（市政工程专业论文）气动絮凝控制参数优化及其动力学研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 污水强化一级处理能以较少的投资削减大量的污染负荷，降低去除单位污 染物的费用。它适用于水环境状况期待改善而经济欠发达地区，是一种高效而 低投入的污水处理技术。将气动絮凝应用于污水强化一级处理不仅可以显著去 除污水中的胶体和悬浮物质，还可以有效提高水中的溶解氧含量，是一种具有 自身特点和优势的絮凝方式。 近几年，国内外对气动絮凝方式的研究较少，其控制参数差别较大，并由 于对其动力学机理研究较少，对其絮凝动力学相关影响因素还没有统一的认识， 这为气动絮凝在实际工程中的应用和推广带来不便。本课题是针对这些存在的 问题，进行气动絮凝用于强化城镇污水一级处理试验研究，通过试验室小试优 化气动絮凝反应参数。经试验研究结果表明，采用气动絮凝方式处理城镇污水 的最佳混合充气量为0 6m 3 h ；在一定的絮凝充气强度范围( o 0 3 1 0 0 7 4m 3 ( 空 气) m 3 ( 污水) r a i n ) 内，较为适合的充气量应在0 0 5 0 0 6m 3 ( 空气) m 3 ( 污水) m i n ， 充气时间应小于9 m i n 等参数；并在参数优化的基础上，比较了不同充气装置( 微 孔曝气头与穿孔管) 对污染物的去除效果，结果显示微孔曝气头充气搅拌效果 优于穿孔管。 混凝处理过程中，絮体的结构一直是人们研究的热点，分形理论的出现使 人们对絮体的大小、强度和沉速等研究有了新的工具。作为一种新兴的絮凝研 究手段，分形理论启发了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。为进一步研究分形理论在气动絮凝搅拌方式中的应用，作者以聚合氯 化铁铝和聚丙烯酰胺为絮凝剂，在不同的絮凝充气组合下进行混凝沉淀实验，利 用显微镜观察了絮凝体的形态特征，测算了絮凝体的分形维数，并分析了分形维 数与污染物去除效果的关系。认为絮凝体的分形维数和沉后水浊度、c o d c r 能 表现出良好的相关关系，从而在气动絮凝工艺控制过程中，可以通过对絮凝体 分形维数的在线监测来反映絮体絮凝的程度和混凝处理效果。 同时，本课题对气动絮凝动力学机理进行了分析和探讨，认为气动絮凝作 为一种特殊的絮凝搅拌方式，其絮凝过程存在固液气三相的相互作用，其絮体 的形成与破坏与三相相互作用力密切相关，并对污染物的去除效果产生直接影 响。为进一步探讨分形理论在气动絮凝动力学机理中的应用，作者在参数优化 山东建筑大学硕士学位论文 的基础上，通过混凝沉淀试验，测算了不同絮凝充气组合下絮体的沉速和分形 维数，结果显示絮体的分维数与沉降速度速呈正相关关系，因此可以利用分形 维数值进行气动絮凝过程中絮体沉速的测算。 关键词：强化一级处理，气动絮凝，参数优化，分形理论，动力学机理 h 山东建筑大学硕士学位论文 c o n t r o lp a r a m e t e r so p t i m i z e da n dk i n e t i cm e c h a n i s m r e s e a r c ho nt h ep n e u m a t i cf l o c c u l a t i o n l iy a n ( m u n i c i p a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yw a n gl o n g a b s t r a c t e n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n to fs e w a g ei se x c e l l e n ti nr e d u c i n gm o r ep o l l u t a n t s w i t hl o w e rc o s t i ti sa ne f f i c i e n ta n dl o w i n p u ts e w a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g yw h i c h i ss u i t a b l ef o rd e v e l o p i n gc o u n t r i e s p n e u m a t i cf l o c c u l a t i o ni sas p e c i a lk i n do f f l o c c u l a t i o np r o c e s sw h i c hh a si t so w nc h a r a c t e r sa n da d v a n t a g e si nm u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t i tc a nn o to n l yb ea b l et oe n h a n c et h er e m o v a lr a t eo ft h e c o l l o i d sa n dt h es u s p e n d e ds u b s t a n c e sb u ta l s