（模式识别与智能系统专业论文）低浊度水中颗粒检测技术相关性研究.pdf

摘要 摘要 本文比较全面地介绍和叙述了在饮用水领域中常用的几种颗粒检测技术，以 及这些颗粒检测技术在水处理中的主要应用状况，指出这些颗粒检测技术在应用 条件、检测精度、适用颗粒粒径等方面都有一定的差异，有必要进行全面地分析 和对比，以便在今后可以有针对性地选择和应用。 试验研究中采用在线浊度仪、颗粒检测仪和颗粒计数仪，对硅藻土、高岭土 等溶液中的颗粒进行了检测，考察不同颗粒物质的颗粒粒径及粒径分布等对颗粒 检测技术的影响，研究这些颗粒检测技术的相关性。对微絮凝一直接过滤过程进 行了连续在线监测，建立数据之间的数量关系，初步讨论了悬浮溶液中颗粒分布 与浊度的相关性，以及颗粒分布与颗粒指数r 值的相关性。 通过试验研究表明，由于检测技术原理的差异，颗粒分布与浊度或者颗粒指 数r 值的相关性的有效颗粒粒径范围是不一样的。从相关性分析可以看出，把 颗粒计数仪检测的颗粒数量或者颗粒指数r 值作为浊度值的补充和完善，可以 更有效地表述颗粒粒径的特性。 对微絮凝一直接过滤的滤后水监测结果表明，这几种颗粒检测仪器有效粒径 的检测范围有一定差异；在检测低浊度的滤后水时，可以相互补充检测范围，提 高灵敏度；在不同水质条件下，滤池“穿透 时，常规颗粒计数仪检测到的颗粒 粒径范围和数量也不相同，为过滤工艺的研究提供了支持。因此，浊度仪与脉动 颗粒检测仪器或者颗粒计数检测仪器联用，有利于发挥各自的技术优势，提高检 测的灵敏度和准确性。 关键词颗粒检测；浊度；颗粒指数；颗粒计数；颗粒数量 a b s t r a c t a bs t r a c t s e v e r a lp a r t i c l em o n i t o r i n gt e c h n i q u e su s e dc o m m o n l yi nd r i n k i n gw a t e rf i e l d a r ei n t r o d u c e dc o m p r e h e n s i v e l ya n dd e s c r i b e d ，a sw e l la sm a i na p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s o ft h ep a r t i c l em o n i t o r i n gt e c h n i q u e si nw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si nt h i sp a p e r i ti s i n d i c a t e dt h a tt h e p a r t i c l em o n i t o r i n gt e c h n i q u e sh a v e c e r t a i nd i f f e r e n c e si n a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s ，m o n i t o r i n gp r e c i s i o n , s u i t a b l ep a r t i c l es i z ea n ds oo n i t i s n e c e s s a r yt oc a r r yo nc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s e sa n dc o m p a r i s o ni no r d e rt ob e s e l e c t e da n da p p l i e dc o r r e c t l yi nt h ef u t u r e o n l i n et u r b i d i m e t e r , p a r t i c l em o n i t o r i n gi n s t r u m e n ta n dp a r t i c l ec o u n t i n g i n s t r u m e n ta r eu s e dt om o n i t o rt h ep a r t i c l e si nd i a t o m i t es o l u t i o n ，k a o l i ns o l u t i o n a n ds oo ni ne x p e r i m e n t s t h ei n f l u e n c ei np a r t i c l es i z e sa n dp a r t i c l ed i s t r i b u t i o n so f d i f f e r e n tp a r t i c u l a t em a t t e r st ot h ep a r t i c l em o n i t o r i n gt e c h n i q u e sa r ei n v e s t i g a t e d t h er e l a t i v i t y a m o n gt h ep a r t i c l em o n i t o r i