬浮固体含量高达100000 mg/L的悬浮液絮凝过程的检测，且不受水质和絮凝药剂种类的影响，所以有广阔的应用前景。

3. 结语

　　透光脉动检测技术，可以连续地检测出絮凝过程的情况，可以用来对絮凝的全过程进行精细的研究，是一种研究絮凝过程的新方法，特别是在用常规方法难于对絮凝的某些特性进行研究时，它便显得更为有效。该技术简便快捷，与其他采样测定的方法相比，可以大大减少试验的工作量。这种技术的信号输出，几乎与絮凝过程同步，可以在试验过程中立刻了解到絮凝过程的变化情况，这个特点对研究者非常可贵。该技术的检测值R，不受透光壁面沾污和光电器件老化漂移的影响，从而使其具有广阔的应用前景。由于透光脉动检测技术采用了流过式的检测方法，所以不仅可用于静态絮凝试验的检测，并且也可用于水处理设备中絮凝情况的在线连续检测，所以它也是一种对絮凝过程的在线控制方法，这方面的研究成果将另文论述。

参考文献

　　1． Gregory J., Nelson D. W. In: Gregory J. （Ed）. A new Optical Method for Flocculation Monitoring. Solid-Liquid Separation, Chichester, UK: Ellis Horwood, 1984: 172—182.
　　2． Gregory J. Journal of Colloid and Interface Science, 1985, 105(2): 357—371.

---

　　注：原刊于《环境科学学报》，1997年，第4期。