朱哲（石家莊市環(huán)境科學(xué)研究院 石家莊 050022）

一、引言

絮體強(qiáng)度是水處理固液分離過程的重要控制參數(shù)。當(dāng)加于絮體表面的剪切力大于絮體的強(qiáng)度時(shí)，絮體將發(fā)生破碎。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于構(gòu)筑物可能存在局部的強(qiáng)剪切力，絮體破碎很難避免。這些局部強(qiáng)剪切的區(qū)域包括氣浮池中溶氣釋放區(qū)、構(gòu)筑物的堰板及泵本身等。絮體破碎成小的絮體后，將大大降低水處理效率。因此，深入研究絮體強(qiáng)度對(duì)提高水處理系統(tǒng)效率有著十分重要的意義。

二、絮體的形成與破碎

絮體的形成首先是通過顆粒間的碰撞，其次是碰撞后的黏附實(shí)現(xiàn)的。顆粒碰撞的效率、黏附的幾率及被破碎的幾率共同決定了絮體形成的效率（公式1）。

其中，α為顆粒碰撞導(dǎo)致黏附的系數(shù)。

一般認(rèn)為，絮體的形成和破碎是同時(shí)存在的，并受剪切條件的影響。當(dāng)剪切力大于絮體結(jié)合鍵強(qiáng)度時(shí)，絮體發(fā)生破碎，直到新的平衡建立起來。因此，絮體最終的聚集狀態(tài)是破碎與成長(zhǎng)達(dá)到平衡的結(jié)果?？梢?，絮體的穩(wěn)定性取決于絮體間結(jié)合鍵抵御外力的能力，即絮體強(qiáng)度。

三、絮體強(qiáng)度的測(cè)定

目前已有兩種最基本的方法用于絮體強(qiáng)度的測(cè)定：一種是根據(jù)某一系統(tǒng)中絮體破碎所需輸入的能量大小，宏觀的表征絮體的強(qiáng)度特征；另一種是直接測(cè)定單個(gè)絮體內(nèi)顆粒與顆粒間作用力大小的微觀表征法。表1對(duì)上述的方法進(jìn)行了總結(jié)。由于剪切條件決定了絮體的最終粒徑，因此，目前大部分絮體強(qiáng)度的研究還是基于剪切條件下的宏觀分析技術(shù)。

表1 絮體強(qiáng)度的測(cè)定方法

在一特定的容器中，逐步加大可控的剪切條件，測(cè)定能量的輸入及絮體破碎后的粒徑[1]。logdmax=logC-γlogG（3）其中dmax為絮體的最大粒徑（m）；C為絮體強(qiáng)度系數(shù)；G為平均速度梯度(s-1)；γ為穩(wěn)定絮體粒徑常數(shù)，和絮體破碎模式及微渦旋的尺度有關(guān)。將最大粒度和平均速度梯度作雙對(duì)數(shù)曲線，就可獲得絮體強(qiáng)度的信息。dydj|j→0(4)δ為絮體鍵強(qiáng)（Jm-2）；φ為每單位時(shí)間內(nèi)在單位絮體體積上的超聲能量（Wm-3s）；Δτ為超聲時(shí)間（s）；dfo為超聲前絮體的粒徑(m);k為比例常數(shù)；D為絮體的分形維數(shù)；j為超聲時(shí)間（s）。d-D/3 foD( )δ φ=（2）超聲在絮體的懸濁液中通入可控超聲能量，測(cè)定絮體的破碎情況[2]。2微觀方法σ=( )F在一定的力下，將單個(gè)絮體拉伸裂解4 π d2（2）微觀操作（1）微觀機(jī)理（7）F為絮體破碎力（N）；K為微力傳感器的靈敏度（NV－1）；W為輸出電壓（V）；Wo為微力傳感器的電壓基線值（V）。[3]。用微力傳感器對(duì)處于光纖維探針和載玻片間的單個(gè)絮體施力，直到絮體破碎[4]。-0.78k0.5Δτ(5)σ 為絮體的強(qiáng)度（N m-2）；d為絮體粒度（m）；F為絮體破碎所需的力（N）。F=CsD(6)其中Cs為毛細(xì)管的硬度（N m－1）。D 為毛細(xì)管的變形度（m）。F=K( )Wo-W，

1.宏觀測(cè)定方法

（1）攪拌器

絮體強(qiáng)度的宏觀測(cè)定方法主要是依據(jù)絮體的粒徑與水動(dòng)力條件間的關(guān)系。GR e g o r y認(rèn)為，當(dāng)在一定的剪切條件下對(duì)比不同的絮體時(shí)，絮體的粒徑就可表征絮體的強(qiáng)度[5]，絮體粒徑越大，強(qiáng)度越強(qiáng)。但是，這只能表示在一定剪切條件下已長(zhǎng)成的絮體情況，而無法給出在增大的剪切力作用下，絮體變化的具體情況。這些絮體具體變化情況相當(dāng)重要，經(jīng)常在水處理系統(tǒng)中發(fā)生。比如，溶氣氣浮及高速過濾中出現(xiàn)的絮體從低剪切水力條件區(qū)轉(zhuǎn)移到強(qiáng)水力剪切區(qū)。因此，絮體強(qiáng)度可以通過在不斷增強(qiáng)的水力剪切下的絮體最大粒徑或平均粒徑的變化來反映，而這種方法主要的問題在于輸入能量總是無法在測(cè)試容器中達(dá)到均一的耗散。大部分的宏觀測(cè)定絮體強(qiáng)度的方法主要是利用在一個(gè)1～4升的容器中，通過控制攪拌速度來達(dá)到不同的能量輸入，以測(cè)定絮體在不同能量輸入下的粒徑變化[1]。