n gt e c h n i q u e s i ss t u d i e d o n l i n e m o n i t o r i n g sa r ec a r r i e do u tc o n t i n u o u s l yw i lm i c r o f l o c c u l a t i o na n dd i r e c t f i l t r a t i o n w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s q u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ed a t aa r ee s t a b l i s h e d t h er e l a t i v i t yb e t w e e nt h ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o na n dt h et u r b i d i t y , p a r t i c l ed i s t r i b u t i o n a n dp a r t i c l e si n d e xrv a l u ei ns u s p e n d e ds o l u t i o na r ed i s c u s s e db r i e f l y e f f e c t i v ep a r t i c l es i z er a n g e so ft h er e l a t i v i t yb e t w e e nt h ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o n a n dt h et u r b i d i t yo rt h ep a r t i c l e si n d e xrv a l u ei sd i f f e r e n tb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo f f u n d a m e n t a la m o n gt h ep a r t i c l em o n i t o r i n gt e c h n i q u e si n d i c a t e db yt h ee x p e r i m e n t a l s t u d i e s p a r t i c l e sq u a n t i t yo fp a r t i c l ec o u n t i n gi n s t r u m e n to rp a r t i c l e si n d e xrv a l u eo f p a r t i c l em o n i t o r i n gi n s t r u m e n tc a nb es u p p l e m e n t e da n di m p r o v e dt ot h et u r b i d i t y , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l es i z e sc a nb ed e s c r i b e dm o r ee f f e c t i v e l y m o n i t o r i n gr e s u l t so ff i l t e r e dw a t e rb ym i c r o f l o c c u l a t i o na n dd i r e c t - f i l t r a t i o n p r o c e s si n d i c a t et h a t e f f e c t i v ep a r t i c l es i z e m o n i t o r i n gr a n g e s o ft h e p a r t i c l e m o n i t o r i n gi n s t r u m e n t ss h o wac e r t a i n l yd i f f e r e n c e t h em o n i t o r i n gr a n g ec a nb e s u p p l e m e n t e dj o i n t l ya n d ，t h es e n s i t i v i t yc a nb ei m p r o v e df o rm o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n s o fl o wt u r b i d i t yf i l t e r e dw a t e r w h e nf i l t e rt a n k p e n e t r a t i o n h a p p e n s ，t h ep a r t i c l e s i z es c a l ea n dp a r t i c l e q u a n t i t i e sm o n i t o r e db yc o n v e n t i o n