工艺技术_水处理絮凝工艺及颗粒形态控制技术论文

硕士学位论文硕士学位论文 水处理絮凝工艺强化及颗粒形态控制技术 研究 RESEARCH ON FLOCCULATION PROCESS ENHANCED IN WATER TREATMENT AND PARTICLE MORPHOLOGY CONTROL TECHNOLOGY 王振北王振北 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2013 年年 7 月月 国内图书分类号：TU991.22 学校代码：10213 国际图书分类号：628.1 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 水处理絮凝工艺强化及颗粒形态控制技术 研究 硕 士 研 究 生 ： 王振北 导 师 ： 南军教授 申请学位 ： 工学硕士 学科 ： 城市水资源 所 在 单 位 ： 市政环境工程学院 答 辩 日 期 ： 2013 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 Classified Index: TU991.2 U.D.C: 628.1 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON FLOCCULATION PROCESS ENHANCED IN WATER TREATMENT AND PARTICLE MORPHOLOGY CONTROL TECHNOLOGY Candidate： Wang Zhenbei Supervisor： Prof. Nan Jun Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Urban Water Resources Affiliation： School of Municipal and Environment Engineering Date of Defence： July, 2013 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 混凝是常规水处理过程中不可缺少的基础工艺，对水厂的运行费用及整个水 处理的最终结果都有很大的影响，是水处理研究方向的主要分支之一。现阶段关 于混凝过程的试验研究，大多采用的为烧杯试验，与实际水处理工艺中的混凝过 程有所区别，只适合于理论研究与分析，而模型试验能较好的模拟反映实际水处 理工艺中的混凝过程。在实际的水处理工艺运行中，大多关心的是絮凝效果的好 坏，很少研究絮凝过程内部变化规律。采用模型试验研究不同试验条件下絮凝过 程中的内部变化规律能很好地指导实际运行并进行优化控制。 本课题采用中试模型试验，模拟机械絮凝池絮凝流程的动态变化，进行流程 的动态研究与优化控制。试验中采用聚合氯化铝为絮凝剂，利用在线浊度仪、颗 粒计数仪及电子摄像机作为监控手段，以浊度、颗粒数等监测指标及粒度分布、 分形维数、平均粒径等推导所得指标作为分析基础，得到絮凝内部流程变化规律 及不同试验条件对絮凝流程的影响情况。 试验中为模拟实际水厂并进行优化控制，主要针对水厂常见的常规工艺参数、 负荷冲击情况进行了研究分析，并采用破碎再恢复技术对絮凝过程进行强化。研 究发现，常规工艺条件下模拟试验最优絮凝效果为聚合氯化铝投加量 30mg/L、水 力搅拌条件第一格絮凝池 250r/min、 第二格絮凝池 150r/min、 第三格絮凝池 90 r/min 下最优， 絮凝连续流程中大于 7m 的颗粒形态可以用来衡量絮凝效果， 数量越多， 效果越好，对絮凝连续流程中第一格絮凝池与第二格絮凝池之间的流程颗粒形态 进行有效控制对浊度及颗粒的去除作用明显；冲击负荷下，机械絮凝池抗冲击负 荷能力较强，在常规流程下对低温低浊水处理效果达不到理想要求，综合分析发 现粒度分形维数与几何分形维数可以互相补充不足，好的絮凝过程二者的值均较 大。 在研究破碎强化低温低浊水混凝过程中，发现絮凝连续流程加入一次破碎会 有更好的絮凝效果， 破碎重组后的絮体会更小更密实。 二次破碎与一次破碎相比， 对絮凝连续流程的絮凝效果影响更大，出水效果更好且破碎重组后的絮体较一次 破碎密实度有所增大，尺寸有所减小。二次破碎较一次破碎出水水质更为稳定， 一次破碎较常规流程出水水质更为稳定。 关键词：机械絮凝；颗粒形态；分形维数；优化控制； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract In conventional water treatment process， coagulation is the indispensable basis unit， which can importantly affect the operation of the water plant and the final effect of water treatment, and coagulation is one of the main branches of research direction for water treatment. At this stage, experimental study on coagulation process mostly use the jar test, which is