（2）超聲

We n和Le e建立了基于超聲技術(shù)測(cè)定絮體強(qiáng)度的計(jì)算方法（見表1）[2]。當(dāng)超聲高于臨界能量時(shí)，高嶺土絮體及活性污泥絮體發(fā)生破裂，粒徑減小。對(duì)單位體積樣本上的超聲能量的測(cè)定，可以反映絮體強(qiáng)度。對(duì)于活性污泥，超聲的應(yīng)用會(huì)改變絮體中微生物的組成，超聲將增加自由基的數(shù)量，這將影響微生物的代謝，導(dǎo)致細(xì)胞衰退。因此，這些副作用也會(huì)導(dǎo)致絮體發(fā)生裂解。而對(duì)于給水處理產(chǎn)生的絮體，其主要是非生物的化學(xué)污泥，因此，采用超聲技術(shù)測(cè)定非微生物絮體的強(qiáng)度將會(huì)更加準(zhǔn)確可信。

2.微觀測(cè)定方法

宏觀測(cè)定絮體強(qiáng)度的方法需要復(fù)雜的紊流渦旋及破碎模式的計(jì)算，而近幾年出現(xiàn)了直接測(cè)定單個(gè)絮體間的作用力的研究，測(cè)定絮體破碎時(shí)所需的拉伸力或壓迫力[3,4]。這種技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于，可能得到絮體如何破碎及哪個(gè)部位發(fā)生破碎等信息，并且是直接對(duì)絮體進(jìn)行測(cè)定，這將有助于對(duì)絮體的破碎機(jī)制有更全面的理解。

（1）微觀機(jī)理手段

在該方法中，絮體強(qiáng)度通過測(cè)定使絮體發(fā)生破碎的拉伸力而得到。經(jīng)過Na C l及有機(jī)助凝劑混凝的碳酸鈣絮體放置于間隙為2 mm的兩個(gè)玻璃毛細(xì)管間，小心向其中一毛細(xì)管水平方向移動(dòng)拉伸絮體，直至絮體發(fā)生破裂。此時(shí)通過毛細(xì)管微懸臂的形變就可以得到拉伸力的大小，而絮體破碎前后的粒徑是絮體最大和最小方向上粒徑的平均值。

在這一研究中，直接用測(cè)定的拉伸力來代表絮體的強(qiáng)度[3]。Boller和Blaser將拉伸力與破碎后較小絮體的斷面面積的比值作為絮體強(qiáng)度（表1，公式5），得出絮體強(qiáng)度范圍為100-1000 Nm-2[6]。

微觀機(jī)理手段雖為量化絮體強(qiáng)度提供了有效的方法，但該方法也只是對(duì)幾百個(gè)單獨(dú)的且類型較少的絮體進(jìn)行了測(cè)定，還需要更廣泛的應(yīng)用。

（2）微觀操作（Microanipulation）

Zhang等研究了顯微鏡下利用光敏纖維將處于載玻片上的絮體壓迫至破碎以測(cè)定絮體強(qiáng)度的方法[4]。一根一端平整的50 μm光敏纖維與微力感應(yīng)器相連，逐漸靠近載玻片上的絮體，直至絮體發(fā)生破碎。表1中的公式7用來計(jì)算絮體的強(qiáng)度。研究中的絮體為非常小的乳膠球聚集體，其平均粒徑為2.5μm，而平均絮體強(qiáng)度為5.3 μN(yùn)。但使用該方法時(shí)，無法測(cè)定破碎后的絮體粒徑，因此無法計(jì)算出單位絮體斷面處所受力的大小，所以無法同其它方法進(jìn)行比較。

結(jié)論

以往的研究表明，絮體強(qiáng)度往往通過外加的，導(dǎo)致絮體拉伸、壓縮及剪切的能量來表征，但仍未有一種統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法。鑒于絮體自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前還沒有對(duì)絮體形成時(shí)，諸如結(jié)合鍵個(gè)數(shù)、結(jié)合點(diǎn)位及內(nèi)部吸引力與排斥力等有更深刻的認(rèn)識(shí)，但隨著研究的不斷深入，更完美的絮體強(qiáng)度測(cè)定方法及絮體形成與破碎的模式將會(huì)被揭示出來。

[1]Francois,R.J.(1987)Strength of Aluminium Hydroxide Flocs.Water Research 21,1023-1030.

[2]Wen,H.J.and Lee,D.J.(1998)Strength of Cationic Polymer-Flocculated Clay Flocs.Advances in Environmental Research 2,390-396.

[3]Yeung,A.K.C.and Pelton,R.(1996)Micromechanics:A New Approach to Studying the Strength and Breakup of Flocs.Journal of Colloid and Interface Science 184,579-585.

[4]Zhang,Z.,Sisk,M.L.,Mashmoushy,H.,and Thomas,C.R.(1999)Characterisation of the Breaking Force of Latex Particle Aggregates by Micromanipulation.Particle Particle System Characterisation 16,278-283.

[5]Gregory,J.(2003)Monitoring Floc Formation and Breakage In Proceedings of the Nano and Micro Particles in Water and Wastewa?ter Treatment Conference;

International Water Association:Zurich,September 2003.

[6]Boller,M.and Blaser,S.(1998)Particles Under Stress.Water Science and Technology 37(10),9-29.