a lp a r t i c l ec o u n t i n g i n s t r u m e n ta l ed i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n tw a t e rq u a l i t yc o n d i t i o n t h i sp r o v i d e st h e s u p p o r to ff i l t r a t i o np r o c e s ss t u d y t h e r e f o r e ，a p p l i c a i o n s o ft h et u r b i d i m e t e r a s s o c i a t e dw i t ht h el i g h tf l u c t u a t i o np a r t i c l em o n i t o r i n gi n s t r u m e n t a to rt h ep a r t i c l e c o u n t i n gi n s t r u m e n tc a nt a k ea d v a n t a g e i n t e c h n i q u e ， a n di m p r o v ed e t e c t i n g s e n s i t i v i t ya n da c c u r a c y k e y w o r d sp a r t i c l em o n i t o r i n g ；t u r b i d i t y ；p a r t i c l ei n d e x ；p a r t i c l ec o u n t i n g ；p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：量丝翩签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 我国水质污染状况 我国的水生态环境问题，主要表现在水土流失和水体污染两个方面，而且二 者之间有紧密的联系。随着我国经济的快速增长，工农业迅速发展，大量的城市 污水和工农业废水没有得到治理就排入了水体，使得水质普遍恶化，水体中的各 种污染物含量明显升高。同时，水土流失也是水环境污染严重的重要方面，通过 对全国1 1 条主要江河流域监测显示，全国绝大多数省区市都存在不同程度的水 土流失问题，水土流失量主要来自坡耕地水力侵蚀和沟道重力侵蚀，随着水土流 失的发生，将大量的泥沙、营养物质和土壤中残存农药等带入各种水体造成的水 体颗粒物含量增高、有机物污染以及水体富营养化等水污染问题；相对地，水污 染引发水资源短缺、水生态和水灾害等问题。黄河流域就是典型的水土流失造成 的生态环境问题。 颗粒物质是水体中的主要污染物之一。悬浮物质主要是泥砂、粘土、有机和 矿物质颗粒，大部分来源于土壤和城镇街道径流，表层土壤以泥沙形式进入水体， 造成了水体中含沙量增加，从而增加了水的浊度，直接影响到水体的外观质量和 生物稳定性；我国大多数自来水厂都采用常规水处理工艺，颗粒物质是常规水处 理工艺的主要去除目标，所以浊度的高低变化对于饮用水处理有重要影响；另外 由于颗粒物质与其它种类污染物之间密切联系，颗粒物质的检测已经成为水处理 中的一个重要问题。 1 2 水体中的颗粒物 颗粒物是水环境中普遍存在的物质，也是一个含义广泛的概念，一般说来是 指不溶解于水的各种物质微粒。在环境水质科学范畴中，把无机和有机的胶体、 高分子、矿物颗粒，水生的细菌、病毒、藻类等等微生物都归类为颗粒物，包括 了粒径大于l n m 的所有微粒。给水处理的主要目的是去除产生浊度的颗粒物质， 这些颗粒物质主要是呈胶体状态和悬浮固体状态的杂质颗粒。这些微粒不仅本身 是污染物，更与微污染物相互作用并成为其载体，在很大程度上决定了微污染物 在环境中的迁移、转化、循环。因此，在生活和工业的生产过程中，对颗粒物含 量标准的限定日益严格，颗粒物质的检测所起的作用也越来越重要，所以颗粒检 测技术已经成为热点研究问题。水中颗粒物质粒径分布和物化性质如图1 1 所示。 颗粒尺 ( 啪) l 矿1 0 r 3 l o o 0 5 岬 粘土 4 l 1 1 粉砂帅细砂 运动特点 观 察 工 具 也竺竺! 坚竺竺 o j 岬戥熵胡1 0 0 1 皿 图1 1 水中颗粒物质物化性质示意图 f i g 1 1p a r t i c l ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e ri nw a t e rc h a r t 1 2 1 颗粒物的危害 颗粒物作为污染物之一，是水体呈现浑浊的主要成因。并且与其它污染物有 着广泛的联系，在水体中颗粒物不仅是微污染物流动迁移的载体，而且为污染物 之间的各种化学反应和性状的转变提供界面，在水处理过程中起着重要的作用 【2 覆 1 颗粒物本身作为污染物，本身对水质有着明显的影响，其组成成分的复 杂性、形状的多样性、粒度的不同分布范围，使得它们表现出来的性质有所不同， 同时它们相互之间在水体中也发生了复杂的反应，比如颗粒之间结合成为复杂的 组合体系；颗粒物多种多样的形状和聚集体的不同结构都会影响其特性和功能。 