于水利 李圭白

　　摘 要：本文對(duì)以流動(dòng)懸濁液的透光率脈動(dòng)值檢測為基礎(chǔ)的光學(xué)絮凝檢測方法進(jìn)行了簡略介紹，并將其用于監(jiān)測各種條件下高濁度水的絮凝過程，進(jìn)而提出一種新的高濁度水絮凝研究方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法簡便、快速、靈敏、可行，且可實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測量。
　　關(guān)鍵詞：高濁度水 絮凝 透光率脈動(dòng)值 試驗(yàn)研究

1．前言

　　高濁度水絮凝研究，過去都是以渾液面沉速為指標(biāo)進(jìn)行的，即以清渾水界面的沉速代表絮凝體的沉速來研究絮凝過程。不過渾液面沉速測定過程復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，特別是當(dāng)高濁度水含沙量較低時(shí)，渾液面模糊不清，難以準(zhǔn)確測量。因此高濁度水絮凝研究非常需要一個(gè)能夠簡捷、快速測量，準(zhǔn)確反映高濁度水絮凝程度的指標(biāo)。
　　用Coulter計(jì)數(shù)器^﹝1﹞或依據(jù)光阻塞原理的Hiac計(jì)數(shù)器以及各種樣的光散射計(jì)數(shù)器來跟蹤高濁度水絮凝過程中粒徑的變化，可以獲得有價(jià)值的資料，不過這些方法都存在問題。例如，在很多情況下須對(duì)水樣進(jìn)行一的稀釋，以避免顆粒重疊的影響，及減少絮凝體在通過Coulter孔口或Hiac計(jì)數(shù)器的檢測區(qū)時(shí)被打碎的可能性。另外這些方法一般測量時(shí)間比較長，并且不能實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測。新近Gregory和Nelson研制了一種新的光學(xué)絮凝檢測裝置^[2]，它是基于流動(dòng)懸濁液的透光率脈動(dòng)值為反映顆粒的聚集程度，與前面提到的光散射計(jì)數(shù)器和Ditter^[1]等人的透光分析方法有本質(zhì)區(qū)別，后者受光照射的水樣體積很小，檢測的是單個(gè)粒子的行為，并需進(jìn)行脈沖高度分析處理。Gregory的方法可以同時(shí)在光路內(nèi)檢測在量顆粒，并且儀器測量、處理的是透過光的脈動(dòng)成份。
　　本文擬對(duì)新型絮凝光學(xué)檢測方法作簡略介紹，而后嘗試用該方法監(jiān)測在各種條件下高濁度水的絮凝過程，試圖提出一種新的高濁度水絮凝研究方法。

2．絮凝光學(xué)檢測原理

　　取樣管（透明）以一定的流速投取待測水樣，一狹窄光束照射取樣管的橫斷面，透過光由光敏元件檢測。由于懸濁液中顆粒分布的不均勻性再加上自身存在的布朗運(yùn)動(dòng)，所以光路內(nèi)顆粒數(shù)目是隨機(jī)變化的（可用泊松分布描述^[3]）使透光強(qiáng)度也產(chǎn)生機(jī)波動(dòng)，引起相應(yīng)電壓信號(hào)的隨機(jī)波動(dòng)（檢測儀作光電轉(zhuǎn)換）。水樣中濁質(zhì)顆粒的這種變化，通常用電壓。
　　此文曾刊載于1996年第3期的《給水排水》雜志波動(dòng)值的均方根反映。故絮凝檢測儀有二個(gè)輸出值，一個(gè)是脈動(dòng)電壓的均方根（V_R）；另一個(gè)是V_R與其相應(yīng)的直流電壓V的比值R（V_R/V）。后一下指標(biāo)R的意義在于它的大小基本不受光學(xué)表面污染及電子漂移的影響，因?yàn)檫@兩項(xiàng)對(duì)V_R和V有幾乎相同的影響。這在實(shí)際應(yīng)用中意義很大，因?yàn)樗幚碇校庸苁芪廴竞車?yán)重。
　　比值R與濁質(zhì)顆粒的個(gè)數(shù)濃度、尺寸及光路內(nèi)水樣體積有關(guān)，對(duì)非單一粒徑組成的懸濁，R值表達(dá)式為^[3]。



