（市政工程专业论文）多重絮凝的机理研究.pdf

j | l l lj lf i1 1 i il ljl l l l lu y 18 17 0 7 3 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 签名：阻日期：筮也：丝：2 2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) c 穗碱新c ：程嗍触h ) 摘要 混凝工艺是给水处理工艺中的重要环节，混凝效果的好坏将直接影响后续 的沉淀、过滤等工艺的处理效果，进而影响最终的出水水质。在以往的研究中， 针对混凝的研究很多，混凝剂的研究也很多，但是对多重絮凝、混凝剂的多次 投加、多点投加的研究相对较少。本文在系统的介绍了混凝的机理、混凝形态 学和混凝动力学的基础上，提出了多重絮凝的概念和混凝的多点投药方式，旨 在通过对这种新的混凝投药方式进行试验探索，确定这种投药方式的可行性和 实际意义。 本课题的试验分成两部分：第一部分是混凝过程的静态试验，以普通粘土 悬浊液为原水，配制成不同浊度的原水( 1 5 n t u 、2 汀u 、1 0 0 n t u 、2 5 0 n t u ) ， 以聚合氯化铝( p a c ) 作为絮凝剂，通过在不同投药量和不同搅拌条件下分别进行 的二次投加投药方式和传统投药方式的混凝对比试验，对比研究了二次投加方 式和传统投药方式在不同情况下的浊度去除率和分形维数变化规律。在确定好 聚合氯化铝( p a c ) 的最佳投加量之后，设计了一组l 9 ( 3 4 ) 正交试验，以研究多 因素的影响。最后建立各种不同原水浊度下，浊度去除率与絮凝剂投加量和搅 拌条件下二次投药方式和传统投药方式的数学模型。试验结果表明：二次投加 方式在低浊度下比传统投药方式对浊度的去除率低，但是在高浊度情况下对浊 度的去除率高。 第二部分是混凝过程的动态试验，以粘土悬浊液为原水，配置成5 0 1 0 n t u 的原水，以聚合氯化铝( p a c ) 作为絮凝剂，投药量分别为2 0 、2 5 、3 0 、3 5 、4 0 m g l ， 在设计的二次加药混凝沉降柱和作为对照的传统投药混凝沉降柱中进行混凝沉 降试验，对比研究二次投加方式和传统投药方式在不同情况下浊度去除率的变 化规律。最后建立浊度去除率与絮凝剂投加量的二次投药方式和传统投药方式 的数学模型。试验结果表明：在投药量为2 5 m g l 时，传统投药方式的浊度去 除率最高；而在投药量为3 0 m g l 时，多点投药方式的浊度去除率最高。 对比试验的结果表明，采用二次投加方式进行混凝可以达到很好的混凝效 果，出水浊度可以达到1 0 n t u 以下，完全可以满足滤池进水的水质要求。 关键词：多重絮凝，絮凝形态学，动力学，接触絮凝，絮体 。f _ 1 a b s t r a c t f l o c c u l a t i o np l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h es u p p l yw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ， w h i c hw i l li n f l u e n c et h ef o l l o w i n gt r e a t m e n t sl i k es e d i m e n t a t i o na n df i l t r a t i o n ，a n d t h u sh a sa ne f f e c to nt h eq u a l i t yo ft h ef i n a le f f l u e n t al o to fs t u d i e sh a v eb e e n c o n d u c t e do nt h ef l o c c u l a t i o np r o c e s s e sa n dt h ef l o c c u l a n t s ，b u tf e w e rw e r ed o n eo n t h em u l t i f l o c c u l a t i o na n dt h ea d d i t i o no ff l o c c u l a n t s i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s e dt h e c o n c e p to fm u l t i f l o c c u l a t i o na n daw a y t om u l t i p o i n ta d df l o c c u l a n t so nt h eb a s i so fa s y s t e m a t i ci n t r o d u c t i o nt ot h em e c h a n i s mo ff l o c c u l a t i o n ，f l o c c u l a t i o nm o r p h o l o g y a n df l o c c u l a t i o nk i n e t i c s ，a i m i n ga tf i g u r i n go u t i t s f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et h