李 星　李 虹　李圭白

　　摘　要：介紹了一種全新的光電檢測(cè)方法——透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。它利用懸浮液顆粒組成的隨機(jī)脈動(dòng)變化特性，可以分析和檢測(cè)出懸浮液中顆粒的聚集狀態(tài)及其變化情況。將該檢測(cè)技術(shù)用于水處理中的絮凝過(guò)程的研究，便成為一種非常有效的方法和手段，可適用于高濁度水、低濁度水、工業(yè)廢水和污泥脫水等多種水質(zhì)的絮凝過(guò)程及其影響因素的研究中，具有廣泛的應(yīng)用前景。這種檢測(cè)技術(shù)可進(jìn)行流過(guò)式連續(xù)在線(xiàn)檢測(cè)，不需要進(jìn)行清洗和標(biāo)定，可達(dá)到完全免維護(hù)的程度，為絮凝過(guò)程的研究提供了一種非常獨(dú)特的方法。
　　關(guān)鍵詞：絮凝；透光脈動(dòng)；檢測(cè)技術(shù)。

1. 檢測(cè)原理

　　對(duì)于任何分散均勻的懸浮液，一定體積內(nèi)所含顆粒數(shù)目會(huì)隨著進(jìn)出該體積的隨機(jī)擴(kuò)散而發(fā)生變化，這種變化一般認(rèn)為遵循泊松分布。假設(shè)一定體積內(nèi)的顆粒數(shù)目平均值為N，則在該體積內(nèi)顆粒數(shù)目為K的概率為：

_{P(K)=ex(-N).N^K/K!} （1）

　　根據(jù)泊松分布的性質(zhì)可知，該體積內(nèi)顆粒的實(shí)際數(shù)目在N±2ÖN范圍內(nèi)的概率為95%，顆粒數(shù)的波動(dòng)程度ÖN占平均顆粒數(shù)N的比重為ÖN／N=1／ÖN，可見(jiàn)該體積內(nèi)的平均顆粒數(shù)越少，顆粒數(shù)的波動(dòng)越顯著；相反地，該體積內(nèi)的平均顆粒數(shù)越多，則顆粒數(shù)的波動(dòng)也越小。
　　當(dāng)用一束光線(xiàn)照射流動(dòng)的懸浮液，則受光照的懸浮液體積內(nèi)的顆粒數(shù)就會(huì)遵循上述的變化規(guī)律，這種變化可通過(guò)透過(guò)懸浮液的光線(xiàn)強(qiáng)度的變化反映出來(lái)。如用光敏傳感器將透射光接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，就有可能進(jìn)行分析和處理，得到有效的信息。通過(guò)如圖1（a）所示的裝置，可使檢測(cè)在實(shí)際中得以實(shí)現(xiàn)。在流動(dòng)懸浮液兩側(cè)分別設(shè)置光源和光電檢測(cè)器，則檢測(cè)器的輸出電流（或電壓）值如圖1（b）所示，可將其看成由二部分組成，一部分是相應(yīng)于平均透過(guò)光強(qiáng)的電壓值C_d，另一部分是對(duì)應(yīng)于顆粒數(shù)隨機(jī)變化引起的光強(qiáng)波動(dòng)的脈動(dòng)值C_a。將C_a部分放大，經(jīng)過(guò)函數(shù)計(jì)算后，得到相應(yīng)于反映該脈動(dòng)信號(hào)波動(dòng)程度的電壓值V_R。V_R值與C_d值的比值R就可做為檢測(cè)的有效輸出值。
　　透射過(guò)懸浮液的光強(qiáng)，可根據(jù)朗伯—比爾定律得到：

　　　　　　　　　?、?Ⅰ₀=exp(-τL） （2）

　　式中，I——透射過(guò)懸浮液后的光強(qiáng)；
　　　　　I₀——入射光強(qiáng)；
　　　　　L——透射光路徑長(zhǎng)度；
　　　　　t——懸浮液的濁度。
　　對(duì)于單一粒徑均勻分散的懸浮液，渾濁度可表示為：

　　　　　　　　　τ=nc （3）

　　式中，n——單位體積懸浮液所含顆粒數(shù)目；
　　　　　c——單個(gè)顆粒的散射面積。
　　如果光束的有效截面積為A，則光束內(nèi)平均顆粒數(shù)為：

　　　　　　　　　　Ⅳ=nAL （4）

　　為便于計(jì)算，將式（2）中I和I₀轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值V和V₀，并將式（3）和式（4）代入，則有：

