1.8　絮体特性研究

混凝是水中胶体和悬浮物聚集的过程，混凝过程伴随着絮体的生长和破碎，当絮体生长的速度和絮体破碎的速度达到平衡时，絮体达到稳定，其尺寸不再增加。絮体的生长受混凝剂性质、原水的性质、水力条件、pH值以及水温等因素的影响。絮体物理特性对水处理工艺中的固液分离过程有着重要影响。在水处理工艺中，往往存在着局部的高剪切力，如气浮池中的容器释放区、构筑物堰板以及泵等均可产生局部强剪区域，对生成的絮体存在较大的破坏作用。破碎后的小絮体的沉降速度比相近密度大絮体的沉降速度慢、且难以与气浮工艺的气泡相互粘附，所以在实际运行中将影响影响固液分离和其他后续工艺的效果。因此，水处理工艺中一般要求絮体有较大的强度，即在高剪切力下，絮体的破碎程度较小。

很多研究者针对无机混凝剂以及有机混凝剂单独混凝时的絮体进行研究，发现絮体的抗破碎能力及破碎后的恢复能力和混凝机理有关。研究证明，絮体的强度很大程度上取决于颗粒之间的结合键强弱以及结合键个数^［74］。当剪切力大于颗粒间结合的作用力时，絮体就会发生破碎。无机混凝剂水解高聚物以及氢氧化物沉淀架桥作用比较弱，所以其生成的絮体强度较低、容易破碎。絮体的破碎主要有两种方式：一是絮体断裂性破碎；二是絮体侵蚀性破碎。絮体断裂是指絮体断裂成大小相近的几个小絮体，侵蚀性破碎是指小颗粒从絮体的表面脱落下来。前者是垂直于絮体的拉伸力引起的，后者是切线方向上的剪应力引起的。

迄今为止，关于絮体强度的测定仍然没有一种令人满意的方法。目前主要存在的絮体强度的测定方法包括宏观测定法及微观测定法两类^［75］。宏观絮体强度法主要依赖于紊流理论、涡流大小和絮体强度模型，包括水力剪切、超声和多格栅震荡搅拌法等。有的研究学者认为^［76］认为，在相同的剪切条件下，絮体的粒径即可用来表征絮体的强度。所以，絮体的强度可以通过相同剪切下的絮体最大或者平均粒径来表征。但这只是衡量了在一定剪切下已经形成絮体的强度，而无法表征絮体遭遇局部强剪切力时的变化。微观法是测量某一絮体内颗粒间的作用力。另外，絮体破碎时所需的能量决定了破碎后的絮体粒径。这种方法的优点为：直接对絮体的破碎情况进行监测，可以观测出絮体破碎情况以及在哪个具体部位发生的破碎等详细信息，有利于全面地理解絮体破碎机制。但是这种微观技术虽然为絮体强度的量化提供了有效方法，然而该方法也仅仅针对几百个单独的絮体进行测定，絮体涉及类型很少，因此还需要拓展应用范围。

常用的絮体粒径测定方法有光散射颗粒分析仪（Photometric Dispersion Analyzer，PDA）、激光散射粒度分析仪和图像采集分析技术。破碎后的絮体在较小的水力条件下，具有一定的恢复能力，其恢复程度与絮体形成的机理有关。絮体的破碎再生能力可以用破碎因子和恢复因子表示。

在混凝的研究过程中，分形理论起了很大的促进作用。它启发研究人员对絮凝体结构、混凝机理和动力学模型作进一步的认识。表征絮体分形结构的特征参数为分形维数（D_f），D_f表征絮体不规则性、复杂性或者空间的填充度量程度。一般来说，絮体的D_f越大，表明絮体结构越紧密、密实；D_f越小，絮体结构越松散。混凝过程中絮体分维值的变化可以用来预测混凝过程中絮体的结构变化，并对絮体形成的影响因素进行进一步的研究，提出最佳的混凝控制条件。目前确定絮体分形维数的方法主要有两种^［77］：一种是计算机模拟絮凝体的生长过程；另一种是通过实验直接进行测定。计算机的模拟计算是基于絮凝体形成机制发展起来的，在20世纪70～80年代应用比较多；而通过先进的仪器直接对絮体D_f进行测定已经成为目前絮体分形结构测定的主要方法，包括显微图像法、粒径分布法、自由沉淀法、光散射法和质量粒径法。

近几年，对于絮体的性质已经有了较多的研究，对有机高分子絮凝剂和聚合氯化铝的絮体破碎和再生能力的研究也有报道^{［78～80］}。但是关于Al₁₃在水和废水处理中的应用尚无系统、深入的研究，特别是Al₁₃在不同混凝条件下，包括不同的水样特性、水力条件下形成絮体与其他铝盐混凝剂的差异更缺乏较全面的研究和探讨。