r o u g he x p l o r i n gt h i sn e wa p p r o a c ho ff l o c c u l a t i o n t h ee x p e r i m e n t sw e r ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h ef i r s tp a r tw a sas t a t i c e x p e r i m e n t ，i nw h i c ht h et u r b i d i t yr e m o v a le f f i c i e n c ya n df r a c t a ld i m e n s i o nv a r i a t i o n i nm u l t i p o i n td o s i n gm e t h o da n dt h et r a d i t i o n a lw a yw e r es t u d i e dc o m p a r a t i v e l yi n d i f f e r e n td o s i n ga n dm i x i n gc o n d i t i o n s ，u s i n go r d i n a r yc l a ys u s p e n s i o nd i f f e r e n t t u r b i d i t i e s ( 15 n t u ，2 0 n t u ，10 0 n t u ，2 5 0 n t u ) a st h er a ww a t e r , a n dp a c a st h e f l o c c u l a n t s a f t e rc o n f i r m i n gt h eo p t i m a lp a cd o s e ，as e to fl 9o r t h o g o n a lt e s t sw e r e c o n d u c t e dt os t u d yt h ei m p a c to fm u l t i p l ef a c t o r s f i n a l l y ，m a t h e m a t i c a lm o d e l so f t u r b i d i t yr e m o v a lr a t e i nm u l t i p l e d o s i n gm e t h o da n dt h et r a d i t i o n a lw a yw e r es e t c o n c e r n i n g i t sr e l a t i o n s h i pw i t hf l o c c u l a n t sd o s a g ea n dm i x i n gc o n d i t i o n s a st h e t u r b i d i t i e so fr a ww a t e rv a r y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h et u r b i d i t yr e m o v a lr a t eo f m u l t i p l e d o s i n gm e t h o di sh i g h e rt h a nt h a to ft h et r a d i t i o n a lw a y i nh i g h - t u r b i d i t yr a w w a t e r , b u tl o w e ri nl o w t u r b i d i t yr a w w a t e r t h es e c o n dp a r tw a sd y n a m i ct e s t so fc o a g u l a t i o n ，i nw h i c hac o m p a r a t i v es t u d y o ft h et u r b i d i t yr e m o v a lr a t ev a r i a t i o ni nm u l t i p l e - c o a g u l a t i o nd o s i n gc o l u m na n dt h e t r a d i t i o n a ld o s a g ec o l u m nw a sm a d e ，w i t hc l a ys u s p e n s i o no f5 0 - 4 - 10 n t uu s e da s t h er a ww a t e r , a n dp a ci nd i f f e r e n td o s a g e s ( 2 0 ，2 5 ，3 0 ，3 5 ，4 0 m g l ) a st h e f l o c c u l a n t s a f t e rt h a t m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft u r b i d i t y r e m o v a lr a t ei n i l c m u l t i p l e d o s i n gm e t h o da n dt h et r a d i t i o n a lw a y w e r es e tc o n c e r n i n