different with the coagulation process in the actual water treatment process, only suitable for theoretical research and analysis. While the model test can simulate and reflect the coagulation process in the actual water treatment process better. In the operation of actual water treatment process, the flocculation effect is concerned mostly, and there are few researches on the internal variation of flocculation process. Model test study on the internal variation of flocculation process with different test conditions can guide the practical operation better and optimize the control. In the thesis, pilot model test simulate dynamic change of flocculation process in the machinery flocculating tank, to dynamic analysis and optimal control the process. In the test, polymeric aluminum chloride is used for flocculant, and on-line turbidimeter， particle counter and electronic camera are applied to monitor, monitoring indicators such as turbidity, particle counts, and derivation of indicators such as particle size distribution, fractal dimension, average diameter are regarded as a foundation of analysis. The variation of flocculation process and the effect of different experiment condition to the flocculation process can be taken For simulating actual water treatment and optimize the control, the conventional process parameters and the situation of shock-load, aimed at the water plant operation, were researched and analyzed. Breakage and regrowth technology were used to enhance the flocculation process. Research finding that simulation test under the condition of conventional process had the optimum flocculation effect with polymeric aluminum chloride dosing amount 30 mg/L, and the hydraulic agitation conditions 250 r/min in the first flocculation basin, 150 r/min in the second flocculation basin, 90 r/min in the third flocculation basin was optimal. During flocculation continuous process, the particle morphology of more than 7 microns can be used to measure the effect of flocculation, the more the better the results. The particle morphology for the process between the first flocculation basin and the second flocculation basin was under effective control, an obvious effect for removing turbidity and particles can be taken. Under the situation of shock-load, the machinery flocculating