oi n c r e a s et h ed i s s o l v e do x y g e ni n i nr e c e n ty e a r s ，t h e r e r ef e wr e s e a r c hp a y i n ga t t e n t i o no ni t , s ot h eo p t i m i z e d p a r a m e t e r sw h i c ha r ee x i s t e da r ed i f f e r e n tal o t s i n c et h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hh a sn o t b e e nc o m p l e t e d ，t h e r e r en ou n i f o r mc o n t r o lp a r a m e t e r so fp n e u m a t i cf l o c c u l a t i o n ， w h i c hm a k e sm a n yd i s a d v a n t a g e si nu s i n ga n dr e s e a r c h i n gi t t h e r e f o r e ，t h ea i mo f m yr e s e a r c hi sf i r s tt oc h e c kt h ev i a b i l i t yo fp n e u m a t i cf l o e e u l a t i o n ，t oo p t i m i z et h e c o n t r o lp a r a m e t e r so ft h ep n e u m a t i cf l o c c u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t r e s e a r c h , t h eo p t i m i z e da i rf l o wr a t ei s0 6m 3 ( a i r ) m 3 ( w a t e r ) ，t h eo p t i m i z e da e r a t i o n i n t e n s i t y ( b e t w e e no 0 3l o 0 7 4 m 3 a i r m 3 s e w a g e m i n ) ，t h em o r ea p p r o p r i a t ea m o u n t s h o u l db ei n f l a t e d0 0 5 0 0 6m 3 ( a i r ) m 3 ( s e w a g e ) m i n ，a n dt h eo p t i m i z e dr e a c t i o n t i m ei sl o w e rt h a n9 m i n b a s e do nt h e s eo p t i m i z e dp a r a m e t e r s ，c o m p a r i e dt h e t r e a t m e n te f f e c to f s e w a g eb e t w e e nd i f f e r e n t i n f l a t a b l ed e v i c e s ( m i c r o p o r o u s a e r a t i o na n dp e r f o r a t i o na e r a t i o n ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n f l a t a b l ee f f e c to f m i c r o p o r o u sa e r a t i o ni sb e t t e rt h a np e r f o r a t i o na e r a t i o n t h es t r u c t u r eo ff l o e sh a sb e e nah o tr e s e a r c hi nt h ec o a g u l a t i o np r o c e s s ，f r a c t a l t h e o r yi san e wt o o lf o rt h ef l o c s s i z e ，s t r e n g t ha n ds p e e dr e s e a r c h a san e wm e a n s o fr e s e a r c hm e t h o d ，f r a c t a lt h e o r yi n s p i r e dr e s e a r c h e r st og e tf u r t h e ru n d e r s t a n d i n go f i i i 山东建筑大学硕士学位论文 f l o e s s t r u c t u r e ，c o a g u l a t i o nm e c h n i s ma n dk i n e t i cm o d e l i no r d e rt os t u d yt h