_{Ⅰ/Ⅰ0=V/V0=exp(-N.c/A)} （5）

　　此式為指數(shù)形式，不易直接求得V_R的準(zhǔn)確表達(dá)式，但作一些假設(shè)后，可用V值計(jì)算的結(jié)果近似的代替V_R值。假設(shè)條件：（1）顆粒數(shù)變化遵循泊松分布；（2）光束內(nèi)的顆粒數(shù)在均值上、下一個(gè)均方差（即N±ÖN）范圍內(nèi)波動(dòng)。設(shè)N＋ÖN與N－ÖN之差就是2V_R，則有

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

　　當(dāng)懸浮液濁度較高時(shí)，上式中ÖN·c／A 項(xiàng)通常遠(yuǎn)小于1，則上式可簡(jiǎn)化為：

_{VR=V[(N)^0.5.c/A)} （7）

　　移項(xiàng)后，將式（4）代入，可得R的表達(dá)式^[2]：

_{R=VR/V=(L/A)^1/2.N^1/2.C} （8）

　　對(duì)于非均相懸浮液，設(shè)單位體積內(nèi)散射截面積為c_i的顆粒數(shù)為n_i個(gè)，則

_{R=(L/A)^1/2.(∑ni.ci)^1/2} （9）

　　對(duì)于未絮凝的懸浮液，一般顆粒粒徑很小，雖然顆粒數(shù)量濃度較高，但對(duì)R值的貢獻(xiàn)較小，這時(shí)R值一般都很小。當(dāng)發(fā)生絮凝時(shí)，懸浮液中的細(xì)小顆粒在絮凝劑的作用下聚集成較大的絮凝顆粒，從而使懸浮液的顆粒數(shù)量濃度降低而顆粒散射截面積增大，由于后者對(duì)R值的貢獻(xiàn)較大，便使R值隨絮凝過(guò)程的進(jìn)行明顯增大，即絮凝程度愈大，生成的絮凝顆粒愈大，R值也增大的愈多，所以R值可靈敏地反映懸浮液中顆粒絮凝程度的變化。通過(guò)類(lèi)似的分析可知，R值亦可評(píng)價(jià)懸浮液中平均顆粒粒徑的相對(duì)大小，而不必知道顆粒的任何光學(xué)特性。

2. 檢測(cè)技術(shù)

　　本試驗(yàn)使用的是北京精密單因子科技有限公司制造的FP—2000型絮凝檢測(cè)儀。該儀器由信號(hào)遠(yuǎn)程傳感器和檢測(cè)器兩部分組成，可顯示和輸出R值信號(hào)，如適配記錄儀可將信號(hào)連續(xù)地記錄下來(lái)。