tank has a stronger capacity of shock-load. Under the conventional process, for low temperature and low turbidity water, the treatment effect can not reach the ideal requirements. Comprehensive analysis found 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - that granularity fractal dimension and geometric fractal dimension can complement each other, the values of them are larger in a good flocculation process. In the study on breakage enhance the coagulation process of low temperature and low turbidity water, comprehensive analysis found that there will be a better flocculation effect if primary breakage was taken in flocculation continuous process. The flocs after breakage and restructure were smaller and more compact. To compare with the primary breakage, the secondary breakage affected the continuous flocculation process greater and the effluent water better, and the flocs of secondary breakage after breakage and restructure was smaller and more compact than the flocs of primary breakage. The effluent water quality of the secondary breakage was more stable than the effluent water quality of the primary breakage. The effluent water quality of the primary breakage was more stable than the conventional process. Keywords: machinery flocculation, particle morphology, fractal dimension, optimal control 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 目 录 摘 要 . I Abstract. II 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题背景 . 1 1.1.1 混凝理论简述 2 1.1.2 混凝剂及助凝剂 3 1.2 分形理论在絮凝中的应用 . 4 1.2.1 分形理论综述 4 1.2.2 分形理论在混凝研究中的应用 5 1.3 絮体破碎研究现状及介绍 . 7 1.4 研究意义及研究内容 . 8 1.4.1 研究目的与意义 8 1.4.2 研究主要内容 9 1.4.3 课题来源 9 第 2 章 试验设备与研究方法 .10 2.1 试验材料与设备 . 10 2.1.1 试验材料 10 2.1.2 试验所用仪器 . 11 2.1.3 试验设备 . 11 2.2 试验方法与流程 . 12 2.2.1 试验中所用各种溶液的制取 12 2.2.2 试验中主要监测的手段及用途 13 2.2.3 试验流程的设置 15 2.3 试验分析软件的应用 . 16 2.3.1 原水浊度及颗粒数监测软件 16 2.3.2 絮体图像采集及分析软件 18 2.4 试验分析指标及其计算方法 . 20 2.4.1 水中絮体的粒度分形维数计算演示 20 2.4.2 几何分形维数及平均粒径 20 2.5 试验设计及条件优化 . 21 2.5.1 试验设计 21 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - V - 2.5.2 选择最佳投药量 22 2.5.3 最佳速度梯度配比的确定 23 2.5.4 一次破碎及二次破碎位置的选择 23 2.6 本章小结 . 24 第 3 章 动态絮凝过程工艺参数优化研究 .25 3.1 引言 . 25 3.2 絮凝剂对动态絮凝过程的影响 . 25 3.2.1 絮凝效果影响研究 25 3.2.2 连续流程粒度分布影响研究 28 3.2.3 连续流程水力变化过程影响研究 33 3.3 速度梯度配比选择过程 . 37 3.3.1 对实验条件下搅拌强度的 G 值转化 . 37 3.3.2 絮凝过程 G 值的选择过程 . 38 3.4 速度梯度分布对动态流程的影响 . 