e a p p l i c a t i o no ff r a c t a lt h e o r yi nm i x i n gm o d e so fp n e u m a t i cf l o c c u l a t i o n , w eu s e p f a ca n dp a m嬲f l o c c u l a n t sa n dp e r f o r me x p e r i m e n t so fc o a g u l a t i o na n d s e d i m e n t a t i o ni nv a r i o u sc o m b i n a t i o no ff l o c c u l a t i o na n da e r a t i o n i nt h ee x p e r i m e n t ， w eo b s e r v et h em o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o e sb ym i c r o s c o p e ，a n d m e a s u r et 1 1 e i rf r a c t a ld i m e n s i o n b a s e do nt h er e s u l t s ，w ea n a l y z et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ef r a c t a ld i m e n s i o na n dt h er e m o v a le f f e c to fp o l l u t a n t s a n dm i i l kt h a t i t 1 1w e l lr e f e c tt h ed e g r e eo ff l o c c u l a t i o na n dc o a g u l a t i o ne f f e c t b yo n l i n e m o n i t o r i n gt h ef l o e s f r a c t a ld i m e n s i o n m e a n w h i l e ，w ea n a l y z ea n dd i s c u s st h em e c h a n i s mo ff l o c c u l a t i o nk i n e t i c s ，a n d t h i l l kt h a ta sas p e c i a lm i x i n gm e t h o d ，t h e r ee x i s t st h ei n t e r a c t i o n so fs o l i d - l i q u i d g a s p h a s ei nt h ef l o c c u l a t i o np r o c e s so ft h ep n e u m a t i cf l o c c u l a t i o n t h ef o r m a t i o na n d d e s t r u c t i o no ff l o e si sc l o s e l yr e l a t e dt ot h et h r e ep h a s ei n t e r a c t i o na n dh a sad i r e c t i m p a c to nt h er e m o v a le f f e c to fp o l l u t a n t s i no r d e r t os t u d yt h ea p p l i c a t i o no ff r a c t a l t h e o r y i n t h ek i n e t i cm e c h a n i s mo fp n e u m a t i c f l o c c u l a t i o n ，w et h r o u g ht h e c o a g u l a t i o n - s e d i m e n t a t i o nt e s tt om e a s u r et h es e t t l i n gv e l o c i t yo fd i f f e r e n ti n f l a t a b l e c o m b i n a t i o n sa n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a ts e t t l i n gv e l o c i t yo ff l o c sh a sap o s i t i v e c o r r e l a t i o nw i t hf r a c t a ld i m e n s i o ni nt h ep r o c e s so fp n e u m a t i cf l o c c u la t i o n k e yw o r d s ：e n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n t ，p n e u m a t i cf l o c c u l a t i o n ，p a r a m e t e r s o p t i m i z e d ，f r a c t a lt h e o r y , t h ek i n e t i cm e c h a n i s m i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 查堑 日期 望望 一 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阋。