2 颗粒作为污染物的载体，与常量微量有毒有害污染物相结合，成为水处 理技术中被关注的对象。由于颗粒物表面形态的多样性和多种活性官能团的存 在，使得其具有很强的吸附作用，能够吸附水体中大多数污染物和微生物；污染 物被吸附的同时，相互之间产生的化学反应和电荷迁移作用：微生物相互之间的 反应以及本身的生化反应；被吸附到颗粒物上的各种环境微量污染物，其中可能 包含微生物的营养物质，也可能使颗粒成为吸引微生物寄生的载体。水体中重金 属、微量金属、有机物等污染物含量与颗粒浓度的高低有密切的联系。在相对静 止的水中，颗粒物会沉积到水体的底层，把污染物蓄积起来，当环境条件改变或 者污染物发生化学变化时，污染物可能重新被释放出来，再次成为环境的污染源， 而作为潜在的二次污染源，颗粒物可以在很长时间内发挥环境效应。颗粒在一定 2 第1 章绪论 程度上是微污染物在环境系统中运移、转化、循环的重要方式。 3 颗粒与水的生物安全性也有重要联系。以水体为媒介的致病微生物，大 多数致病病原体的尺寸一般在l - 1 2 1 x m ，例如贾第虫的大小为7 1 1 岬，隐孢子 虫为4 - - 7 1 x t n ；由于水体富营养化问题，而导致的藻类问题也是水处理行业关注 的重点问题，藻类颗粒的平均大小是5 1 0 0 1 a m ，大量研究表明这个粒度范围颗 粒的去除，可以有效地优化水处理工艺的效率，提高饮用水和配水管网的水质安 全稳定性。 1 2 2 颗粒物的基本特征 a ) 粒度分布多分散。每种颗粒物在一定的粒度范围内分布，其中各个实体的 粒度往往存在数量级的差异。同类颗粒物的不同体系若粒度分布有很大区别，自 然会影响到它们的特性有所不同。因此，颗粒物的特性往往是整个体系的统计平 均值，在必要时需要说明其粒度分布特征。 b ) 形状形态多样性。颗粒物的微观形状可以是线状、片状、球状或各种不同 规则形状。同类形状的长短大小也有很大差别。各个单体还可以结合起来成为聚 集体，例如，各微粒单元定向结合可呈链状、分枝状，更多的单体可聚集成絮状。 这些聚集体的存在形态与溶液条件和反应作用有密切关系。颗粒物多种多样的形 状和形态将会影响其特性和功能，在鉴定和研究中经常需要加考虑。 c ) 反应活性区各异。颗粒物含有大量的各种官能团，作为与溶液中溶质或其 它颗粒物相互作用的反应活性特点。与低分子化合物不同，颗粒物发生反应往往 只限于表面部位或局部某些基团，这些反应虽有可能影响到其它部分或整体的存 在状态，在一定的程度内却不致引起颗粒物整体的转化。另外，颗粒物所含各类 官能团的反应特性并不相同，即使同一类官能团由于所处部位不同，也会有不同 的反应活性。因而，颗粒物中各部位活性点发生的先后顺序与程度将是更深层次 的研究问题。 d ) 电学特征显著。矿物颗粒物因同晶置换或晶格缺陷而带有永久电荷。固体 颗粒物的界面官能团和聚合电解质的可离解官能团在溶液中发生质子迁移或其 它化学反应，都可以生成随溶液变化的电荷。颗粒物优先吸附一些带电荷的物质， 生物颗粒物的生命活动等，也会产生电荷。因此，大多数颗粒物带有一定电荷成 为它们的基本特征，而且有时电荷的数量很大，在溶液中构成复杂的双电层，强 烈的影响着颗粒物本身的稳定性和各个方面的相互作用特性。 e ) 界面效应强烈。除溶解状态时的高分子物质外，颗粒物与溶液之间存在有 大量的微观界面，它们的相互作用和各种反应就发生在界面上。界面具有强烈的 吸附能力，把水溶液中的微量恒量物质结合到颗粒物表面上，其中包括各种环境 3 北京工业大学工学硕士学位论文 微污染物，如重金属、有毒化学品等，也包括各种生命元素和营养物质。颗粒物 成为这些微量物质的载体，在天然水体中随水流迁移输送到较远距离而沉积下 来，或者在水处理设施中一起被分离出去。与此同时，微量物质在界面上可以发 生各种化学反应，并且得到催化促进，达到在溶液中自由状态下难以发生的转化 效应。 f ) 复杂组合体系。天然水体中的颗粒物一般并不是以纯粹单一的状态存在， 而是相互结合成为某种复合体。例如，河流中最常见的典型悬浮沉积物，大多是 以若干粘土矿物微粒为骨架的聚集体，在水体中悬浮迁移，沉积于底质。各矿物 微粒表面吸附和覆盖着铁铝类水合氧化物，结合着腐殖质类有机高分子，由这两 类物质粘合架桥团聚起来。这种聚集体再吸附结合水中的粒子和重金属等微污染 物，构成环境水质体系中最基本的颗粒物群体。 1 2 3 水中颗粒物检测方法的研究进展 国际水质科学与技术界对颗粒物及其界面过程的研究早已给予关注。早在 5 0 、6 0 年代就已经成为热潮，水体颗粒物的研究形成专门领域，有关论文和著 作大量发表。我国在环境污染方面对天然水体颗粒物进行研究大约从5 0 、6 0 年 代开始，实验集中在重金属在悬浮沉积物上的吸附模式和吸附容量，后来开展了 颗粒物结合形态的实验研究工作，中科院环境化学所、地理所、北京大学、南京 大学等都取得了不少成果【5 j 。8 0 年代后，中科院生态环境研究中心引入表面络合 吸附模式方法应用与天然水体颗粒物，并一直坚持这一方向进行研究及介绍推广 2 1 。我国很早就遵循水体颗粒物的广义概念，把粘土矿物、金属水合氧化物、腐 殖质、水藻、细菌等都归入水体颗粒物，并提出它们的复合结构模型，作为实体 对象进行模式计算和应用于水体沉积的研究。 