　　式中：L─光路（cm）；
　　　　 A─光柱的效橫斷面面積（cm²）；
　　　　 N──光散射橫斷面以C_i的顆粒個(gè)數(shù)濃度（1/cm³）；
　　（１）式中，對(duì)特定的檢測儀而言，L、A是常數(shù)，這時(shí)R值只跟N_i，C_i有關(guān)，而C_i隨顆粒的大小、形式變化。對(duì)于某水樣而方，濁質(zhì)顆粒凝聚時(shí)，顆粒數(shù)目（N_i）減小，粒徑增大，顆粒光散射截面（C_i）增大，這兩種變化對(duì)R值是相反的，但綜合結(jié)果仍然是R值隨著顆粒的凝聚迅速增大，因?yàn)轭w粒個(gè)數(shù)濃度的變化比聚集狀態(tài)的變化對(duì)R值的影響要小得多（參見式1）。高濁度水絮凝處理中，形成的絮凝體相對(duì)比較粗大，是必R值可以有效和靈敏地反映其變化過程。

3．實(shí)驗(yàn)方法簡介

　　高濁度水絮凝是在190×190×250mm的方槽中進(jìn)行的（見圖1）。試驗(yàn)時(shí)取6．8L高濁度水水樣于如凝槽內(nèi)，加一定量的絮凝劑，以一定的G值及其分布使高濁度水絮凝，自水面下100mm處吸取水樣至絮凝檢測儀進(jìn)行檢測，取樣流速0．094m/s。絮凝檢測儀系英國RANKBROTHERS LTD出品。
　　檢測值R直接在檢測儀的數(shù)碼板上顯示，記錄儀同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行記錄。渾液面沉速直接在絮凝槽中測定，方法是對(duì)某高濁度水水樣進(jìn)行絮凝時(shí)，在某時(shí)刻停止攪拌，記下此時(shí)R值，同時(shí)開始沉降歷時(shí)曲線（H～t曲線），求渾液面沉速。
　　試驗(yàn)水樣系哈爾濱市自來水和蘭州自來水公司一水廠輻沉池自然沉淀積泥配制而成。母液含沙量100．6kg/m³，D₅₀＝0．008mm，D₉₀＝0．035mm，試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行稀釋。
　　絮凝劑使用陰離子型聚丙衡酰胺（3^＃），水解度30％，分子量大于300萬。配制的溶液濃度為0．1％（SW／LW），投加時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行稀釋。

4．R值與渾液面沉速的相關(guān)性

　　按上述方法進(jìn)行高濁度水的絮凝試驗(yàn)，同時(shí)測定R值和渾液面沉速。控制條件為每組試驗(yàn)只測定最大R值（峰值）及其相應(yīng)的渾液面沉速。對(duì)含沙量為30，40，60，70kg/m³，的高濁度水分別進(jìn)行了試驗(yàn)。對(duì)相同含沙量通過改變投藥量來獲得R_max及其相應(yīng)的渾液面沉速。試驗(yàn)時(shí)G為46s^-1(80r/min)，水溫13．5℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖2。

　　結(jié)果表明，含沙量相同的高濁度水，R值跟渾液面沉速正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0．975～0．998；含沙量不同時(shí)，相關(guān)性變差。當(dāng)含沙量相同時(shí)，R值和渾液面沉速一樣可以很好地反映高濁水的絮凝程度。當(dāng)含沙量不同時(shí)，圖3中的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)較散亂，可能由于泥沙濃度對(duì)渾液面沉速產(chǎn)生了影響。