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：查堑日期竺：21 导师签名： 日 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 我国污水处理现状 随着入口的增加和工农业的发展，城镇用水量明显增加，造成水资源短缺， 进而影响城市供水。据统计，全国6 6 9 座城市中有4 0 0 座常年供水不足，其中 有1 1 0 座严重缺水，缺水量达到1 6 0 0 万t d ，6 0 亿忱。由于缺水的影响，工业产 值损失达2 0 0 0 多亿元a 。 另一方面，随着用水量的增加，我国城镇污水排放量也迅速增加。我国2 0 0 2 年全国废水排放总量为4 3 9 5 亿吨，其中工业废水排放量2 0 7 2 亿吨，生活污水 排放量2 3 2 3 亿吨，废水中c o d e r 排放总量1 3 6 6 9 万吨【l 】。我国地表水体污染 主要来自于工业和城镇，其中5 0 以上来自于城市。城市污水污染控制己成为 我国水环境质量改善的制约因素。国家为有效地防治城市污水污染，十分重视 发展城市污水处理设施建设。到2 0 0 0 年底，我国己建成城市污水处理设施4 2 7 座，其中二级处理设施2 8 2 座，二级处理率仅为1 5 。为使我国水环境质量得 到根本改善，从整体上控制城市污水污染，国家规划到2 0 1 0 年全国设市城市和 建制镇的污水平均处理率不低于5 0 ，设市城市的污水处理率不低于6 0 ，重 点城市的污水处理率不低于7 0 【2 】。可见，我国城市污水还处于较低的处理水 平，大量的污水未经处理直接外排，严重影响我们周围的水体环境，制约我国 经济、社会的发展。 多年来我国的污水处理行业发展缓慢，其中存在多方面的原因：其一是我 国已建成的污水处理厂中大多采用二级生化处理工艺，普遍采用活性污泥法、 。氧化沟、s b r 等，与发达国家采用的技术及工艺水平相当，能耗大，运行费用 高，与我国经济实力和发展水平很不相称，以致部分二级处理厂处于停运转或 半运转状态，收不到很好的环境效益和社会效益。其二是污水管网的建设没有 得到相应的重视，以致配套设施跟不上，所以污水的实际处理率不高，已建成 的污水处理厂中有4 0 以上的污水处理能力被闲置，使国家大量的投资得不到 有效的回报。 为了应对不断出现的水污染问题，使污水得到及时有效的处理，需要针对 不同的水质污染情况采取适当的处理工艺，以缓解我国资金不足与水污染恶化 山东建筑大学硕士学位论文 之间的矛盾，实现经济和环境的可持续发展战略。对于很多地区和城镇而言， 当前首要解决的不完全是治理深度的问题，而是治理与否的问题，而解决此问 题的当务之急是提出投资较低而对污染物去除率较高的新型工艺【3 “】。 1 2 污水强化一级处理技术的研究进展 1 2 1 污水强化一级处理的意义 我国城市污水处理率一直较低，并且原有的城市污水处理厂己不能应对城 市污水日益增长的需要。而建设大批污水二级处理厂需要大量的投资和高额的 运行费用，一般来说，对于等量城市污水，采用一级处理的基建费用和运行费 用约为采用二级处理的2 5 3 0 和3 0 5 0 ，而一级处理对b o d 5 和s s 的去 除率分别为2 0 4 0 和5 0 6 0 。因而，在相同的基建投资情况下，一级处理 污水可达二级处理的3 4 倍，s s 去除总量约为二级处理的2 3 倍，b o d 5 去除总 量约为二级处理的1 5 倍。显然，从污染物总量控制的角度分析，为达到同样的 控制目标，建设一级污水处理厂比建设二级污水处理厂更加经济。但是，以自 然沉淀为主体的一级处理，污染物去除率较低，难以有效的控制水环境污染， 为了提高其去除率，必须加以强化处理。而对于二级污水处理厂，由于其高额 的运行费和高能耗，也希望通过强化一级处理，减轻二级处理的负荷，降低能 耗。正因为如此，近年来，强化一级处理技术己逐渐引起国内外水处理工程界 的重视，成为新的研究热点。【5 】 6 】【刀 强化一级处理是在普通一级处理的基础上，通过增加较少的投资，采取强 化处理措施，能较大程度地提高污染物的去除率，削减总污染负荷，降低去除 单位污染物的费用。它适用于水环境状况期待改善而经济欠发达地区，是一种 高效而低投入的新型技术，有着较高的实用价值和良好的应用前景。它既可以 单独用于城市污水的一级处理，又可以通过一级强化减轻二级生物处理的负荷。 【8 】 1 2 2 污水强化一级处理工艺 强化一级处理工艺有多种，近年来研究较多的主要有水解工艺、回流活化 污泥工艺、生物絮凝吸附工艺以及化学絮凝工艺。