39 3.4.1 絮凝效果影响研究 39 3.4.2 连续流程粒度分布影响研究 41 3.4.3 连续流程水力变化过程影响分析 45 3.5 本章小结 . 48 第 4 章 动态絮凝过程工艺抗冲击能力研究 .50 4.1 引言 . 50 4.2 进水浊度变化对动态流程负荷影响研究 . 50 4.2.1 絮凝效果影响研究 50 4.2.2 连续流程粒度分布变化研究 52 4.2.3 絮体形态特征研究分析 58 4.3 进水流量变化对动态流程作用分析 . 63 4.3.1 絮凝效果影响研究 63 4.3.2 连续流程粒度分布变化研究 64 4.3.3 絮体形态特征研究分析 69 4.4 本章小结 . 72 第 5 章 破碎对低温低浊水动态絮凝过程影响研究 .74 5.1 引言 . 74 5.2 低温低浊水一次破碎絮凝过程效能研究 . 74 5.2.1 絮凝效果影响研究 75 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - VI - 5.2.2 粒度分布变化影响 76 5.2.3 几何形态特征研究分析 79 5.3 低温低浊水二次破碎絮凝过程效能研究 . 80 5.3.1 絮凝效果影响研究 80 5.3.2 粒度分布变化影响 82 5.3.3 几何形态特征分析 83 5.4 破碎对水质稳定性的影响 . 85 5.4.1 一次破碎对水质稳定性的影响 85 5.4.2 二次破碎对水质稳定性的影响 86 5.5 本章小结 . 86 结 论 .88 参考文献 .89 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 .93 致 谢 .94 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪论 1.1 课题背景 自从工业革命改变了人类社会形态的伊始，全球经济的迅猛发展，人口的飞 速增长及单人对物资占有量的提高，致使全球各地对可利用的水资源的需求量日 渐增大。与此同时对水质的要求也逐渐增高，就我国而论，现已在全国全面执行 了最新的 106 项水质指标。然而，自上世纪 60 年代起，水危机对全球的影响情况 越发严重，人均水资源占有量的减少给人们的日常生活及生产使用造成了极大的 不便， 对经济发展而言成为了制约因素1。 我国作为人均水资源占有量上的 “小国” ， 由于水资源的东南与西北分布的巨大差异性,同时更多水源由于难以满足新的 106 项标准，现今已经被列入“水质性缺水”之列2。再加上现阶段我国七大水系水质 总体情况不容乐观3的原因，对水处理工艺的优化及改进已经迫在眉睫。全球各地 由此衍生出的对水领域的研究近些年也因此而蓬勃兴起，提高供水水质更是其中 的重中之重，切实关系到人民群众的日常生活。 在水处理工艺随时代变迁的过程中，混凝工艺是已知应用的最古老也是最普 遍的工艺之一。很早以前人类就已经应用了此项技术对水进行净化，即使在今天 水处理工艺体系如此发达的情况下，混凝工艺依然广泛使用。并会对后续整个流 程的运行工况、 出水水质等产生巨大的影响。 以目前对絮凝过程的研究方式来说， 主要集中在试验室条件下的烧杯试验和模型试验上。而就我国来说，大部分水厂 主要通过烧杯试验来指导日常处理过程中的混凝剂的投加量及种类。烧杯试验本 身容易进行且需要条件较为宽松，并且能清楚的演示絮凝过程各个阶段所发生的 变化而广泛使用4。 但是因其不能有效的反映出实际工艺中絮凝阶段由于水的流动 所带来的水力学条件所导致的变化，又因其与实际生产过程的偏离甚远，对过程 控制实际的指导作用很小4，最好应用于理论研究。因此，考虑按相似原理设计一 组混凝反应器，使其能够更加准确的还原实际工艺絮凝池的工况并且更贴近实际 过程，为混凝的研究提供更加稳定有效的理论依据。絮凝理论随时间不断发展， 研究从定性阐述发展到半定量或定量模型及模式，并建立各种条件下颗粒的化学 脱稳模型及水动力学传输数学模型5。而对于实际反应过程中间的絮体的形态、结 构特征、絮体成长过程中的变化情况、絮凝特性对絮凝机理及处理效果的影响等 尚未进行有效的探测分析，而且并未给予定量的描述6。以上的一切因素促使该组 混凝反应器对絮凝过程中的絮体颗粒形态的研究变得非常的必要。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 1967 年曼德布罗特（Mandelbrot）提出了分形理论（Fractal Theory） ，该理论 经过多年的发展与完善，现在已经应用到包括水处理领域中的众多领域中，经研 究发现分形理论尤其对混凝过程有很重要的意义。经国内外众多学者研究发现， 分形维数与絮体的结构密实度有直接的关系。借助于高清电子显微镜、透射电镜 等现代化的仪器并通过分形理论的应用，现已经可以研究水中的絮体的结构、絮 凝的机理、絮体粒径的分布等。并可进一步研究对絮凝效果产生的影响，因此可 以应用到混凝过程的优化当中。换而言之，可进一步应用到实际水厂中去，实现 对现有水厂的升级及优化改造。 虽然在实际水厂运行中我们想要生成的是大而密实的絮体，但絮凝过程中絮 体的破碎却是无法避免的过程。 因此， 破碎理论自然而然的被引入到絮凝过程中。 絮凝破碎主要涉及两大类及即表面侵蚀和大规模絮体破碎710，虽然现阶段有些 理论研究如紊动耗散，仍未得到整个学术界的公认。絮体絮凝主要有机械和水力 两种搅拌方式，机械絮凝在国内应用还相对较少，在国外应用较多。