高浊度水透光率脉动絮凝研究方法初探

于水利 李圭白

　　摘 要：本文对以流动悬浊液的透光率脉动值检测为基础的光学絮凝检测方法进行了简略介绍，并将其用于监测各种条件下高浊度水的絮凝过程，进而提出一种新的高浊度水絮凝研究方法。实验结果表明，该方法简便、快速、灵敏、可行，且可实现在线连续测量。
　　关键词：高浊度水 絮凝 透光率脉动值 试验研究

1．前言

　　高浊度水絮凝研究，过去都是以浑液面沉速为指标进行的，即以清浑水界面的沉速代表絮凝体的沉速来研究絮凝过程。不过浑液面沉速测定过程复杂，费时费力，特别是当高浊度水含沙量较低时，浑液面模糊不清，难以准确测量。因此高浊度水絮凝研究非常需要一个能够简捷、快速测量，准确反映高浊度水絮凝程度的指标。
　　用Coulter计数器^﹝1﹞或依据光阻塞原理的Hiac计数器以及各种样的光散射计数器来跟踪高浊度水絮凝过程中粒径的变化，可以获得有价值的资料，不过这些方法都存在问题。例如，在很多情况下须对水样进行一的稀释，以避免颗粒重叠的影响，及减少絮凝体在通过Coulter孔口或Hiac计数器的检测区时被打碎的可能性。另外这些方法一般测量时间比较长，并且不能实现在线连续检测。新近Gregory和Nelson研制了一种新的光学絮凝检测装置^[2]，它是基于流动悬浊液的透光率脉动值为反映颗粒的聚集程度，与前面提到的光散射计数器和Ditter^[1]等人的透光分析方法有本质区别，后者受光照射的水样体积很小，检测的是单个粒子的行为，并需进行脉冲高度分析处理。Gregory的方法可以同时在光路内检测在量颗粒，并且仪器测量、处理的是透过光的脉动成份。
　　本文拟对新型絮凝光学检测方法作简略介绍，而后尝试用该方法监测在各种条件下高浊度水的絮凝过程，试图提出一种新的高浊度水絮凝研究方法。

2．絮凝光学检测原理

　　取样管（透明）以一定的流速投取待测水样，一狭窄光束照射取样管的横断面，透过光由光敏元件检测。由于悬浊液中颗粒分布的不均匀性再加上自身存在的布朗运动，所以光路内颗粒数目是随机变化的（可用泊松分布描述^[3]）使透光强度也产生机波动，引起相应电压信号的随机波动（检测仪作光电转换）。水样中浊质颗粒的这种变化，通常用电压。
　　此文曾刊载于1996年第3期的《给水排水》杂志波动值的均方根反映。故絮凝检测仪有二个输出值，一个是脉动电压的均方根（V_R）；另一个是V_R与其相应的直流电压V的比值R（V_R/V）。后一下指标R的意义在于它的大小基本不受光学表面污染及电子漂移的影响，因为这两项对V_R和V有几乎相同的影响。这在实际应用中意义很大，因为水处理中，取样管受污染很严重。
　　比值R与浊质颗粒的个数浓度、尺寸及光路内水样体积有关，对非单一粒径组成的悬浊，R值表达式为^[3]。



　　式中：L─光路（cm）；
　　　　 A─光柱的效横断面面积（cm²）；
　　　　 N──光散射横断面以C_i的颗粒个数浓度（1/cm³）；
　　（１）式中，对特定的检测仪而言，L、A是常数，这时R值只跟N_i，C_i有关，而C_i随颗粒的大小、形式变化。对于某水样而方，浊质颗粒凝聚时，颗粒数目（N_i）减小，粒径增大，颗粒光散射截面（C_i）增大，这两种变化对R值是相反的，但综合结果仍然是R值随着颗粒的凝聚迅速增大，因为颗粒个数浓度的变化比聚集状态的变化对R值的影响要小得多（参见式1）。高浊度水絮凝处理中，形成的絮凝体相对比较粗大，是必R值可以有效和灵敏地反映其变化过程。

3．实验方法简介

　　高浊度水絮凝是在190×190×250mm的方槽中进行的（见图1）。试验时取6．8L高浊度水水样于如凝槽内，加一定量的絮凝剂，以一定的G值及其分布使高浊度水絮凝，自水面下100mm处吸取水样至絮凝检测仪进行检测，取样流速0．094m/s。絮凝检测仪系英国RANKBROTHERS LTD出品。
　　检测值R直接在检测仪的数码板上显示，记录仪同时自动进行记录。浑液面沉速直接在絮凝槽中测定，方法是对某高浊度水水样进行絮凝时，在某时刻停止搅拌，记下此时R值，同时开始沉降历时曲线（H～t曲线），求浑液面沉速。
　　试验水样系哈尔滨市自来水和兰州自来水公司一水厂辐沉池自然沉淀积泥配制而成。母液含沙量100．6kg/m³，D₅₀＝0．008mm，D₉₀＝0．035mm，试验时可根据需要进行稀释。
　　絮凝剂使用阴离子型聚丙衡酰胺（3^＃），水解度30％，分子量大于300万。配制的溶液浓度为0．1％（SW／LW），投加时可根据需要进行稀释。