我国的颗粒测试技术研究工作起步于7 0 年代。在8 0 年代初成立了中国颗粒 学会，下设颗粒制备、颗粒测试、气溶胶、纳米材料等专业委员会等。颗粒学会 的成立不仅对颗粒测试技术的研究起到了促进作用，还推动了产业化的进程，我 国改革开放2 0 年来，颗粒测试技术从无到有，已经取得了长足的进步，证明我 们具备更大的发展基础和潜力。 随着颗粒检测理论和技术的不断进步，以及微电子技术、激光技术和计算机 技术的迅速发展，水质监测技术迅速发展，仪器分析、计算机控制等现代化手段 在水质监测中得到了广泛应用。颗粒检测分析方法从重量法、筛分法、浊度法发 展到能够获得颗粒直观信息的透光脉动法、颗粒计数法、显微摄像法等；手动和 半自动实验方法、仪器也正逐步被计算机控制的自动监测装置所代替。 浊度值是一个可以间接表明水中颗粒物质含量的替代参数，由于其可以方便 迅速的评价水质，在水处理领域中有广泛因此的应用，如何提高浊度检测准确度 4 第1 章绪论 一直是研究的热点问题。浊度仪是由光学、电子、机械等元件组成的，其影响因 素主要有入射光强度、颗粒的大小、颜色、形状、表面特性，以及浊度仪的设计 参数等等，所以关于颗粒的光学性质和仪器设计的改进是目前浊度检测方法的研 究热点。 由于颗粒物质在水体中表现出来的重要作用，作为水处理领域中的主要去除 对象之一，其监测和检测方法也一直是研究的重点。计算机软、硬件技术的快速 发展和更新，各种仪器设备之间兼容性的强化，使得各种仪器联用、自动控制、 获取并且及时迅速处理大量数据成为可能，颗粒的自动化、智能化和网络化是颗 粒检测技术的发展方向，不仅可以提高监测信息数据传输和分析效率，从而根据 水体中颗粒物性状的信息，优化水处理工艺、节能降耗，还能为环境科学研究和 水质保护提供参考，为水环境信息数据库的建立提供详尽的资料。在近些年，针 对颗粒微观性质的检测方法快速发展起来，脉动颗粒监测仪器、颗粒计数检测仪 器和显微摄像仪等先进仪器在欧美发达国家得到了广泛的应用并取得了不错的 效果。而且多种颗粒检测技术集成应用的实验研究也取得了一定进展。我国由于 某些原因的限制，颗粒检测技术还没有得到大规模的普及，而结合我国国情，将 水质先进检测技术的应用于实际工程中的研究，却一直都是水处理行业和各个研 究机构所关注的。 1 3 课题的提出和研究内容 1 3 1 课题的目的及意义 浊度是描述水中悬浮物、胶体物质、浮游生物和微生物等杂质对光透射和散 射能力的量度，是反映水质最重要的物理外观指标之一，而且由于颗粒物质可以 成为其它污染物载体，浊度与很多其它水质指标的检测有关或者有影响，比如微 生物、c o d m i l 、p h 值、色度、l r v 2 5 4 含量等。因此，浊度是水处理中重要的综合 性指标。 在我国的城市供水水质标准中，浊度作为常规检验项目，并且要求供水浊度 1 n t u ，现在国内只有少数大水厂能将浊度控制在1 n t u 左右。由于我国的国 情和经济条件的限制，大多数水厂采用传统的常规水处理工艺，颗粒物质是常规 水处理工艺的主要去除目标之一；并且由于在线监测和检测仪器仪表的普及率不 高，所以浊度仍然是水处理工艺的过程控制和衡量出水质量的重要参数。随着工 业化生产的发展和城市化进程的加快，水资源和水环境的污染程度日益严重，面 对新的污染情况和水质检测要求，浊度作为间接描述水体浑浊度的综合性指标， 不能够全面、细致、连续的描述处理过程。在欧美国家的饮用水水质指标中，在 严格控制浊度的同时，以其它的颗粒检测技术作为浊度指标的补充量度，颗粒计 北京工业大学工学硕j ：学位论文 数检测仪器已经得到了广泛的应用，其可以灵敏、及时地检测到处理工艺运行过 程中颗粒状态的显著变化，优化了处理工艺的运行条件。因此，尽管对于检测方 法中颗粒的测量值和绝对值之间的真实性还存在争议，但是颗粒检测技术的优势 是不容忽视的。所以，在保持浊度作为主要水质指标的同时，通过其它颗粒检测 技术获取颗粒的直观信息，把颗粒的状态以及状态变化的影响因素与浊度指标有 机地联系起来，将更加有利于水处理中颗粒检测技术的发展。 1 3 2 课题研究内容 根据浊度值所描述水中颗粒物含量的光学特性，以及颗粒指数r 值表达的 水中颗粒物质的粒径和数量的综合值，颗粒计数值给出水中的颗粒粒径分布和数 量，在以下几个方面开展课题的研究和试验工作。 1 比较和测试不同颗粒检测方法的相关性 使用浊度仪、脉动颗粒检测器、颗粒计数检测仪器具有稳定的颗粒分布体系 的不同溶液，确定浊度值和颗粒浓度的相关性，颗粒指数r 值和颗粒浓度的相 关性，比较由于测量原理的不同而产生的相关性差别。 2 比较不同颗粒检测方法的适用范围 在本试验条件下，浊度仪对于1 l m 以下的颗粒较灵敏；脉动颗粒检测仪器 是专门为检测超低浊度水而设计的，灵敏检测范围是l g m 以上的颗粒；颗粒计 数检测仪器的灵敏检测范围是2 - - - 一7 5 0 p m 的颗粒。通过使用浊度仪、脉动颗粒检 测器、颗粒计数检测仪器同时监测微絮凝一直接过滤过程，分析三种仪器所获数 据之间的相关性，比较不同检测方法的有效检测范围。 