5．高濁度水不同絮凝條件R值的變化

　　高濁度水絮凝，當(dāng)投藥量超過起動(dòng)劑量后，在很大投量范圍內(nèi)，投藥量越大絮凝效果越好，渾液面沉速越大。圖3（a）是用絮凝檢測儀含沙量為34kg/m³，投藥量分別為0．68，1．02，1．36，1．71，1．87mg/L的高濁度水絮凝過程得到的R值隨絮凝時(shí)間的變化情況。試驗(yàn)時(shí)的水溫13．5℃，控制G值62s^-1。試驗(yàn)結(jié)果表明，高濁度水加藥后，R值迅速增大，經(jīng)過20多S后達(dá)到最大值，之后開始減小，最后趨于穩(wěn)定。加藥初期以絮凝為主，顆粒不斷成長，隨著絮凝體的增大，破碎作用加劇，當(dāng)絮凝體的增長和破碎達(dá)到某種平衡，R值趨于穩(wěn)定。投藥量愈大，R值愈大，最大投藥量時(shí)的最大R值是最小投量的近7倍（1．3～8．8）。說明高濁度水的絮凝程度隨投藥增加而提高。
　　圖3（b）、（c）是對(duì)含沙量為45．2kg/m³，投藥量分別為1．35mg/L和0．88mg/L的高濁度水絮凝時(shí)，混合時(shí)間不同，R值絮凝時(shí)間的變化情況。試驗(yàn)時(shí)水溫13．5℃。
　　混合時(shí)G1＝106s^－1，反應(yīng)時(shí)G2＝23s^－1。圖中試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)混合時(shí)間小于5s時(shí)，R值隨混合時(shí)間增大，當(dāng)混合時(shí)間小于5s時(shí)，隨混合時(shí)間增長，R值減小。即在其它條件一定的條件，高濁度水絮凝存在一個(gè)最佳混合時(shí)間，此時(shí)得到的絮凝體最大。因?yàn)榛旌蠒r(shí)間若太短，絮凝劑不能在水樣中均勻混合，其絮凝作用不能充分發(fā)揮；反之若混合時(shí)間太長，易把已成長的絮凝體破碎，圖3（c）的規(guī)律跟圖4（b）相似，只是由于投藥量小，R值相就減小。
　　圖3（b）是在其它條件一定的情況下，改變投藥濃度時(shí)，用絮凝檢測高濁度水絮凝過程得到的結(jié)果。試驗(yàn)水樣含沙量45．2mg/m³,混合時(shí)G1＝62S-1,混合時(shí)間10s；反應(yīng)時(shí)G₂＝23s^－1，3^＃投量2．64mg/L，水溫14．5℃，藥劑投加濃度0．5～0．002％。　　圖3（d）表明，相同條件下，絮凝劑投加濃度愈小。R值愈大，R值愈大，反之R值愈小。高濁度水中泥沙濃度,藥劑難以分散，降低藥劑的濃度后，藥液粘性減小，體積增大，有利于其在高濁度水中均勻分散，其絮凝功交發(fā)揮充分。對(duì)含沙量較小的水樣，藥劑投加濃度對(duì)R值影響較小。上述試驗(yàn)結(jié)果與已有結(jié)論相吻合。

6．結(jié)論

　　絮凝檢測儀用于監(jiān)測高濁度水的絮凝過程，是極其靈敏和有效的。相同含沙量的高濁度水，檢測值R與渾液面沉速正相關(guān)，含沙量不同時(shí)，雖然相關(guān)性變差，但總的趨勢仍是R值增大渾液面沉速提高，故R值同渾液面沉速一樣都可以很好反映高濁度水的絮凝程度，是高濁度水絮凝研究的重要指標(biāo)。R值可以有效地批示出各種因素對(duì)高濁度水絮凝效果的影響情況，并且絮凝檢測儀簡便、快速、可行，可實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 于水利，《高濁度水絮凝投藥控制方法研究》，哈爾濱建筑大學(xué)博士論文，1993。
　　[2] RANK BROTHERS LTD . “Photometic Dispersion Analyser PDA 2000 OPERTATING MANUAL”.
　　[3] Gregory J.Turbidity flctuations in flowing suspensions[J]. J.Colloid Interface Sci.,1985,105(2):357-371.