水力絮凝则 恰恰相反，国内大部分水厂现阶段的运行均为水力搅拌絮凝，常常用到的有网格 絮凝池及折板絮凝池等。我们现在的研究主要集中在下面内容：通过在线监测平 台研究机械絮凝池内各粒径颗粒随絮凝流程的变化状况，然后结和高清电子照相 机所得絮体图像的形态特征及结构特征进行分析，得到连续流絮凝流程变化过程 中的规律性的结果并作为实际采用机械絮凝池水厂的理论支撑。 1.1.1 混凝理论简述 混凝理论经几十年的发展， 其理论体系不断延伸发展， 现在可分为多个方面， 主要包括混凝基础理论、混凝动力学理论、混凝形态学理论等等。下面我们仅就 上述提到的方面进行简述。 混凝基础理论一般将混凝过程按混凝反应的进行的程度分为凝聚和絮凝两段。 其中在混合阶段我们通常认为主要发生凝聚作用即胶体颗粒的脱稳失去稳定性， 同时由于布朗运动对已经脱稳的胶体颗粒的作用而生成微絮体的过程；凝聚通常 则是指混凝反应中这样一个阶段，就是微絮体形成大絮体的阶段。混凝理论是随 着 DLVO 理论的提出而逐步发展起来的11,该理论对一定条件下的胶体凝聚及其稳 定性的研究的进展产生了巨大的贡献。但是该理论的缺陷之处在于它不能用来解 释水处理中发生的全部混凝现象，比如说胶体再稳的现象。现阶段公认的三种混 凝作用为电性中和、吸附架桥及网捕卷扫，同时也有人将压缩双电层作用列入混 凝作用。 有大量学者到研究三种作用下的各种絮凝现象的发生变化及机理， 如 John Gregory 等人研究了电性中和条件下絮体的破碎与重构12,李冬梅等研究了吸附架 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 桥条件下的絮凝分形结构13,Li等人研究了在网捕卷扫条件下的铝盐混凝剂的絮体 强度及分形特性14。这三种作用在混凝过程中具体是哪种起到了主要的作用，与 水中胶体粒子、水的 PH 值及混凝剂投加量和种类等各个方面都密切相关。虽然也 有学者提出了类似于吸附沉积-电中和模式15、混凝过滤模式16等等新的理论，但 却很少能应用到现阶段的实际水厂中。 混凝形态学是混凝研究中的一个主要方面，在过去的研究里面，多认为混凝 体系是一个“黑箱”17，即只考虑混凝剂的投加及最终出水混凝结果的好坏，却 没考虑到絮体的形态和结构是如何形成变化的。即便考虑了絮体的形态及结构也 是简单的认为是絮体都是球形，与实际混凝过程中絮体形态结构差距很大，使得 絮凝理论与实际的研究产生了脱节，互相之间的符合程度很小。随着科学技术的 不断发展进步，尤其是电荷耦合摄像机、水下显微录像机、透射电镜等应用图像 分析来研究混凝过程设备的产生与应用，使混凝过程中水中的胶体颗粒的各项特 性研究成为了可能，推动了混凝形态学研究进一步的发展。自 1986 年蒋展鹏等人 提出絮凝形态学的概念， 混凝形态学发展到今天， 涉及的主要研究内容极为丰富。 包括了水中胶粒的形状、粒度分布、表面特性等，同时这些因素对絮体结构及形 成的影响研究也列入了混凝形态学的清单。 混凝动力学主要研究颗粒与颗粒之间或者颗粒与混凝剂之间的碰撞速率及混 凝速率等问题，其中颗粒应以能发生碰撞的方式进行位移并且颗粒间的作用力须 能够使颗粒间形成稳定的絮体。简单地讲，在絮体形成之前，颗粒需要一定的条 件彼此才能够相互接近，而当颗粒间由于存在异向絮凝或由水力或机械搅拌等产 生的同向絮凝作用而发生碰撞后，就已经产生了颗粒互相接近的可能，至于颗粒 能否粘结则是由彼此之间的范德华引力和静电斥力等相互作用力所共同决定。其 中同向絮凝在混凝过程中占主导地位的理论占据了混凝动力学的主流，但是混凝 动力学直至今日还处于不断发展的进程中，并未形成统一定论。 1.1.2 混凝剂及助凝剂 在整个水处理过程中混凝的研究方面，除了上述所阐述的关于混凝理论的研 究外，因混凝剂及助凝剂对混凝过程的巨大影响，大量学者也集中精力在混凝剂 及助凝剂的研究上。 1.2.2.1 混凝剂 混凝剂是在混凝过程中进行加入促使水中胶体颗粒脱稳形成絮体的药剂。其 种类有数百种，而且按可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两大类，当然现在微生物 絮凝剂也成为了一个新的热点18。有机混凝剂的种类非常多，但大部分主要是高 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 分子物质。有机高分子絮凝剂有不受 PH 值干扰、产生污泥量相对较少、絮凝速度 快等优点。但因其较高的价格和未知的安全隐患在实际的水处理领域中应用却很 少。 无机混凝剂品种相对来说比较少，目前应用于水厂中的多为铝盐和铁盐及其 聚合物。对于铝盐及铁盐来说，PH 较低时，主要靠压缩双底层作用，但因所处理 的水 PH 值多在 6.5 到 7.7 之间，在水处理中该种情况并不常见。PH 值较高时，主 要靠吸附架桥及网捕卷扫作用，并会产生适当的络合作用。在实际的水处理过程 中，几种作用通常都是共同作用，只是程度不太相同主导地位不一致。无机混凝 剂中的无机高分子絮凝剂具有无毒、价格相对低廉、处理效果好等优点，已经在 很多地方取代了无机盐絮凝剂，目前已发展成为水厂混凝过程中主要应用的药剂， 就我国来说，现今无机高分子絮凝剂对市场的控制程度已经达到了八成以上19， 而聚合氯化铝又是无机高分子絮凝剂中最为常用的絮凝剂。本实验中采用聚合氯 化铝为主要的絮凝剂，符合大多数实际水厂絮凝过程对絮凝药剂的选择。 