　　當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室研究絮凝過(guò)程時(shí)，一般多采用燒杯試驗(yàn)法。用絮凝檢測(cè)儀對(duì)燒杯中的絮凝過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)（圖2）。試驗(yàn)時(shí)，先將懸浮液裝入燒杯內(nèi)，開(kāi)動(dòng)電機(jī)攪拌水樣（120～150 r/min），等懸浮液攪拌均勻后，用虹吸管將水樣引至傳感器，并啟動(dòng)絮凝檢測(cè)儀和記錄儀，這時(shí)可記錄下未絮凝時(shí)懸浮液的R值。向燒杯內(nèi)加入一定量的絮凝劑溶液，繼續(xù)快速攪拌1～2 min，使藥液與水充分混合，然后降低轉(zhuǎn)速至40～60 r/min，再慢速攪拌2～5 min，停止攪拌使水靜置沉淀，等水沉淀一定時(shí)間后，取液面下的清水，測(cè)定水的濁度，從而完成了一次絮凝試驗(yàn)。這時(shí)，記錄儀已連續(xù)地記錄下從投藥至絮凝反應(yīng)結(jié)束全過(guò)程中R值的變化。
　　為獲得準(zhǔn)確的R的檢測(cè)值，需要燒杯中生成的絮凝體在取樣管中不被打碎，為此需要控制取樣管中水的流速不得過(guò)大，一般以0.05～0.10 m/s為宜。為此，取樣管應(yīng)盡量短些，以縮短水樣由取樣管口流至傳感器的時(shí)間，這也是記錄儀的滯后時(shí)間，應(yīng)在處理記錄資料時(shí)注意修正。
　　需要特別指出的是，這種檢測(cè)技術(shù)有一個(gè)重要特性，即其檢測(cè)值R一般不受透光壁面沾污和光電器件老化的影響。這是由于R是一個(gè)比值，當(dāng)透光壁面遭到沾污和光電器件老化時(shí)，透過(guò)光強(qiáng)的變化對(duì)平均值（比值的分母）和脈動(dòng)值（分子）的影響是相同的，故其比值不受影響。實(shí)驗(yàn)中將光源強(qiáng)度減小到原強(qiáng)度的數(shù)十分之一，這相當(dāng)于透光壁面受?chē)?yán)重到沾污的情況，試驗(yàn)表明檢測(cè)值R確實(shí)不受影響。
　　用圖2所示的系統(tǒng)，可以進(jìn)行絮凝體粒徑與R值相關(guān)性的研究。所用粘土懸浮液濃度為50mg/L，水的pH=7.0，絮凝劑為硫酸鋁（Al₂（SO₄）₃·18H₂O），投藥量為7mg/L。試驗(yàn)從投藥混凝開(kāi)始，連續(xù)記錄R值隨時(shí)間的變化（圖3）。由圖3可見(jiàn)，投藥以前R值甚小，且沒(méi)有變化。投藥以后，R值開(kāi)始迅速增大，直到10min左右增大趨勢(shì)減小，并趨向一穩(wěn)定值。用顯微攝影的方法，可以同時(shí)測(cè)出絮凝顆粒的粒徑。由圖3可見(jiàn)，R值和絮體粒徑的變化趨勢(shì)是完全一致的，即隨著絮凝過(guò)程的進(jìn)行，絮體粒徑隨時(shí)間不斷增大，而R值也相應(yīng)增大，所以R值的變化可以反映出懸浮液的絮凝程度。根據(jù)圖3中R值的變化情況可知，在該試驗(yàn)條件下，懸浮液的絮凝過(guò)程大致在10min左右已基本完成，絮體粒徑已不再增大。
　　高濃度懸浮液的絮凝過(guò)程非常迅速，從投藥到生成大顆粒的絮凝體一般僅數(shù)十秒鐘時(shí)間，在這樣短的時(shí)間內(nèi)用常規(guī)的檢測(cè)方法是難于對(duì)其絮凝過(guò)程進(jìn)行仔細(xì)研究的，而用透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)則可獲得比較滿(mǎn)意的結(jié)果。仍采用圖2所示的試驗(yàn)裝置。對(duì)于高濃度懸浮液，一般不易測(cè)出其絮凝顆粒的粒徑，但易于測(cè)定其成層沉淀速度（即渾液面沉速）。高濃度懸浮液沉淀時(shí)會(huì)形成清晰的清、渾水界面，即渾液面。未經(jīng)絮凝的高濃度懸浮液的渾液面沉速很小，絮凝后高濃度懸浮液的渾液面沉速會(huì)顯著增大，這是由于水中細(xì)小懸浮顆粒絮凝成較大顆粒的緣故，所以渾液面沉速的變化可以反映出高濃度懸浮液的絮凝程度和絮體顆粒粒徑的變化情況。試驗(yàn)用高嶺土配制的質(zhì)量濃度為29400mg/L的高濃度懸浮液，投加陽(yáng)離子型有機(jī)高分子絮凝劑（分子量300萬(wàn)），投量為117 mg/L，攪拌速度為120 r/min。試驗(yàn)方法同前。于試驗(yàn)的某一時(shí)刻，停止攪拌，使懸浮液靜置沉淀，可測(cè)定出該時(shí)刻的渾液面沉速。多次重復(fù)上述試驗(yàn)，可測(cè)出不同絮凝時(shí)刻渾液面的沉速，結(jié)果見(jiàn)圖4，與R值的變化情況相對(duì)照，可以間接地反映出R值變化與絮凝顆粒粒徑變化的相關(guān)性。由圖可見(jiàn)，R值的變化與高濃度懸浮液絮凝顆粒粒徑的變化趨勢(shì)是一致的，兩者相關(guān)性良好。

