李 星　李 虹　李圭白

　　摘　要：介紹了一種全新的光電檢測方法——透光脈動檢測技術。它利用懸浮液顆粒組成的隨機脈動變化特性，可以分析和檢測出懸浮液中顆粒的聚集狀態及其變化情況。將該檢測技術用于水處理中的絮凝過程的研究，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、工業廢水和污泥脫水等多種水質的絮凝過程及其影響因素的研究中，具有廣泛的應用前景。這種檢測技術可進行流過式連續在線檢測，不需要進行清洗和標定，可達到完全免維護的程度，為絮凝過程的研究提供了一種非常獨特的方法。
　　關鍵詞：絮凝；透光脈動；檢測技術。

1. 檢測原理

　　對于任何分散均勻的懸浮液，一定體積內所含顆粒數目會隨著進出該體積的隨機擴散而發生變化，這種變化一般認為遵循泊松分布。假設一定體積內的顆粒數目平均值為N，則在該體積內顆粒數目為K的概率為：

_{P(K)=ex(-N).N^K/K!} （1）

　　根據泊松分布的性質可知，該體積內顆粒的實際數目在N±2ÖN范圍內的概率為95%，顆粒數的波動程度ÖN占平均顆粒數N的比重為ÖN／N=1／ÖN，可見該體積內的平均顆粒數越少，顆粒數的波動越顯著；相反地，該體積內的平均顆粒數越多，則顆粒數的波動也越小。
　　當用一束光線照射流動的懸浮液，則受光照的懸浮液體積內的顆粒數就會遵循上述的變化規律，這種變化可通過透過懸浮液的光線強度的變化反映出來。如用光敏傳感器將透射光接收，并轉換成電信號，就有可能進行分析和處理，得到有效的信息。通過如圖1（a）所示的裝置，可使檢測在實際中得以實現。在流動懸浮液兩側分別設置光源和光電檢測器，則檢測器的輸出電流（或電壓）值如圖1（b）所示，可將其看成由二部分組成，一部分是相應于平均透過光強的電壓值C_d，另一部分是對應于顆粒數隨機變化引起的光強波動的脈動值C_a。將C_a部分放大，經過函數計算后，得到相應于反映該脈動信號波動程度的電壓值V_R。V_R值與C_d值的比值R就可做為檢測的有效輸出值。
　　透射過懸浮液的光強，可根據朗伯—比爾定律得到：

　　　　　　　　　　Ⅰ=Ⅰ₀=exp(-τL） （2）

　　式中，I——透射過懸浮液后的光強；
　　　　　I₀——入射光強；
　　　　　L——透射光路徑長度；
　　　　　t——懸浮液的濁度。
　　對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目；
　　　　　c——單個顆粒的散射面積。
　　如果光束的有效截面積為A，則光束內平均顆粒數為：

　　　　　　　　　　Ⅳ=nAL （4）

　　為便于計算，將式（2）中I和I₀轉換成相應的電壓值V和V₀，并將式（3）和式（4）代入，則有：

_{Ⅰ/Ⅰ0=V/V0=exp(-N.c/A)} （5）

　　此式為指數形式，不易直接求得V_R的準確表達式，但作一些假設后，可用V值計算的結果近似的代替V_R值。假設條件：（1）顆粒數變化遵循泊松分布；（2）光束內的顆粒數在均值上、下一個均方差（即N±ÖN）范圍內波動。設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）

　　當懸浮液濁度較高時，上式中ÖN·c／A 項通常遠小于1，則上式可簡化為：

_{VR=V[(N)^0.5.c/A)} （7）

　　移項后，將式（4）代入，可得R的表達式^[2]：

_{R=VR/V=(L/A)^1/2.N^1/2.C} （8）

　　對于非均相懸浮液，設單位體積內散射截面積為c_i的顆粒數為n_i個，則

_{R=(L/A)^1/2.(∑ni.ci)^1/2} （9）

　　對于未絮凝的懸浮液，一般顆粒粒徑很小，雖然顆粒數量濃度較高，但對R值的貢獻較小，這時R值一般都很小。當發生絮凝時，懸浮液中的細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量濃度降低而顆粒散射截面積增大，由于后者對R值的貢獻較大，便使R值隨絮凝過程的進行明顯增大，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。通過類似的分析可知，R值亦可評價懸浮液中平均顆粒粒徑的相對大小，而不必知道顆粒的任何光學特性。

2. 檢測技術

　　本試驗使用的是北京精密單因子科技有限公司制造的FP—2000型絮凝檢測儀。該儀器由信號遠程傳感器和檢測器兩部分組成，可顯示和輸出R值信號，如適配記錄儀可將信號連續地記錄下來。