1.2.2.2 助凝剂 当使用混凝剂不能取得预期效果时，我们需要加入某种药剂起辅助作用，以 便使混凝效果得到优化，这就是通常所说的助凝剂。助凝剂通常有骨胶、活化硅 酸、海藻酸钠、聚丙烯酰胺等等种类，大部分助凝剂的作用机理都是高分子架桥 作用，所以部分有机高分子絮凝剂比如常见的聚丙烯酰胺（PAM）既是混凝剂也 是助凝剂，但是阴离子型高分子因絮凝效果不好，只能作为助凝剂使用。类似于 海藻酸钠这类助凝剂则因其价格太过昂贵，不适合水厂实际应用，所以水厂中多 使用聚丙烯酰胺。从理论上来说，凡是能对混凝剂作用效果有增幅的药剂都可以 是助凝剂，比如粉末活性炭可以加强对小分子有机物的除去效果，故也可以称为 助凝剂，这就导致了助凝剂的界限并不是十分明显和死板的。助凝剂按其投加目 的可以分为以下几大类：1.用来改善已经形成的絮体结构的助凝剂，通常方式为吸 附架桥；2.通过改变混凝剂的化学形态来改善混凝效果的助凝剂；3.通过改变原水 酸碱度促使混凝剂水解的助凝剂； 4.通过破坏水体中有机污染物对胶体的保护作用 来改善混凝效果的助凝剂。 1.2 分形理论在絮凝中的应用 1.2.1 分形理论综述 近年来， 随着混沌理论(Choas)、 分形理论(Fractal theory)与耗散结构(Dissipative Structure)等理论的发展完善,为我们研究自然界中无规则、复杂混乱的现象提供了 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 必要的条件。其中的分形理论是一门现阶段应用于众多领域中的、深刻实用的、 交叉性的横断学科。就学科本身属性而论，属于非线性学科，目前分形理论对世 界产生的影响是巨大无比的，而且不仅仅限于水处理领域。 分形理论诞生于 70 年代中期，其创始人是美国 IBM 的研究人员 B.B.Mandelbrot，是完全不同于欧几里得几何学性质的大自然的几何学20-22分形理 论有两个主要的理论支撑点即标度不变性和自相似性。分形理论有无规则且复杂 的外部特征，并具有自相似性和自仿射性的内部特征。其中无限的自相似性正是 分形理论的根本23，自相似性指的是大尺寸的整体形态与小尺寸的局部形态有某 种程度的相似，简而言之就是把小尺寸的局部形态通过沿各个方向的同比例放大 的方式处理后，与大尺寸的整体形态产生相似或者很有可能完全相同。自仿射性 则是指虽然局部形态与整体形态不同，但是通过一系列的手段，使局部形态通过 不同的比例放大的方式，产生于整体形态相似的效果，而且很可能的效果为完全 相同。因为分形几何学为不同于欧几里得几何学的新式几何学。分形维数可以为 分数而并非硬性的要求为整数，可以描述许多复杂且不规则的现象，这是传统的 数学无法达到的24。因此，1986 年汤中红等人将分形理论引入了混凝理论的研究 中，为混凝形态学的发展奠定了稳定的基础。 1.2.2 分形理论在混凝研究中的应用 在混凝过程中，分形维数可以通过线性的、平面的或者体积关系来定义，产 生我们常说的一维的、二维的和三维的分形维数值。例如，下面我们以常用的二 维分形维数 D2来说明分形维数是如何在混凝过程中进行表述的。如图 1-1 所示， D2表示的是随着半径增长所包含的絮体团块的变化关系。通常表示为下面等式： 2 D Ar (1-1) 其中 A 表示的是包含在一定半径 r 所形成的圆周范围内的所有初始颗粒絮体 的总面积。因此，D2可以表示为 logA 对 logr 图像的斜率，如果要是在欧几里得几 何学中，那么 D2=2 表示的是实心圆。但现在我们讨论的 D2是应用于混凝形态学 研究中的分形维数值，而初始颗粒所形成的絮体是不规则的，因此就可以是从 1 到 2 之间的分数2527。例如，Gorczyca 和 Ganczarczyk 通过分形理论研究在无机 粘土和无机物悬浮液中的铝盐絮体的 D2值为 1.71 和 1.97 左右27，而 Li 和 Ganczarczyk通过Tambo和Watanabe的研究估算铝盐絮体的分形维数在1.59到1.97 之间28,29。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 图 1-1 随回转半径增长的絮团变化图 Fig. 1-1Variation of contained mass as a function of increasing radius. 分形理论在混凝领域中所应用的两个主要方面即混凝形态学和混凝动力学领 域。对于混凝形态学方面来说,分形理论有以下几点应用。首先，由于絮体的多层 结构模型的产生，经研究导出分形维数与絮体粒径有相关关系3032。Chakraborti、 Khelifa、Hill、Maggi 等人都做过此方面的研究3335。其次，有很多人做过研究表 明，分形维数大代表絮体有效密度高，结构密实；而分形维数小代表絮体有效密 度小，结构越松散。最后，分形维数还与絮凝效果的重要指标之一即沉降速度有 很大的关系，经研究发现，当分形维数小于 2 时，絮体内部有很多孔导致其渗透 性降低了阻力， 使絮体沉降速度提高； 而对于分形维数介于 2 和 3 之间的絮体， 在与上述相同质量的前提下，随分形维数变小物理尺寸却增大，导致了阻力的增 大沉降速度的降低36，Tang、Khelifa 和 Hill 等人都做了一定的研究34,37。 下面阐述一下分形理论对于混凝动力学方面的应用。首先，就是分形理论的 出现，使绝大部分絮凝模型的基础 Smoluchowski 方程得到了优化。