4．R值与浑液面沉速的相关性

　　按上述方法进行高浊度水的絮凝试验，同时测定R值和浑液面沉速。控制条件为每组试验只测定最大R值（峰值）及其相应的浑液面沉速。对含沙量为30，40，60，70kg/m³，的高浊度水分别进行了试验。对相同含沙量通过改变投药量来获得R_max及其相应的浑液面沉速。试验时G为46s^-1(80r/min)，水温13．5℃。实验结果示于图2。

　　结果表明，含沙量相同的高浊度水，R值跟浑液面沉速正相关，相关系数为0．975～0．998；含沙量不同时，相关性变差。当含沙量相同时，R值和浑液面沉速一样可以很好地反映高浊水的絮凝程度。当含沙量不同时，图3中的实验点较散乱，可能由于泥沙浓度对浑液面沉速产生了影响。

5．高浊度水不同絮凝条件R值的变化

　　高浊度水絮凝，当投药量超过起动剂量后，在很大投量范围内，投药量越大絮凝效果越好，浑液面沉速越大。图3（a）是用絮凝检测仪含沙量为34kg/m³，投药量分别为0．68，1．02，1．36，1．71，1．87mg/L的高浊度水絮凝过程得到的R值随絮凝时间的变化情况。试验时的水温13．5℃，控制G值62s^-1。试验结果表明，高浊度水加药后，R值迅速增大，经过20多S后达到最大值，之后开始减小，最后趋于稳定。加药初期以絮凝为主，颗粒不断成长，随着絮凝体的增大，破碎作用加剧，当絮凝体的增长和破碎达到某种平衡，R值趋于稳定。投药量愈大，R值愈大，最大投药量时的最大R值是最小投量的近7倍（1．3～8．8）。说明高浊度水的絮凝程度随投药增加而提高。
　　图3（b）、（c）是对含沙量为45．2kg/m³，投药量分别为1．35mg/L和0．88mg/L的高浊度水絮凝时，混合时间不同，R值絮凝时间的变化情况。试验时水温13．5℃。
　　混合时G1＝106s^－1，反应时G2＝23s^－1。图中试验结果表明，当混合时间小于5s时，R值随混合时间增大，当混合时间小于5s时，随混合时间增长，R值减小。即在其它条件一定的条件，高浊度水絮凝存在一个最佳混合时间，此时得到的絮凝体最大。因为混合时间若太短，絮凝剂不能在水样中均匀混合，其絮凝作用不能充分发挥；反之若混合时间太长，易把已成长的絮凝体破碎，图3（c）的规律跟图4（b）相似，只是由于投药量小，R值相就减小。
　　图3（b）是在其它条件一定的情况下，改变投药浓度时，用絮凝检测高浊度水絮凝过程得到的结果。试验水样含沙量45．2mg/m³,混合时G1＝62S-1,混合时间10s；反应时G₂＝23s^－1，3^＃投量2．64mg/L，水温14．5℃，药剂投加浓度0．5～0．002％。　　图3（d）表明，相同条件下，絮凝剂投加浓度愈小。R值愈大，R值愈大，反之R值愈小。高浊度水中泥沙浓度,药剂难以分散，降低药剂的浓度后，药液粘性减小，体积增大，有利于其在高浊度水中均匀分散，其絮凝功交发挥充分。对含沙量较小的水样，药剂投加浓度对R值影响较小。上述试验结果与已有结论相吻合。

6．结论

　　絮凝检测仪用于监测高浊度水的絮凝过程，是极其灵敏和有效的。相同含沙量的高浊度水，检测值R与浑液面沉速正相关，含沙量不同时，虽然相关性变差，但总的趋势仍是R值增大浑液面沉速提高，故R值同浑液面沉速一样都可以很好反映高浊度水的絮凝程度，是高浊度水絮凝研究的重要指标。R值可以有效地批示出各种因素对高浊度水絮凝效果的影响情况，并且絮凝检测仪简便、快速、可行，可实现在线连续检测。

参考文献

　　[1] 于水利，《高浊度水絮凝投药控制方法研究》，哈尔滨建筑大学博士论文，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.