3 比较不同颗粒检测方法的应用特性 在实验过程中，模拟微絮凝一直接过滤过程，在不同条件因素影响下，针对 不同水质特点，投加不同投量的混凝剂以及采用不同水利搅拌条件、搅拌时间等 等，然后使用实验室用高灵敏度浊度仪、脉动颗粒检测仪器、颗粒计数检测仪器 对微絮凝一直接过滤的出水进行连续在线监测，通过比较浊度仪、脉动颗粒检测 器、颗粒计数检测仪器的数据，分析浊度和颗粒浓度的相关性，颗粒指数r 值 和颗粒浓度的相关性，以及颗粒粒径和浓度的变化情况与过滤器运行情况以及其 它控制参数的相关性；进一步研究不同颗粒检测技术在水处理工艺中的应用特 性。 6 第2 章水处理中主要颗粒检测方法 第2 章水处理中主要颗粒检测方法 2 i 颗粒物与水质指标的关系 目前，国际上具有权威性、代表性的饮用水水质标准主要有3 部：世界卫生 组织的饮用水水质准则、欧盟的饮用水水质指令和美国环保局的国家 饮用水水质标准，我国的水质标准主要是以这三个标准为基础或重要参考来制 订的。 在这些水质标准中，颗粒物的含量或者浓度是评价水质的重要指标，颗粒物 的检测在水处理中占有重要的地位，与颗粒物质有直接关系的主要是感观指标和 微生物指标。浊度是表明水中颗粒浓度的替代性水质指标，是水处理中最重要的 感观指标之一，它是一个关于水体浑浊程度的相对量度，是评价水质的重要指标， 也是影响整个水处理过程的重要控制参数。现行的常规给水处理工艺也是以去除 原水中的浊度为主要目的进行设计、建设和运行的。在一般情况下，尤其对低浊 度水，经常把浊度作为测定水中微生物含量的有效指标，因为浊度可以较好地表 示水中颗粒物质的含量，而且浊度在相当程度上反映出处理后水中的微生物相对 含量。在美国的水质标准中，把浊度归入微生物的项目中，将近似于微生物尺寸 的颗粒物的浓度与饮用水的安全稳定性联系起来，即是对浊度有关属性的概念改 变。然而，在世界上很多国家爆发的水致疾病事件中，都是在经过完全处理，水 质完全符合现行水质标准的情况下发生的，所以为了有效地提高有关生物安全 性，就需要更准确的相关颗粒检测技术。随着现代检测理论、微电子技术、激光 技术和计算机技术的迅速发展和兼容性的提高，使得粒度自动化定量检测成为了 粒度检测方面新的发展方向，不仅可以对颗粒分散体系中的颗粒分布进行检测而 且可以获得更详细的形状信息。 2 0 0 5 年建设部颁布的供水部门行业标准城市供水水质标准规定了供水 行业将微生物作为控制的重点。水中的微生物杂质，如细菌、病毒等致病病原体 都是有一定尺寸的颗粒，用相关颗粒大小及其分布作为水质指标，可以更直观地 表明水质的好坏，有效地控制这个粒径范围的颗粒数量，就可以有效地提高生物 安全相关性。美国、加拿大以及欧洲等国家通常将滤池出水中粒径大于2 岬的 颗粒物控制在5 0 个m l 以下。美国地表水厂的出厂水中大于2 l a m 的年平均值为 3 0 个m l 。 。 欧美经济发达国家对供水水质要求比较严格，我国的水质标准由于受到各种 条件的限制，在参考和依据其他发达国家的相关标准时，将其与我国实际情况相 结合进行修订的，我国现行的水质标准的项目数和指标值，在总体上仍然低于世 7 北京丁业大学工学硕士学位论文 界卫生组织和欧美发达国家所设定的要求。而且水质标准中一些水质参数的测定 方法在实际应用中存在许多问题，某些水质参数在某些条件下已不能准确地反映 其所代表的表观性状或者物理化学性质，这就使得这些水质参数的实际应用受到 了很大限制。发展和完善现有的水质参数、测量方法和检测技术是实际应用中具 有重要意义的过程。但这些新检测技术和方法的应用可能需要一段时间才能得到 各方面的接受，因此需要进行大量的应用研究来充分论证其真实性和实用性。 2 2 颗粒物与处理工艺的关系 浊度是对水中颗粒的一种光学度量方法，它既反映水的感官( 表观) 的质量， 也反映水的内在质量，它对水中不同大小、密度和形状的悬浮物、胶体、浮游生 物以及微生物的颗粒建立数量的概念，它并不直接表示水样中各种悬浮物、胶体 物质、浮游生物和微生物等杂质的含量，但与其存在的数量是相关的，因之对水 处理过程和工业生产有重大意义。 在给水处理领域中，水体中的颗粒物是常规水处理工艺去除的主要对象之 一，这些颗粒物质主要是呈胶体状态和悬浮固体状态的杂质颗粒。在水处理工艺 正常运行时，浊度是一个有效指示水质状况的指标以及指导工艺运行的控制参 数。可以反映出水处理过程中实时的水质状况，以便相应地调整控制参数，保证 出水水质。而当处理工艺发生异常时，例如发生大颗粒泄漏，浊度的变化就会很 缓慢，不能及时地反映颗粒物质的含量和状态变化，这时就需要对颗粒的数量和 尺寸进行更有效的检测，以便获得更直观的数据优化水处理工艺。 颗粒大小是影响颗粒脱稳、沉淀和通过滤池的主要参数，颗粒数量和粒径的 详细信息，可以使控制系统了解颗粒在各个处理单元的分布，从而针对原水中的 颗粒物质浓度和各种污染物的富集程度，为选择和设计处理工艺，以及改变运行 参数提供依据。 颗粒物对消毒工艺也有重要影响，如颗粒物可能消耗氯气、臭氧等消毒药剂， 增加了消毒剂的用量，不利于在配水输送管网系统中维持稳定的消毒剂残余量； 吸收和遮挡紫外光照射，降低消毒杀菌的效果。所以，对滤后水中颗粒物含量的 准确测量，可以优化消毒工艺，降低悬浮颗粒可能对管道系统造成的各种影响， 提高配水管网中的生物安全性。 2 3 颗粒粒度的检测 2 3 1 颗粒粒度 颗粒的大小叫做颗粒的粒度，而粒径就是颗粒直径。