其中，Lee、 Logan、Sterling 都做了大量的研究3842。其次，就是分形理论对絮体生长模式发 展的影响。在较早的时候，所有研究者对絮体内部结构进行研究，均以具有一定 大小的球形的初始颗粒作为假定情况， 所得到的絮体模型与实际差距很大。 后来， 分形理论的出现打破了必须用欧几里得几何学研究的限制，采用非线性的方法来 研究，促进了人们对絮体的内部结构和絮体的特性的更加清晰的、正确的认识。 在此方面除了有限扩散凝聚模型、 弹射凝聚模型、 反应控制凝聚模型外， Snidaro、 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 武若冰等人也相继对此方面作了一定的进一步研究43,44。 1.3 絮体破碎研究现状及介绍 对于絮凝和凝聚过程中污染物的去除机制现阶段已经研究的比较透彻了，但 是对于基本的絮凝流程参数却很少考虑。这里面包含物理属性比如颗粒尺寸、密 实度及强度等等，同时絮体破碎后的恢复能力也是净水厂处理中的一个有重大影 响的性质。在净水厂处理的常规流程中我们通常想要避免絮体的破碎，但由于现 阶段水处理絮凝过程剪切速率普遍过高，实际情况却并非总是如此，这可能包括 了搅拌桨叶区域、有突起或者曲折的区域。如果在有足够颗粒碰撞时间，絮体破 碎恢复能力很好的的话，可能使后续絮凝流程的去除效率有所增大。当前不同的 絮体破碎及恢复絮凝系统可以通过絮体的强度因子及恢复因子进行比较。应用球 形粒子模型并以乳胶微粒为例，在盐溶液中低剪切速率下的乳胶微粒经剪切速率 的突然增大可能破碎成颗粒。但是当剪切速率一旦恢复到低剪切条件下，乳胶微 粒就会重新恢复到原来的形状及大小，这就是所谓的可逆性的破碎。这种现象在 不断循环的活性污泥的破碎及恢复过程中也可以看到。但是我们接触到的大多数 金属盐絮凝剂及其聚合物所发生的絮体破碎都是不可逆的过程，在调查研究中絮 体的恢复能力与絮凝剂本身关系极为密切。 因此对于絮体破碎的研究现已经全面开展45。Wang D46等人研究了不同絮凝 机理下剪切速率对絮体破碎过程的影响；Yu W47-49等人研究了铝盐等絮凝剂生成 絮体的破碎与重构；Yuan Y50等人研究了活性污泥的强度及破碎问题；Xu W51 等人研究了絮体的尺寸、结构及分形特性的变化; Xiao F、Cheng W、Zahnow J C 等很多学者还有在此方面的很多研究52-54。在混凝反应池中，絮体的增长的速率 与所应用的剪切速率、初始颗粒的浓度、有效碰撞速率以及由于絮凝剂投加而导 致的颗粒的脱稳程度有关。随着絮体的增大，在一定的剪切速率的条件下，絮体 的进一步增长受两个基本因素的制约，一个是形成的絮体可能受破碎力的作用而 破碎，第二个在一定的剪切速率条件下初始颗粒的有效碰撞效率会随着絮体的粒 径的增大而减小。当絮体生长和破碎的动态平衡导致一个稳定的絮体粒度分配时， 所应用的剪切速率就是限制絮体生长的主要条件。在颗粒分离的过程中，絮体的 尺寸和结构都对水体中固体颗粒的有效去除效率有很大的影响。 随着剪切速率的增加，混凝过程中的絮体破碎时不可避免的过程。这就可能 使絮体破碎成尺寸大致相等的碎片或者侵蚀成小颗粒的絮体。在紊流的模式下， 破碎很大程度上依赖于剪切速率的大小和絮体内部构造的强度。而絮体内部构造 的强度主要依靠于水中胶体颗粒间的相互作用的特性以及每单位数量颗粒所拥有 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 的平均内部的键的数量多少。众所周知的通过长链聚合物的架桥絮凝作用可以形 成内部构造强度很大的絮体，而无机盐通过破坏颗粒稳定性所形成的絮体的就强 度来说会弱很多。事实上在实际中，对于絮体的强度我们通常是通过观察在给定 的条件下最大的絮体粒径来估测的。 在水处理中，现在水厂中大部分应用的还是金属盐絮凝剂的水解产生大量的 阳离子，用来吸附水中呈电负性的胶体颗粒。在较低的絮凝剂投加量下，电性中 和是颗粒脱稳的主要机理，但过量的絮凝剂的投加就可能会导致电荷反转或者胶 体颗粒的再稳。在高剂量的絮凝剂的投加量下，金属盐水解生成的氢氧化物沉淀 引导了前面提到过的网捕卷扫为主要机理的絮凝作用55。有很多水处理方面的专 家专门研究絮体的破碎与重构作用，如 Francois 和 Spicer 等人，这些人做的研究 充分说明了对于絮体的生长，搅拌条件起着极其巨大的作用56,57。当絮体处于较 高的剪切速率的情况下时，如果以我们要研究的机械絮凝池为例的话，就是很快 的搅拌速度的情况下，絮体必然会破碎的很严重，对于出水很是不利。当然，对 于某些情况这些破碎的絮体是可以重构恢复的，但是对于另一些情况可能就是不 可逆的不能恢复的。 以聚合氯化铝为例说明， 当其处于以电性中和为主要机理时， 形成的絮体的破碎是可逆的也就是说可以很好地重构，但形成的絮体依旧是非常 脆弱而且并非我们想要的理想絮体。当其处于网捕卷扫为主要机理时，形成的絮 体的破碎是不可逆的，但是也能重构并形成我们想要的密实的絮体，当然其粒径 大小很难达到破碎前的程度58。 1.4 研究意义及研究内容 1.4.1 研究目的与意义 随着近年来我国水源水污染情况日益严重，对水处理的重视程度越来越大， 关于水各个方面的研究大量涌现出来。针对我国水厂中所应用的大多为水力絮凝 而机械絮凝应用较少的现状，针对机械絮凝池的研究现已必不可少。