现将各种工艺分别评析如下： 水解强化一级处理工艺就是将厌氧发酵过程控制在水解与产酸阶段，在水 解产酸菌的作用下，污水中的非溶解性有机物被水解为溶解性有机物，大分子 物质被降解为小分子物质。因此，经过水解工艺后，污水的可生化性得到较大 2 山东建筑大学硕士学位论文 提高。与常规初沉池相比，其b o d 5 、s s 去除率分别可提高1 0 和3 0 左右。 若仅采用水解池进行污水一级处理，其出水水质难以达n - - 级排放标准，须后 续二级处理才能使出水达标。 预曝气强化一级处理是在传统的一级处理基础上的改进。在污水进入沉淀 池前进行预曝气，改善悬浮物的沉淀性能，促使悬浮物互相碰撞絮凝。该工艺 可起到强化一级处理的目的，与常规一级处理相比，自然预曝气对s s 和b o d 5 的去除率仅提高5 左右，强化效果不太明显。进行预曝气强化后，其一级处理 出水很难达n - 级排放标准，要使处理厂出水达标，必须设后续生物处理设施。 生物絮凝吸附强化一级处理工艺是在原有初沉池的基础上增设絮凝吸附池 和曝气再生池，该工艺主要利用活性污泥的絮凝吸附作用来提高沉淀池对污水 中非溶解性有机物质的去除率。其去除机理既有物理吸附、化学吸附和生物吸 附作用，又有吸附架桥、沉淀网捕等絮凝作用，同时，还进行一定量的生物降 解，强化效果较为明显，是目前研究较多的强化一级处理工艺之一。此工艺缺 点是仍需要曝气设备与污泥回流设备，致使能耗较高，且剩余污泥量较大。 9 】 化学强化一级处理工艺( c e p t ) 是利用了给水处理中混凝沉淀原理，通过投 加混凝药剂使悬浮物质脱稳，聚集成较大的颗粒，从而提高沉淀效率。化学强 化一级处理工艺对污水的强化沉淀效果明显，可获得较好的出水水质。特别是 近年来，随着化工工业的迅速发展，新型、高效、廉价的絮凝剂不断出现，化 学强化工艺在世界范围内得到了普遍的重视，很有发展前途和应用前景。 1 2 3c e p t 工艺的应用现状 污水强化一级处理在基建投资、运行维护费用、占地面积、电耗及人力等 方面均远低于传统的二级生物处理工艺，而且运行管理灵活方便、处理稳定、 见效快、环境效益好【埘。在一些地区，尤其是经济欠发达地区和小城镇，其特 点和优势更加明显，是一种高效低耗的污水处理工艺。世界银行两位学者在2 0 0 4 年5 月的一份报告指出，化学强化一级处理工艺是适用于发展中国家污水处理 的最有效方法 1 1 】。近年来，强化一级处理技术受到极大的重视【1 2 1 ，以c e p t 工 艺处理污水，可以节省基建和运用费用，并且污染物的去除率相对较高【1 3 】，能 以较少的投资消减较大的污染负荷，运行稳定可靠，管理灵活方便，特别是随 着高效、经济的絮凝剂的发展，化学强化处理污水的应用前景越来越广泛【1 4 1 。 到目前为止国外已有相当多成功运行的c e p t 污水处理厂，如英国【”】、美 3 山东建筑大学硕士学位论文 卧1 6 1 匈牙利【1 刀挪威等。这些国家的c e p t 工艺运行稳定，去除效率高，对c o d 和t p 的强化去除率分别高达7 5 和9 0 ，基建和运行费用却只有二级处理厂的 3 0 。化学强化一级处理工艺在香港、台湾和上海也己有污水处理实际工程的 应用 1 9 - 2 1 c e p t 工艺治理区域性河流的示范工程也已投入运行。【捌 c e p t 工艺的处理能力高，每单位体积污水处理费用最低，是一种经济高效 的污水处理工艺，对于经济尚不发达，用于环境治理的资金欠缺，污染又较严重 的广大发展中国家具有十分重要的现实意义。 1 3 气动絮凝课题的提出 目前，对c e p t 工艺的研究多集中在对絮凝剂的开发和利用以及对c e p t 污泥的处理与处置上。很少有研究者对c e p t 工艺中的絮凝搅拌方式做进一步 研究。然而，高效的絮凝方式也是化学强化一级处理工艺中一个十分重要的环 节，它不仅对加快絮凝剂在水体中的扩散和增加颗粒的碰撞速率产生影响，还 直接影响絮体沉淀分离的效果和处理水的水质状况。 目前国内外常用的絮凝方式有机械絮凝和水力絮凝，这两种絮凝方式的动 力学机理研究已相对成熟，技术也比较稳定。有研究者提出了另一种絮凝方式 一气动絮凝。气动絮凝是指通过充气装置将空气导入水体，形成一定大小的空 气气泡，气泡在压力作用下搅动水体构成混合、絮凝水力条件，使脱稳颗粒相 互碰撞凝聚成大的矾花絮体，进而在沉淀过程中去除原水中的悬浮性、胶体性 及部分溶解性杂质，并能通过调节充气强度来满足混合和絮凝所需水力条件的 一种强化反应动力模式。 1 3 1 课题的研究意义 气动絮凝做为一种特殊的絮凝搅拌方式，有其自身的优势和特点，早在上 个世纪8 0 年代，a 1 h i a 2 3 1 就进行过气动絮凝研究；1 9 9 5 年，k a z i l 2 4 建立了一 个气动絮凝反应模型。此后，国内也有少数研究者对这一絮凝方式进行试验探 讨，如姜应和和张海丰【2 6 】等。其研究成果均肯定了这种絮凝方式的促絮凝作 用和良好的搅拌效果。但目前，其理论研究仍停留在较简单的水平上，国内外 的应用报道也比较少。 由于对气动絮凝的理论研究不足，在应用中，人们对控制絮凝效果的各项 因素的认识各有不同，得到的优化参数差别较大。而且因为控制水力搅拌和机 械搅拌混凝效果的动力学研究发展已较为成熟，人们对通过烧杯搅拌试验确定 - ，一 ： 4 山东建筑大学硕士学位论文 的g 值和g t 值作为混凝动力学控制指标已广泛接受，所以在研究气动絮凝过 程中存在沿用烧杯搅拌试验确定的控制指标指导气动絮凝过程的情况。