众所周知，只有圆球体 8 第2 章水处理中主要颗粒检测方法 才有直径，其它形状的几何体是没有直径的，而颗粒又绝大多数不是圆球形的， 而是各种各样不规则形状的，有片状的、针状的、多棱状的等等。这些复杂形状 的颗粒从理论上讲是不能直接用直径这个概念来表示它的大小的。在实际中直径 是描述一个颗粒大小的最直观、最简单的一个量，又希望能用这样的一个量来描 述颗粒大小，所以在粒度测试实践中引入了等效粒径这个概念。等效粒径是指当 一个颗粒的某一物理特性与同质的球形颗粒相同或相近时，就用该球形颗粒的直 径来代表这个实际颗粒的直径。那么这个球形颗粒的粒径就是该实际颗粒的等效 粒径。 2 3 2 颗粒粒度检测的真实性 通常的测量仪器都有准确性方面的指标。由于粒度测试的特殊性，通常用真 实性来表示准确性方面的含义。粒度测试所测得的粒径为等效粒径，对同一个颗 粒，不同的等效方法可能会得到不同的等效粒径。由于测量方法不同，同一个颗 粒得到了两个不同的结果。也就是说，一个不规则形状的颗粒，如果用一个数值 来表示它的大小时，这个数值不是唯一的，而是有一系列的数值。而每一种测试 方法的都是针对颗粒的某一个特定方面进行的，所得到的数值是所有能表示颗粒 大小的一系列数值中的一个，所以相同样品用不同的粒度测试方法得到的结果有 所不同是客观原因造成的。颗粒的形状越复杂，不同测试方法的结果相差越大。 但这并不意味着粒度测试结果可以漫无边际，而恰恰应具有一定的真实性，就是 应比较真实地反映样品的实际粒度分布。真实性目前还没有严格的标准，是一个 定性的概念。 对于浊度的散射检测方法而言，由于颗粒的形状和表明形态等因素的偶然 性，同样数量的颗粒可能得到不同的浊度值，所以浊度的检测也存在着真实性问 题。在实际的水处理过程中，浊度在一定程度上是很好的反映水中颗粒浓度、微 生物含量的参数，而水质标准的表述是一个相对合理的数值范围，只要出水指标 处于相对应的指标范围内，我们就可以认为水的处理达到了水质标准，这就使得 浊度检测的真实性成为了一个相对弱化的问题。 同样地，在颗粒计数检测方法中，使用粒度转换计算软件，将测得的透射光 强度变化转化为颗粒的等效粒径，颗粒的绝对值和检测值之间存在着很多争论， 使用不同类型的颗粒计数检测仪器检测相同浓度和相同分布的溶液，有研究表明 检测结果之间存在细微的差别，但是这主要是颗粒形状和结构的多样性对于粒径 的划分所造成的影响。所以尽管有关的争论依然存在，但勿庸置疑的是，作为可 以提供颗粒直观信息的检测技术，在欧美等国家水厂的实际应用中，对于处理工 艺流程的控制和监测已经取得了良好的效果。所以，深入研究颗粒计数技术的应 用，对于加强滤后水系统中颗粒含量的控制，便于指导混凝和沉淀工艺的改进， 9 北京工业大学工学硕j ：学位论文 发展新型水处理工艺等都有重要的作用。 2 3 3 颗粒粒度检测的重要- j 生 在工业生产、环境保护、生物医学和农业生产等领域，颗粒物作为原料、介 质和产物出现在各种研究过程中。因此颗粒的检测分析对于这些方面的研究分析 有着一定的意义。通过颗粒检测掌握颗粒的物理化学特性，从而掌握大量的颗粒 特性的规律，并将其应用到生产、生活实践当中，有力的推动了科技的发展。在 所有反映颗粒特性的指标中，粒度分布是所有应用领域中最受关注的一项指标。 所以客观真实地反映颗粒物质的粒度分布是一项非常重要的工作。 美国的d a v i e s 对近十年来的颗粒检测的发展做了总结【7 】，提出颗粒检测的中 心从实验室研究慢慢向生产测量转移，并指出颗粒的浓度及形态仍然是颗粒检测 中最重要的参数。早前关于颗粒粒度及形状的定义为颗粒占有的空间量和当量形 状等，一般为定性分析，为了更好的对颗粒进行研究，美国的t a y l o r 总结了颗 粒分级的几何概念、颗粒的形状、粒度及表面结构等i s 】，并提出了新的量化测量 方法，将颗粒的形状、尺寸重新定义，以一定的数学模型来描述颗粒，使人们在 颗粒的检测中获得更全面的认识。 当然对于不同领域的研究，需要关注的颗粒特征是不同的。颗粒的基本物理 特性包括孔隙、形状、粒径以及颗粒分布等参数，粒度及粒度分布是颗粒最重要 的也是最基本的特性。在颗粒检测过程中，颗粒的形态学研究是一个重要环节， 颗粒形态学的内容包括颗粒大小的定义、测定以及颗粒群颗粒大小的分布、颗粒 的形状表征。颗粒大小对颗粒特性有很大影响，随着颗粒大小的变化，颗粒表面 的分子所处的状态也将完全不同，颗粒的性质将发生突变。颗粒形态学中，各个 形态参数之间还存在一定的关联。颗粒的形状参数不仅体现了颗粒的外形特征， 同时还对颗粒等其他特性如颗粒分布、颗粒可溶解度等物理化学性质产生一定影 响，因此形状参数决定着颗粒体系的各种应用性质。颗粒的不同特性参数之间都 相互联系和影响，因此结合各种参数的分析来研究颗粒的相关特性是必要的，不 同参数的获得需要不同的处理方法。 现在，计算机软、硬件技术的快速发展，各种仪器设备之间兼容性的提高， 使得自动化、智能化和网络化成为各种技术的未来发展方向。那么，实现对颗粒 物质的在线监测与控制就成了颗粒研究的重点。通过颗粒检测在生产过程中对颗 粒的结构、性质实时做出定量的分析，以便对水处理工艺参数进行有效预测、监 控和调整，优化处理工艺流程。 