　　當在實驗室研究絮凝過程時，一般多采用燒杯試驗法。用絮凝檢測儀對燒杯中的絮凝過程進行檢測（圖2）。試驗時，先將懸浮液裝入燒杯內，開動電機攪拌水樣（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，并啟動絮凝檢測儀和記錄儀，這時可記錄下未絮凝時懸浮液的R值。向燒杯內加入一定量的絮凝劑溶液，繼續快速攪拌1～2 min，使藥液與水充分混合，然后降低轉速至40～60 r/min，再慢速攪拌2～5 min，停止攪拌使水靜置沉淀，等水沉淀一定時間后，取液面下的清水，測定水的濁度，從而完成了一次絮凝試驗。這時，記錄儀已連續地記錄下從投藥至絮凝反應結束全過程中R值的變化。
　　為獲得準確的R的檢測值，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大，一般以0.05～0.10 m/s為宜。為此，取樣管應盡量短些，以縮短水樣由取樣管口流至傳感器的時間，這也是記錄儀的滯后時間，應在處理記錄資料時注意修正。
　　需要特別指出的是，這種檢測技術有一個重要特性，即其檢測值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是一個比值，當透光壁面遭到沾污和光電器件老化時，透過光強的變化對平均值（比值的分母）和脈動值（分子）的影響是相同的，故其比值不受影響。實驗中將光源強度減小到原強度的數十分之一，這相當于透光壁面受嚴重到沾污的情況，試驗表明檢測值R確實不受影響。
　　用圖2所示的系統，可以進行絮凝體粒徑與R值相關性的研究。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。試驗從投藥混凝開始，連續記錄R值隨時間的變化（圖3）。由圖3可見，投藥以前R值甚小，且沒有變化。投藥以后，R值開始迅速增大，直到10min左右增大趨勢減小，并趨向一穩定值。用顯微攝影的方法，可以同時測出絮凝顆粒的粒徑。由圖3可見，R值和絮體粒徑的變化趨勢是完全一致的，即隨著絮凝過程的進行，絮體粒徑隨時間不斷增大，而R值也相應增大，所以R值的變化可以反映出懸浮液的絮凝程度。根據圖3中R值的變化情況可知，在該試驗條件下，懸浮液的絮凝過程大致在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程非常迅速，從投藥到生成大顆粒的絮凝體一般僅數十秒鐘時間，在這樣短的時間內用常規的檢測方法是難于對其絮凝過程進行仔細研究的，而用透光脈動檢測技術則可獲得比較滿意的結果。仍采用圖2所示的試驗裝置。對于高濃度懸浮液，一般不易測出其絮凝顆粒的粒徑，但易于測定其成層沉淀速度（即渾液面沉速）。高濃度懸浮液沉淀時會形成清晰的清、渾水界面，即渾液面。未經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顯著增大，這是由于水中細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。試驗用高嶺土配制的質量濃度為29400mg/L的高濃度懸浮液，投加陽離子型有機高分子絮凝劑（分子量300萬），投量為117 mg/L，攪拌速度為120 r/min。試驗方法同前。于試驗的某一時刻，停止攪拌，使懸浮液靜置沉淀，可測定出該時刻的渾液面沉速。多次重復上述試驗，可測出不同絮凝時刻渾液面的沉速，結果見圖4，與R值的變化情況相對照，可以間接地反映出R值變化與絮凝顆粒粒徑變化的相關性。由圖可見，R值的變化與高濃度懸浮液絮凝顆粒粒徑的變化趨勢是一致的，兩者相關性良好。

　　由圖4中R值的變化，可以看出高濃度懸浮液的絮凝過程比較復雜。在該試驗條件下，投藥后水中懸浮液的絮凝過程進行得極快，絮凝顆粒粒徑迅速增大，但達到峰值后又急劇減小，然后趨于一穩定值。這個峰值的出現，表明高濃度懸浮液絮凝同時存在著聚結和破碎兩個過程。當開始絮凝時，聚結過程占優勢，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；當破碎速率增加到與聚結速率相等時，便出現了峰值；峰值以后，破碎過程占優勢，破碎速率大于聚結速率，致使絮體粒徑不斷減小，直至達到與剪切力相應的顆粒尺寸。由圖可見，峰值出現在絮凝開始后僅約15s處，表明高濃度懸浮液的絮凝過程于混合階段已開始進行，事實上已無法將混合和絮凝完全區分開來，這就為高濃度懸浮液的水處理工藝提出了一個新的概念，就是應該把混合和絮凝綜合起來考慮，特別是應使劇烈的混合過程在峰值出現以前完成，以免形成的絮體被打碎。這個試驗表明，將透光脈動檢測技術用于高濃度懸浮液絮凝過程的研究，無疑是非常有效的。
　　污泥處置是環境工程中的重要課題。在污泥調理和脫水過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，人們常用毛細管抽濾時間（T_CS）做為指標來評價污泥的脫水性能，但T_CS只能定時取樣測定，測定操作費工費時。圖5為用透光脈動檢測技術監測明礬污泥脫水的結果，試驗裝置仍如圖2，只是攪拌為多層葉片。污泥的固體濃度為0.5～1.0%，絮凝劑為陽離子型有機高分子絮凝劑（分子量300萬），投藥量為10 mg/L，攪拌速度為700 r/min。由圖5可見，隨污泥絮凝時間的延續，R值先迅速增大后趨于平穩，而絮凝污泥的T_CS值則先迅速減小然后趨于平穩，可見兩者之間存在著良好的相關性。所以也可用R值作為指標來進行污泥脫水性能的研究。
　　試驗表明，透光脈動檢測技術可用于懸浮固體含量高達100000 mg/L的懸浮液絮凝過程的檢測，且不受水質和絮凝藥劑種類的影響，所以有廣闊的應用前景。

3. 結語

　　透光脈動檢測技術，可以連續地檢測出絮凝過程的情況，可以用來對絮凝的全過程進行精細的研究，是一種研究絮凝過程的新方法，特別是在用常規方法難于對絮凝的某些特性進行研究時，它便顯得更為有效。該技術簡便快捷，與其他采樣測定的方法相比，可以大大減少試驗的工作量。這種技術的信號輸出，幾乎與絮凝過程同步，可以在試驗過程中立刻了解到絮凝過程的變化情況，這個特點對研究者非常可貴。該技術的檢測值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用前景。由于透光脈動檢測技術采用了流過式的檢測方法，所以不僅可用于靜態絮凝試驗的檢測，并且也可用于水處理設備中絮凝情況的在線連續檢測，所以它也是一種對絮凝過程的在線控制方法，這方面的研究成果將另文論述。

參考文獻

　　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.

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　　注：原刊于《環境科學學報》，1997年，第4期。