但由于 气动絮凝的搅拌动力与水力、机械搅拌动力有所不同，在应用气动絮凝强化污 水的一级处理时，机械搅拌下的烧杯试验结果往往与该工艺的实际工程应用相 差较大，势必对进一步的研究和生产性应用产生不利的影响。总之，深入研究 气动絮凝这一特殊的絮凝方式并确定其在强化污水一级处理中的各项运行参数 有重要的现实意义和应用价值。 1 3 2 气动絮凝方式研究进展 气动絮凝利用压缩空气在水中的自由释放产生的动力搅动水体，使颗粒之 间产生相互碰撞。由于这种搅拌方式是固一液一气三相相互作用的结果，且强 化了气体对一级处理的作用，因此它具有重要特性，为强化一级处理开辟了一 个新的技术内容。气动絮凝在其搅拌特性上与机械絮凝和水力絮凝存在较大差 异，目前对其机理研究较少，理论研究的薄弱明显影响了其效能的发挥及其在 混凝法强化城镇污水一级处理中的应用，试验研究也多为在单纯工艺角度的小 试阶段，其效能特性及动力学机理有待完善与发展，使其成为一种高效低耗的 絮凝方式，设法提高它的效能具有十分重要的意义。 s h o l j i 、k a z i 等人在对筛分粘土、高岭土、p v c 、石松粉等颗粒造成的浊度 进行气动絮凝试验研究的过程中总结得出了一个适用于当时试验环境条件下的 气动絮凝动力学模型( s k 公式) ，该模型可以很好的模拟充气量在一个较小范 围内的气动絮凝效果，但由于试验本身的局限性，该模型没有得到进一步的证 实和推广。姜应和等人在气动絮凝模型装置中对筛分粘土配制的低浊度水进行 强化混凝，得到了去除污水中的胶体、悬浮物的良好絮凝效果。张海丰等人还 比较了压缩空气搅拌方式与机械搅拌方式对絮凝效果的不同影响。认为气动絮 凝不但具有良好的搅拌效果，在混凝时间和药剂投加量上也有明显的优势。 在处理城镇污水中，还有不少把气动絮凝应用于化学一生物联合絮凝工艺 中的例子。例如张志斌【2 刀在化学一生物絮凝工艺处理城镇污水的试验中利用穿 孔管和微孔曝气头输入压缩空气对混合、絮凝各阶段进行搅拌，通过调整充气 量来控制反应速度，得到了很好的絮凝效果。 由此可知，目前对气动絮凝的研究尚停留在试验室人工配置污水的水平上， 还未有利用城镇污水进行试验的相关报道，并且由于对气动絮凝的理论研究不 山东建筑大学硕士学位论文 足，人们对控制絮凝效果的各项因素的认识各有不同，得到的优化参数差别较 大，也缺少对各项优化参数的分析和比较。对可以进行试验指导的气动絮凝动 力学模型的建立还不够完善，值得讨论和进一步修改的地方较多。 1 4 分形理论的应用及进展 如何改善提高气动絮凝的效能是目前研究混凝法强化城镇污水一级处理技 术中极其关键的环节之一，由于气动絮凝过程中有大量气泡的介入，可能使絮 凝体中携带微小气泡，絮体松散不易沉降，分形理论的提出使人们对气动絮凝 过程中絮体的大小、强度和密度等研究有了新的工具。 1 4 1 分形理论的产生 1 9 7 5 年【2 8 1 ，美籍法国数学家曼德布罗特( b b m a n d e l b r o t ) 提出了一种可 以用于描绘和计算粗糙、破碎或不规则客体性质的新方法，并创造了分形 ( f r a c t a l ) 一词来描述。 分形是指一类无规则、混乱而复杂，但其局部与整体有相似性的体系，自相 似性和标度不变性是其重要特征。体系的形成过程具有随机性，体系的维数可以 不是整数而是分数【2 9 】。它的外表特征一般是极易破碎、无规则和复杂的，而其内 部特征则是具有自相似性和自仿射性。自相似性是分形理论的核心，指局部的 形态和整体的形态相似，即把考察对象的部分沿各个方向以相同比例放大后，其 形态与整体相同或相似。自仿射性是指分形的局部与整体虽然不同，但经过拉 伸、压缩等操作后，两者不仅相似，而且可以重叠。 分形理论给部分与整体、无序与有序、有限与无限、简单与复杂、确定性 与随机性等概念注入了新的内容，使人们能够以新的观念和手段探索这些复杂 现象背后的本质联系。 1 4 2 絮凝体的分形特性 絮凝体的成长是一个随机过程，具有非线性的特征。若不考虑絮凝体的破 碎，常规的絮凝过程是由初始颗粒通过线形随机运动叠加形成小的集团，小集 团又碰撞聚集成较大集团，再进一步聚集，一步一步成长为大的絮凝体。这一 过程决定了絮凝体在一定范围内具有自相似性和标度不变性，这正是分形的两 个重要特征【3 0 1 ，即絮凝体的形成具有分形的特点。因此，很多学者利用分形理 论来研究絮凝过程中絮凝体的生长过程和形态特征。 6 山东建筑大学硕士学位论文 1 4 3 分形理论在絮凝过程中的研究进展 分形理论在创立伊始就以全新的角度而倍受研究者关注，经过短短3 0 多年 的发展，已在很多领域得到应用。很多学者以分形理论为基础，进行絮凝过程 形态学的研究，提出了各种动力学生长模型：扩散控制聚集模型( d i f f u s i o n l i m i t e da g g r e g a t i o n ) ，简称d l a 模型、弹射聚集模型( b a l l i s t i ca g g r e g a t i o n ) ，简称b a 模型与反应控制聚集模型( r e a c t i o nl i m i t e da g g r e g a t i o n ) ，简称r l a 模型。