l o 第2 章水处理中主要颗粒检测方法 2 3 4 颗粒粒度检测的相关性 在几种主要的颗粒浓度检测技术之间，构建一个简单的定性或者定量关系， 是为了降低问题的复杂度，对其进行不断深入的了解和研究，同时也可以对不断 深入的研究进程进行管理。 对于光学检测仪器，检测的结果受到多个因素的影响，只有当悬浮颗粒的浓 度、微粒的大小、形状和表面特性等影响因素都处于限定的范围之内时，才能保 证检测值的准确性。浊度值的测定不仅与水中悬浮颗粒的浓度，颗粒的大小、形 状、颜色和表面特性、光线特性等因素有关，同时还受浊度仪的具体设计参数的 影响。而水体中的颗粒物质是产生浊度的根本原因，是最重要的影响因素之一， 已经有研究表吲1 0 j ，直径小于等于o 1 l a m 的颗粒不产生明显的浊度数值，直径 大于l p , m 的颗粒产生的浊度读数偏高，直径再大的颗粒对光的反应又下降，浊 度能够灵敏而准确评测的就是0 1 i m a - l i m a 之间的颗粒。水体中颗粒物的粒度分 布范围较宽广，所以对于水处理而言，其它粒径范围颗粒的定量检测是非常重要 的。 随着科学技术的发展，在颗粒检测过程中，引入了一些新兴的理论与技术， 这样能够更好地对颗粒特性进行检测，研究和分析所得的颗粒信息能够更加完 善。现代的浊度检测主要是基于光散射原理，颗粒指数r 值是基于光透射原理， 常用的颗粒计数技术是光的阻塞原理。浊度值和颗粒浓度的相关性，颗粒检测r 值和颗粒浓度的相关性，通过比较两种相关性，也是对检测原理相关性的比较， 分别得到相关性最好的颗粒尺寸，将相关性最好的颗粒粒径和颗粒数量转化为浊 度或者颗粒指数r 值可以接受的信号，从而修正浊度值或者颗粒指数r 值。在 本试验中，浊度的灵敏检测范围为l i m a 以下的颗粒，脉动颗粒检测仪对l l a m 以 上的颗粒比较灵敏，颗粒计数检测技术的灵敏检测范围是2 岫以上的颗粒。研 究各种检测技术之间的相关性，可以补充分析不同仪器的灵敏检测范围差异对检 测原理的相关性产生的影响。 2 4 颗粒物质检测方法 对水中颗粒物质的检测一直是水行业中的重点研究问题之二。近年来，随着 检测理论和技术的日益发展，传统的颗粒检测方法不断更新和完善，新型测量方 法也不断涌现。就目前在水处理中得到广泛应用的颗粒检测仪器来说，按其检测 方式，主要有光学式、电学式和光电式检测。在这里介绍几种水处理中广泛采用 的颗粒检测方法。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 4 1 浊度检测技术 浊度是一个反映水中悬浮颗粒光学性质的水质替代参数，虽然不能定性定量 的说明悬浮颗粒的性质。但是在一定范围内，浊度与颗粒浓度之间存在良好的相 关性。浊度测量方法从最初的目测比浊、目测透视深度发展到光电法进行检测。 浊度的检测方式主要有以下三种：透射检测方法、散射检测方法和综合检测方法。 9 0 度探测嚣 2 4 1 1 透射检测方法 图2 1 浊度检测方式示意图 f i g2 1m o n i t o r i n gm e t h o d so f t u r b i d i t yc h a r t 这里仅以与本课题研究内容密切相关的透射光检测方式为例，对计算方法进 行详细介绍。透射式检测，是用一束光通过一定厚度的待测液体，并且测量由于 待测溶液中的悬浮颗粒对入射光的吸收和散射而引起透射光强度的衰减量，从而 确定待测溶液的浊度。透射式浊度仪的检测值遵循朗伯一比尔定律，仪器读数随 浊度值的增大而减小，所以浊度值越小，透光率越大；在中等浊度范围内呈非线 性响应。 其计算方法如下： 对于单一颗粒粒径的均匀悬浮溶液，如果每单位体积含有n 个颗粒，则： t = n c( 2 1 ) 其中：c 单个颗粒的散射截面积。 通常c 表示成颗粒的几何截面积；对于球形颗粒，c 可表示为： c = q 7 c a 2 ( 2 2 ) 其中：a 一球形颗粒的半径( 几何半径) ；p 无量纲散射系数。 大多数悬浮液都不是由单一粒径颗粒组成的，一般含有一系列不同粒径的颗 粒，此时，浊度不能由式( 2 1 ) 给出，可用下式代替： t = e n i c i( 2 3 ) 其中n i 和c i 是第i 种颗粒的数量浓度和光散射截面，总和代表所有粒径的 1 2 第2 章水处理中主要颗粒检测方法 颗粒。 2 4 1 2 散射检测方法 散射式检测，是测量入射光被待测溶液中的悬浮颗粒散射所产生的散射光的 强度来确定待测溶液浊度的。散射式浊度仪的检测值遵循雷采公式，仪器的读数 随浊度值的增大而增大，低浊度范围内呈线性响应。按其测量方法的不同，又分 为向前散射式、垂直散射式和向后散射式三种，如图2 1 中所示。 散射检测方法与溶液的颗粒浓度有密切关系，根据颗粒浓度的高低可以分为 相关散射和不相关散射【1 1 1 。当分散在均匀介质中的微小颗粒之间的距离足够大 时，可以认为一个颗粒的散射不会因为其它颗粒的存在而受到影响。此时，可以 不考虑其它颗粒的存在而研究单个颗粒的散射特性，叫不相关散射。准确的讲， 同一入射光中由不同颗粒散射在同一方向上的散射光具有一定的相位关系，是相 干的。但是由于小颗粒的非常微小的位移或散射角度微小的变化会改变其位相相 差，所以，大量无规则杂乱分布的小颗粒散射的综合效