絮體強度的研究進展

朱哲（石家莊市環境科學研究院 石家莊 050022）

一、引言

絮體強度是水處理固液分離過程的重要控制參數。當加于絮體表面的剪切力大于絮體的強度時，絮體將發生破碎。在實際運行過程中，由于構筑物可能存在局部的強剪切力，絮體破碎很難避免。這些局部強剪切的區域包括氣浮池中溶氣釋放區、構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，深入研究絮體強度對提高水處理系統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現的。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為顆粒碰撞導致黏附的系數。

一般認為，絮體的形成和破碎是同時存在的，并受剪切條件的影響。當剪切力大于絮體結合鍵強度時，絮體發生破碎，直到新的平衡建立起來。因此，絮體最終的聚集狀態是破碎與成長達到平衡的結果?？梢?，絮體的穩定性取決于絮體間結合鍵抵御外力的能力，即絮體強度。

三、絮體強度的測定

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

表1 絮體強度的測定方法

在一特定的容器中，逐步加大可控的剪切條件，測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為絮體強度系數；G為平均速度梯度(s-1)；γ為穩定絮體粒徑常數，和絮體破碎模式及微渦旋的尺度有關。將最大粒度和平均速度梯度作雙對數曲線，就可獲得絮體強度的信息。dydj|j→0(4)δ為絮體鍵強（Jm-2）；φ為每單位時間內在單位絮體體積上的超聲能量（Wm-3s）；Δτ為超聲時間（s）；dfo為超聲前絮體的粒徑(m);k為比例常數；D為絮體的分形維數；j為超聲時間（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，將單個絮體拉伸裂解4 π d2（2）微觀操作（1）微觀機理（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]。用微力傳感器對處于光纖維探針和載玻片間的單個絮體施力，直到絮體破碎[4]。-0.78k0.5Δτ(5)σ 為絮體的強度（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為毛細管的硬度（N m－1）。D 為毛細管的變形度（m）。F=K( )Wo-W，

1.宏觀測定方法

（1）攪拌器

絮體強度的宏觀測定方法主要是依據絮體的粒徑與水動力條件間的關系。GR e g o r y認為，當在一定的剪切條件下對比不同的絮體時，絮體的粒徑就可表征絮體的強度[5]，絮體粒徑越大，強度越強。但是，這只能表示在一定剪切條件下已長成的絮體情況，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重要，經常在水處理系統中發生。比如，溶氣氣浮及高速過濾中出現的絮體從低剪切水力條件區轉移到強水力剪切區。因此，絮體強度可以通過在不斷增強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試容器中達到均一的耗散。大部分的宏觀測定絮體強度的方法主要是利用在一個1～4升的容器中，通過控制攪拌速度來達到不同的能量輸入，以測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測定絮體強度的計算方法（見表1）[2]。當超聲高于臨界能量時，高嶺土絮體及活性污泥絮體發生破裂，粒徑減小。對單位體積樣本上的超聲能量的測定，可以反映絮體強度。對于活性污泥，超聲的應用會改變絮體中微生物的組成，超聲將增加自由基的數量，這將影響微生物的代謝，導致細胞衰退。因此，這些副作用也會導致絮體發生裂解。而對于給水處理產生的絮體，其主要是非生物的化學污泥，因此，采用超聲技術測定非微生物絮體的強度將會更加準確可信。

2.微觀測定方法

宏觀測定絮體強度的方法需要復雜的紊流渦旋及破碎模式的計算，而近幾年出現了直接測定單個絮體間的作用力的研究，測定絮體破碎時所需的拉伸力或壓迫力[3,4]。這種技術最大的優點在于，可能得到絮體如何破碎及哪個部位發生破碎等信息，并且是直接對絮體進行測定，這將有助于對絮體的破碎機制有更全面的理解。

（1）微觀機理手段

在該方法中，絮體強度通過測定使絮體發生破碎的拉伸力而得到。經過Na C l及有機助凝劑混凝的碳酸鈣絮體放置于間隙為2 mm的兩個玻璃毛細管間，小心向其中一毛細管水平方向移動拉伸絮體，直至絮體發生破裂。此時通過毛細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，直接用測定的拉伸力來代表絮體的強度[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度（表1，公式5），得出絮體強度范圍為100-1000 Nm-2[6]。

微觀機理手段雖為量化絮體強度提供了有效的方法，但該方法也只是對幾百個單獨的且類型較少的絮體進行了測定，還需要更廣泛的應用。

（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定絮體強度的方法[4]。一根一端平整的50 μm光敏纖維與微力感應器相連，逐漸靠近載玻片上的絮體，直至絮體發生破碎。表1中的公式7用來計算絮體的強度。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，而平均絮體強度為5.3 μN。但使用該方法時，無法測定破碎后的絮體粒徑，因此無法計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行比較。

結論

以往的研究表明，絮體強度往往通過外加的，導致絮體拉伸、壓縮及剪切的能量來表征，但仍未有一種統一的標準方法。鑒于絮體自身結構的復雜性，目前還沒有對絮體形成時，諸如結合鍵個數、結合點位及內部吸引力與排斥力等有更深刻的認識，但隨著研究的不斷深入，更完美的絮體強度測定方法及絮體形成與破碎的模式將會被揭示出來。

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