这三类模 型中的每一种又可以分为两部分，单体聚集和簇团聚集。上述这些模型分别对 应于不同的作用机理过程，但是仅适用于较纯的理想体系之中。可实际过程中， 絮体结构的形成大多数为复杂分形以及多重分形结构。随后，j o h n g 提出的混 凝动力学模型，有效地避免了理想状态下的单一作用模式，动力学模型由单层发 展到多层【3 2 1 混凝处理过程中，絮体的结构一直是人们研究的热点。在混凝中，絮体常 出现松散和不易沉降等现象，这是影响处理效果的关键，分形理论的出现使人们 对絮体的大小、强度和密度等研究有了新的工具。f r a n c o i sr j 【”】等根据分形理 论在计算维数中的应用，提出了絮体四层结构的模型，它由初始颗粒、絮粒、 絮体与絮体聚集体组成，该模型认为不同层次絮体碰撞是靠特定的可弹性变化 的结合键来完成的。h i g a s h i t a n i k 等人【3 4 】对絮体形成进行了大量研究，得到了不 同实验条件下形成的四类不同的絮体：微絮体、小球丸、大球丸与絮团。t a m b o n 等人【3 5 3 刀对球丸絮体进行了进一步的研究，侧重于其密度随粒度的变化特性，进 一步建立了分步成长絮体分形结构模型。提出促进致密型絮体形成的两个途径： 降低孔隙率的途径一絮体脱水收缩模式与提高颗粒数的途径一逐一附着模型。 最初人们认为在混凝过程中絮体的形成是由初始颗粒通过相互吸附，或是 在外加电荷作用下发生电中和，或在有高分子絮凝剂存在下高分子链的吸附架 桥作用，但是这些并没有定量地说明混凝过程。s u t h e r l a n d d n 则认为絮体成 长时，不仅有上述作用，而且在絮体成长过程中其内部结构也发生重整，在悬 浮液搅拌过程中发生同向絮凝并导致聚集条件发生变化，流体剪切力将会破坏 絮体结构。 目前人们研究用静态光散射和沉降法来测定混凝过程的分形维数，用静态 光散射测定快速絮凝的絮体模型分维数是1 7 5 1 8 0 【3 8 】，而用沉降法测定快速絮 凝的絮体分维数是1 6 5 1 7 0 3 9 1 。对架桥絮凝体用静态光散射法测定的维数是 7 山东建筑大学硕士学位论文 2 1 2 ，而用沉降法测定的维数是1 8 1 。其中，光散射法对小的、松散的絮体测定 效果好，而沉降法对絮体大的、致密的絮体测定效果好 4 0 l 。s e r g e s 等【4 1 】认为在 混凝架桥中架桥凝聚是非格子模拟过程，凝聚体的分形数在1 9 2 1 之间，它们 与颗粒物浓度无关。另外，t o r t e se e 等h 2 1 提出混凝过程中颗粒物的运动为布朗 运动时的分形是多变量的混凝计算，通过计算可以确定最佳的混凝条件，此系统 的分形维数一般在1 7 1 9 之间，这是一种有效的评价系统混凝效果的方法。 1 5 课题研究内容 混凝法强化城市污水一级处理工艺中一个十分关键的环节就是确定有效的 搅拌方式。它直接影响絮凝效果，并对沉淀池出水水质产生决定性影响。将气 动絮凝应用于混凝法强化城镇污水的一级处理不仅可以显著去除污水中的胶体 和悬浮物质，还可以有效提高水中的溶解氧含量，是一种具有自身特点和优势 的絮凝方式。 为了测定气动絮凝在城镇污水中的强化处理效果，本课题在借鉴前人研究 成果的基础上，进一步探讨该絮凝方式在强化城镇污水一级处理中的理论和应 用研究。具体的研究内容如下： ( 1 ) 气动絮凝参数优化 研究气动絮凝反应方式对校区污水中的浊度、c o d e r 、t p 、t n 等指标的处 理效果，通过气动絮凝反应柱试验，确定气动絮凝的最佳充气量、充气时间、 药剂投加量等控制参数，并对其絮凝效果做出相关评价。 充气量是其关键控制参数，较小的充气量对水体的搅拌能力不够，不能引 起絮凝药剂和颗粒物质的充分碰撞，达不到良好的絮凝效果；但过大的充气量 可能引起絮体的破碎，进而影响絮体的结大和沉降，因此确定合适的充气量范 围是获得良好絮凝效果的关键因素。 ( 2 ) 分形理论在气动絮凝反应方式中的应用 絮凝体的分形维数和出水浊度、c o d 可表现出良好的相关性，即在一定范围 内，随着分形维数的增大，絮凝体的结构渐趋密实，出水浊度、c o d 降低。因此， 在混凝过程中可以利用絮凝体分形维数的变化来预测不同絮凝体结构的转折 点，并可通过对絮凝体形成影响因素的进一步分析来优化混凝的控制条件，获 得较密实的絮凝体和较好的处理效果。可以结合对气动絮凝动力学机理的研究， 利用分形维数的变化来预测气动絮凝条件下絮体结构的变化，进而可以预测絮 8 山东建筑大学硕士学位论文 凝效果的好坏。 ( 3 ) 气动絮凝动力学机理的进一步研究探讨 在对试验数据进行处理和分析的基础上，结合混凝动力学理论及其研究进 展，对s k 公式【4 3 】和气动絮凝过程中固一液一气三相作用机理进行分析讨论， 并结合分形理论在气动絮凝动力学机理中的应用，进一步探讨不同絮凝充气组 合下絮体的沉速和分形维数的关系。 9 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章气动絮凝课题研究方案 2 1 技术路线 针对前人在气动絮凝理论和试验研究上取得的进展和有待解决的问题，制 定了以下研究步骤： 1 ) 分析原水水质。