　　由圖4中R值的變化，可以看出高濃度懸浮液的絮凝過(guò)程比較復(fù)雜。在該試驗(yàn)條件下，投藥后水中懸浮液的絮凝過(guò)程進(jìn)行得極快，絮凝顆粒粒徑迅速增大，但達(dá)到峰值后又急劇減小，然后趨于一穩(wěn)定值。這個(gè)峰值的出現(xiàn)，表明高濃度懸浮液絮凝同時(shí)存在著聚結(jié)和破碎兩個(gè)過(guò)程。當(dāng)開(kāi)始絮凝時(shí)，聚結(jié)過(guò)程占優(yōu)勢(shì)，絮體粒徑不斷增大，但絮體的抗剪切能力隨著絮體粒徑的增大而減弱，所以隨著絮體尺寸的增大，破碎速率逐漸增大；當(dāng)破碎速率增加到與聚結(jié)速率相等時(shí)，便出現(xiàn)了峰值；峰值以后，破碎過(guò)程占優(yōu)勢(shì)，破碎速率大于聚結(jié)速率，致使絮體粒徑不斷減小，直至達(dá)到與剪切力相應(yīng)的顆粒尺寸。由圖可見(jiàn)，峰值出現(xiàn)在絮凝開(kāi)始后僅約15s處，表明高濃度懸浮液的絮凝過(guò)程于混合階段已開(kāi)始進(jìn)行，事實(shí)上已無(wú)法將混合和絮凝完全區(qū)分開(kāi)來(lái)，這就為高濃度懸浮液的水處理工藝提出了一個(gè)新的概念，就是應(yīng)該把混合和絮凝綜合起來(lái)考慮，特別是應(yīng)使劇烈的混合過(guò)程在峰值出現(xiàn)以前完成，以免形成的絮體被打碎。這個(gè)試驗(yàn)表明，將透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)用于高濃度懸浮液絮凝過(guò)程的研究，無(wú)疑是非常有效的。
　　污泥處置是環(huán)境工程中的重要課題。在污泥調(diào)理和脫水過(guò)程中一般需投加高分子絮凝劑以改善污泥的脫水等性能。乞今，人們常用毛細(xì)管抽濾時(shí)間（T_CS）做為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)污泥的脫水性能，但T_CS只能定時(shí)取樣測(cè)定，測(cè)定操作費(fèi)工費(fèi)時(shí)。圖5為用透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)明礬污泥脫水的結(jié)果，試驗(yàn)裝置仍如圖2，只是攪拌為多層葉片。污泥的固體濃度為0.5～1.0%，絮凝劑為陽(yáng)離子型有機(jī)高分子絮凝劑（分子量300萬(wàn)），投藥量為10 mg/L，攪拌速度為700 r/min。由圖5可見(jiàn)，隨污泥絮凝時(shí)間的延續(xù)，R值先迅速增大后趨于平穩(wěn)，而絮凝污泥的T_CS值則先迅速減小然后趨于平穩(wěn)，可見(jiàn)兩者之間存在著良好的相關(guān)性。所以也可用R值作為指標(biāo)來(lái)進(jìn)行污泥脫水性能的研究。
　　試驗(yàn)表明，透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)可用于懸浮固體含量高達(dá)100000 mg/L的懸浮液絮凝過(guò)程的檢測(cè)，且不受水質(zhì)和絮凝藥劑種類(lèi)的影響，所以有廣闊的應(yīng)用前景。

3. 結(jié)語(yǔ)

　　透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，可以連續(xù)地檢測(cè)出絮凝過(guò)程的情況，可以用來(lái)對(duì)絮凝的全過(guò)程進(jìn)行精細(xì)的研究，是一種研究絮凝過(guò)程的新方法，特別是在用常規(guī)方法難于對(duì)絮凝的某些特性進(jìn)行研究時(shí)，它便顯得更為有效。該技術(shù)簡(jiǎn)便快捷，與其他采樣測(cè)定的方法相比，可以大大減少試驗(yàn)的工作量。這種技術(shù)的信號(hào)輸出，幾乎與絮凝過(guò)程同步，可以在試驗(yàn)過(guò)程中立刻了解到絮凝過(guò)程的變化情況，這個(gè)特點(diǎn)對(duì)研究者非常可貴。該技術(shù)的檢測(cè)值R，不受透光壁面沾污和光電器件老化漂移的影響，從而使其具有廣闊的應(yīng)用前景。由于透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)采用了流過(guò)式的檢測(cè)方法，所以不僅可用于靜態(tài)絮凝試驗(yàn)的檢測(cè)，并且也可用于水處理設(shè)備中絮凝情況的在線(xiàn)連續(xù)檢測(cè)，所以它也是一種對(duì)絮凝過(guò)程的在線(xiàn)控制方法，這方面的研究成果將另文論述。

參考文獻(xiàn)

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　　2． Gregory J. Journal of Colloid and Interface Science, 1985, 105(2): 357—371.

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　　注：原刊于《環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)》，1997年，第4期。