于水利 李圭白

　　摘 要：本文對以流動懸濁液的透光率脈動值檢測為基礎的光學絮凝檢測方法進行了簡略介紹，并將其用于監測各種條件下高濁度水的絮凝過程，進而提出一種新的高濁度水絮凝研究方法。實驗結果表明，該方法簡便、快速、靈敏、可行，且可實現在線連續測量。
　　關鍵詞：高濁度水 絮凝 透光率脈動值 試驗研究

1．前言

　　高濁度水絮凝研究，過去都是以渾液面沉速為指標進行的，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雜，費時費力，特別是當高濁度水含沙量較低時，渾液面模糊不清，難以準確測量。因此高濁度水絮凝研究非常需要一個能夠簡捷、快速測量，準確反映高濁度水絮凝程度的指標。
　　用Coulter計數器^﹝1﹞或依據光阻塞原理的Hiac計數器以及各種樣的光散射計數器來跟蹤高濁度水絮凝過程中粒徑的變化，可以獲得有價值的資料，不過這些方法都存在問題。例如，在很多情況下須對水樣進行一的稀釋，以避免顆粒重疊的影響，及減少絮凝體在通過Coulter孔口或Hiac計數器的檢測區時被打碎的可能性。另外這些方法一般測量時間比較長，并且不能實現在線連續檢測。新近Gregory和Nelson研制了一種新的光學絮凝檢測裝置^[2]，它是基于流動懸濁液的透光率脈動值為反映顆粒的聚集程度，與前面提到的光散射計數器和Ditter^[1]等人的透光分析方法有本質區別，后者受光照射的水樣體積很小，檢測的是單個粒子的行為，并需進行脈沖高度分析處理。Gregory的方法可以同時在光路內檢測在量顆粒，并且儀器測量、處理的是透過光的脈動成份。
　　本文擬對新型絮凝光學檢測方法作簡略介紹，而后嘗試用該方法監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動，所以光路內顆粒數目是隨機變化的（可用泊松分布描述^[3]）使透光強度也產生機波動，引起相應電壓信號的隨機波動（檢測儀作光電轉換）。水樣中濁質顆粒的這種變化，通常用電壓。
　　此文曾刊載于1996年第3期的《給水排水》雜志波動值的均方根反映。故絮凝檢測儀有二個輸出值，一個是脈動電壓的均方根（V_R）；另一個是V_R與其相應的直流電壓V的比值R（V_R/V）。后一下指標R的意義在于它的大小基本不受光學表面污染及電子漂移的影響，因為這兩項對V_R和V有幾乎相同的影響。這在實際應用中意義很大，因為水處理中，取樣管受污染很嚴重。
　　比值R與濁質顆粒的個數濃度、尺寸及光路內水樣體積有關，對非單一粒徑組成的懸濁，R值表達式為^[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的顆粒個數濃度（1/cm³）；
　　（１）式中，對特定的檢測儀而言，L、A是常數，這時R值只跟N_i，C_i有關，而C_i隨顆粒的大小、形式變化。對于某水樣而方，濁質顆粒凝聚時，顆粒數目（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R值是相反的，但綜合結果仍然是R值隨著顆粒的凝聚迅速增大，因為顆粒個數濃度的變化比聚集狀態的變化對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．實驗方法簡介

　　高濁度水絮凝是在190×190×250mm的方槽中進行的（見圖1）。試驗時取6．8L高濁度水水樣于如凝槽內，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直接在檢測儀的數碼板上顯示，記錄儀同時自動進行記錄。渾液面沉速直接在絮凝槽中測定，方法是對某高濁度水水樣進行絮凝時，在某時刻停止攪拌，記下此時R值，同時開始沉降歷時曲線（H～t曲線），求渾液面沉速。
　　試驗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，試驗時可根據需要進行稀釋。
　　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），投加時可根據需要進行稀釋。

4．R值與渾液面沉速的相關性

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

　　結果表明，含沙量相同的高濁度水，R值跟渾液面沉速正相關，相關系數為0．975～0．998；含沙量不同時，相關性變差。當含沙量相同時，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。當含沙量不同時，圖3中的實驗點較散亂，可能由于泥沙濃度對渾液面沉速產生了影響。

5．高濁度水不同絮凝條件R值的變化

　　高濁度水絮凝，當投藥量超過起動劑量后，在很大投量范圍內，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值隨絮凝時間的變化情況。試驗時的水溫13．5℃，控制G值62s^-1。試驗結果表明，高濁度水加藥后，R值迅速增大，經過20多S后達到最大值，之后開始減小，最后趨于穩定。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，當絮凝體的增長和破碎達到某種平衡，R值趨于穩定。投藥量愈大，R值愈大，最大投藥量時的最大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，混合時間不同，R值絮凝時間的變化情況。試驗時水溫13．5℃。
　　混合時G1＝106s^－1，反應時G2＝23s^－1。圖中試驗結果表明，當混合時間小于5s時，R值隨混合時間增大，當混合時間小于5s時，隨混合時間增長，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最佳混合時間，此時得到的絮凝體最大。因為混合時間若太短，絮凝劑不能在水樣中均勻混合，其絮凝作用不能充分發揮；反之若混合時間太長，易把已成長的絮凝體破碎，圖3（c）的規律跟圖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，用絮凝檢測高濁度水絮凝過程得到的結果。試驗水樣含沙量45．2mg/m³,混合時G1＝62S-1,混合時間10s；反應時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，其絮凝功交發揮充分。對含沙量較小的水樣，藥劑投加濃度對R值影響較小。上述試驗結果與已有結論相吻合。

6．結論

　　絮凝檢測儀用于監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，含沙量不同時，雖然相關性變差，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。R值可以有效地批示出各種因素對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，可實現在線連續檢測。

參考文獻

　　[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.