原水为山东建筑大学中水站格栅后污水，每次试验前取 水样进行分析测定，根据试验需要，有选择的测定原水的水温、p h 值、浊度、 d o 、c o d e r 、b o d 、t p 、t n 等指标。 2 ) 气动絮凝参数优化实验。 以浊度和c o d e r 为控制指标进行以下试验： 初步确定最佳投药量试验。每次运行分别调整絮凝剂聚合氯化铁铝和助 凝剂聚丙烯酰胺的投药量，投药顺序为先无机后有机，取沉淀3 0 m i n 后的处理水 测定其去除率，确定这两种药剂复配使用时的最佳投药量。 确定最佳充气量试验。在确定最佳投药量的基础上，分别在0 2 1 2 m 3 h 、 0 0 1 6 0 1 6 m 3 h 的范围内改变混合、絮凝阶段的充气量，同时充气时间保持不变， 取沉淀3 0 m i n 后的处理水测定其去除率，确定最佳混合充气量和最佳絮凝充气 量组合。 确定最佳充气时间试验。在上述试验确定的优化参数基础上，分别在 o 5 1 5 m i n 、3 1 8 m i n 的范围内改变混合、絮凝阶段的充气时间，取沉淀3 0 m i n 后的处理水测定其去除率，确定最佳混合充气时间和最佳絮凝充气时间组合。 在上述测定的优化参数下，运行气动絮凝试验模型，分别测定不同浓度污 水的浊度、c o d e r 、t p 三项指标，对气动絮凝去除各种污染物质的效果进行分 析评价。 3 ) 经济性分析。气动絮凝具有良好的促絮凝作用和搅拌效果，并且可以提 高污水中的溶解氧含量，但充气量的增大必然带来功率的损耗。对气动絮凝的 经济性进行分析，以较小的功率损耗获得较好污水处理效果。 4 ) 用絮凝体分形维数的变化来预测絮体结构的转折点。根据图象法【删计算 分维数的定义，絮凝体的分维数( d ) 是根据其投影面积( a ) 和周长( p ) ，按照公式a 优p o 进行数学变换，通过双对数坐标相关直线l g a o c d l g r ，由两者的斜率获得。 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 以l g p 为x 轴，l e a 为y 轴直线的斜率则为分形维数d 。 具体操作方法为：用取样管将沉淀到实验装置底的絮凝体取少量于载玻片 上( 取样时絮凝体不能太多，以便观察得比较清楚) ，用显微镜观测。由于摄像镜 头及视频影像捕捉器将显微镜和电子计算机连接起来，可以直接在计算机上观 察到絮凝体的图像，并用图象处理仪进行图像处理，计算出投影面积( a ) 和最大 长度( l ) ，从而得到分形维数。 5 ) 定量分析絮体内气泡含量。根据计算机观察到的絮凝体图像，以此来定 量分析絮体内的气泡含量，进一步分析絮体内气泡含量对絮体形成和沉降速度 的影响。 6 ) 为气动絮凝试验效果寻找相应理论依据。根据试验阶段得出的实际处理 效果，分析气动絮凝过程中絮体形成与破坏的机理，讨论气动絮凝动力学作用 过程与其处理效果的联系。 7 ) s k 公式的分析与改进。 i n ( 争) = k ，+ k ( q 口) 。 其系“= 姜斋方( 驰封 圪一单位水体中的絮凝体体积，i n 3 m 3 ； 矽一粘附比率，因碰撞结合的悬浮物分数； 只一自由状态下的空气压力，n m 2 ； 匕一水中微气泡释放点空气压力，m ； q 口一空气在大气压下的体积流量，m 3 s ； 絮凝体的体积咋、处理水体积矿和水中的空气压力匕等因素会随着絮凝剂 以及絮凝设备的不同而出现较大的差异；另外，絮凝反应时间和沉淀时间不同， 对k 值也有所影响。因此把k 值作为一常量的处理方式并不可取，需要进一步 研究确定这些因素对k 值的影响程度。 气动絮凝作为一种特殊的絮凝搅拌方式，过大或过小的充气量对气动絮凝 都将是不利的。因此在实验过程中需要确定一个适当的充气量范围，以利于该 公式在城镇污水中的合理利用。 山东建筑大学硕士学位论文 2 2 试验材料与方法 2 2 1 试验用水来源及其水质指标 试验过程中原水取用山东建筑大学新校区中水站格栅后污水，其具体水质 指标如下： 表2 1 校区污水试验水质指标 中水站污水一般呈黑色，水质变化幅度较大，悬浮物质多，其中含有少量 未能由格栅去除的大颗粒物质，有臭味。 2 2 2 试验药剂的选取 水处理常用的絮凝药剂有四大类：无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂、微生 物絮凝剂和复合型絮凝剂。在处理城镇污水中，由于无机絮凝剂和有机高分子 絮凝剂处理效果明显且价格较低，因此受到广泛的使用。本课题就是通过参考 各种文献资料，在这两类絮凝剂中选择了两个应用广泛的絮凝剂品种聚合 氯化铁铝和阳离子型聚丙烯酰胺。 1 ) 聚合氯化铁铝：是一种新型无机高分子复合型净水混凝剂，简称p f a c 。 聚合氯化铁铝兼有铁盐和铝盐在絮凝过程中的优点【4 5 】，易溶于水，具有絮凝体 形成速度快、颗粒大，矾花密实、沉降速度快、对低温高浊度水处理效果好、 适用水体p h 值范围广等特性，同时其除磷效果显著，也无铁离子的水相转移， 无毒副作用，残存游离离子极少。本课题采用的是济南黄河水厂生产的液状 p f a c ，呈黄褐色液体，使用时配置成1 5 0 m g l 。 2 ) 阳离子型聚丙烯酰胺，简称p a m 或c p a