在现阶段我 国国内所应用的实际水厂中，一般都是依靠大量投加铝盐絮凝剂来进行絮凝，以 聚合氯化铝为例大部分投加的质量分数为 5%到 8%的浓溶液。也就是说，现在仍 旧停留在研究进入的水质与最终产出的水质的关系上，而对内部具体的变化过程 没有进行充分的研究，所应用的水质指标只关心最终的产出结果，一如众所周知 的沉后水浊度等。对于机械絮凝池内部具体发生了怎样的反应，而反应的好坏又 用什么来评价尚处于研究较少的阶段。因此采用理论研究对实际水厂中的絮凝过 程进行指导及优化，成为了本课题最初的出发点。 针对于水处理中絮凝这一部分的试验，主要是以烧杯实验即用一个固定的容 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 器模仿水处理中的絮凝过程的间歇性试验，以及模型试验即以实际为出发按照相 似条件做一个用以实验的模型设备。考虑到烧杯试验所得到的结果大多与实际有 一定的偏差，仅仅应用于理论研究尚可，如若想要指导实践则可能性极低。我们 的试验设计了一个模拟实际水厂絮凝过程的水处理模型即机械絮凝池来进行试验。 通过该模型设备的研究，我们可以因相似条件得到实际水厂中的更加精确的投药 量的数量、搅拌桨速度梯度配比的选择、对于水力负荷冲击的抵抗能力以及破碎 在絮凝效果的优劣，并确定絮凝过程中内部絮体的变化会对整个后续工艺的水处 理效果产生什么样的影响以及怎样影响。因此本试验对于絮凝流程机理研究及对 实际水厂的指导都有一定的意义。 1.4.2 研究主要内容 本试验主要以给水处理工艺流程水体内的颗粒物为研究对象，在实现机械絮 凝池运行参数评价和进出水颗粒形态分析的基础上，完成以下主要内容： （1）对实验中中试模拟的机械絮凝池颗粒形态的控制进行研究，探讨试验室 条件的动态实验条件下的连续流试验的效果，定量描述水中颗粒形态特征对机械 絮凝池的处理效果的影响. （2）通过强化机械絮凝条件对机械絮凝池出水的颗粒形态进行控制，最终达 到优化机械絮凝效果，提高供水安全可靠性，完成对实际工程中机械絮凝池的运 行具有指导作用。 （3）对机械絮凝池运行参数进行评价分析，探寻影响工艺单元运行的关键因 子，研究强化常规处理条件对机械絮凝池颗粒形态有效控制的机制。 1.4.3 课题来源 本课题来源于： 城市水资源与水环境国家重点试验室自主课题 2012DX07 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 第2章 试验设备与研究方法 2.1 试验材料与设备 2.1.1 试验材料 投加高岭土所形成的悬浊液被认为与部分实际河流的原水水质相类似，因此 本试验采用高岭土来配制悬浊液，比拟实际进水原水。高岭土为上海国药生产分 析纯级别，具体的指标如表 2-1 所示。 表 2-1 高岭土指标 Table 2-1 Indexes of Kaolin 项目 参数 项目 参数 吸附力实验 合格 氯化物(Cl) 0.015% 稀盐酸可溶物 0.18% 灼烧失重 0.3% 重金属 (以 Pb 计) 0.0005% 砷(As) 0.0005% 碳酸盐 合格 砂质 合格 铁 合格 絮凝剂所用聚合氯化铝为分析纯级别的，由天津光复精细化工研究所生产， 应用时先在烧杯中配成实际水厂常采用的质量分数为 5%-8%的溶液，然后再加入 到溶解池中，具体指标如表 2-2 所示。 表 2-2 PAC 指标 Table 2-2 Indexes of PAC 项目 参数 项目 参数 含量 999% pH 4.8 碱化度 70-75% 水不溶物 0.04% 铝 0.003% 镉 无 铬 0.0015% 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 2.1.2 试验所用仪器 试验中所用的主要仪器现汇编如表 2-3 所示。 表 2-3 仪器名称及型号 Table 2-3 Name and model of instrument 仪器名称 仪器型号 磁力搅拌器 78/79 多级变速搅拌器 RW20.n 单头蠕动泵 BT100-2J 双头蠕动泵 LEAD-1 在线浊度仪 MICROL TOL 颗粒计数器 PCX2200 齿轮减速机 BJ20377 pH 计 PHS-3CW 其中磁力搅拌器用于配制聚合氯化铝溶液及 NaOH 溶液；多级变速搅拌器为 混凝过程提供机械搅拌的动力；单头蠕动泵为调整原水 pH 加碱所用，双头蠕动泵 为在线浊度仪及颗粒计数器提供抽水的动力；在线浊度仪可用于测量絮凝连续流 程中各水力停留时间点及沉淀池出水浊度；颗粒计数器用于记录絮凝连续流程中 各水力停留时间点及沉淀池出水的各个粒径范围内的颗粒数；pH 计可用于检验原 水的 pH 值，若原水 pH 不在试验设定范围内，还需测定调整后的原水 pH 值；电 子摄像机用于絮凝连续流程的絮体形态的拍摄。 2.1.3 试验设备 试验所用主要设备为模仿实际水厂运行过程中的机械絮凝池的工作工况的中 试设备，尚属国内研究较少的对象60。作为一个连续流的模拟机械絮凝池的设备 具有絮凝和沉淀两个基本的部分，本文所做研究主要就集中在对前面絮凝部分的 研究上。其中，絮凝剂与原水之间采用管式混合的方法，并在第一个池子内进行 快速混合， 而后经三格速度梯度递减的机械搅拌絮凝池， 最终经斜板沉淀池出水。 三格机械搅拌絮凝池的每个池子容积均为 250250300mm，有效水深为 250mm，有效容积为 15.625L；原水水箱容积为 500600400mm，且连续进水与 实际水厂一致；高岭土采用连续投加的方