gi t sr e l a t i o n s h i p w i t ht h ed o s a g e so ff l o c c u l a n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et u r b i d i t yr e m o v a lr a t ew a st h eh i g h e s ti nt r a d i t i o n a l d o s i n gm e t h o dw h e n t h ed o s a g ew a s2 5m g l ；a n dt h et u r b i d i t yr e m o v a lr a t ew a st h e h i 曲e s ti nt h em u l t i d o s i n gm e t h o dw h e nt h ed o s a g e sw a s3 0m g l t h er e s u l t so fc o m p a r a t i v et e s t ss h o w e dt h a tm u l t i p l e - d o s i n gm e t h o dw a se f f i c i e n t ， w i t hw a t e rt u r b i d i t yb e l o wio n t u ，a n di tc o u l dc o m p l e t e l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so f f i l t e ri nw a t e r q u a l i t y k e yw o r d s ：m u l t i f l o c c u l a t i o n ，f l o c c u l a t i o nm o r p h o l o g y ，k i n e t i c s ，c o n t a c t f l o c c u l a t i o n f l o c s i i i o 。r _ 2 巧= 1 】 1 1 1 ：2 1 3 z z 4 ：! i 6 8 9 9 】【o j，j，jjj 1 2 1 4 】【5 】【6 1 1 5 1 6 1 7 1 7 ：2 ：o 2 0 2 0 3 1 2 试验检测指标及方法2 0 3 1 2 试验仪器及设备2 1 3 1 3 静态试验方案2 4 3 2 静态单因素试验结果及分析2 4 3 2 1g 值计算j 2 4 3 2 2 原水浊度为1 5 n t u 时，投药量对上清液浊度的影响2 6 3 2 3 原水浊度为2 0 n t u 时，投药量对上清液浊度的影响2 9 3 2 4 原水浊度为i o o n t u 时，投药量对上清液浊度的影响3 2 3 2 5 原水浊度为3 5 0 n t u 时，投药量对上清液浊度的影响3 4 3 2 6 静态单因素试验小结3 7 3 3 静态正交试验：3 7 3 3 1 静态正交试验方案设计。3 7 3 3 3 静态正交试验结果及分析3 8 第4 章动态试验方法及分析4 1 4 1 动态试验设计4 1 4 1 1 原水配置4 1 3 1 2 试验检测指标及方法4 1 4 1 3 试验仪器、设备及装置4 1 4 2 动态试验结果及分析4 4 4 2 1 聚合氯化铝投加量为2 0 m g l 时，对出水水质的影响4 4 4 2 2 聚合氯化铝投加量为2 5 m g l 时，对出水水质的影响4 5 4 2 3 聚合氯化铝投加量为3 0 m g l 时，对出水水质的影响4 6 4 2 4 聚合氯化铝投加量为3 5 m g l 时，对出水水质的影响4 6 4 2 5 聚合氯化铝投加量为4 0 m g l 时，对出水水质的影响4 7 4 2 6 动态试验小结4 8 第5 章结论及建议5 0 5 1 结论5 0 5 2 建议51 参考文献5 2 致谶s 8 附录：攻读硕士学位期间发表的论文5 9 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 水是生命之源，是人类生活和生产不可或缺的重要物资，也是不可替代的 重要自然资源。但随着经济的发展、人口的增长、城市化水平和人们物质文化 生活水平的提高，水资源的污染问题日益突出，取自任何水源的水中都含有不 同程度的杂质，水问题已经关系到国民经济与人类健康的发展。由于水环境的 日益恶化与工农业生产、生活用水需求剧增的矛盾，水质问题成为我国国民经 济发展中仅次于人口问题的第二大难题。 现有常规净水工艺为混凝一沉淀一过滤一消毒。混凝工艺是传统水质净化 工艺中较为重要的环节，准确控制絮凝剂的投加量是取得良好混凝效果的首要 前提。传统混凝工艺的目的是去除水体中的颗粒物与以腐殖酸类为主的色度等。 由于需要加药，所以混凝工艺决定着后续流程的运行工况以及最终出水水质和 运行成本。而同时水处理中的混凝现象比较复杂，不同种类的混凝剂和不同水 质的原水之间混凝机理都有所不同，在实际的水处理中，往往是几种混凝作用 并存，因而无法确定当时的混凝机理，另外，混凝效果又受水的温度、p h 值、 碱度、水中杂质颗粒的性质、混凝剂自身的类型及其混凝效能和水力条件等诸 多因素的影响，因而投药量和投药方式应根据这些因素对混凝效果产生的综合 影响和变化情况来确定。当絮凝剂不足的时候，水处理效果比较差多半是因为 水体中污染物未充分脱稳，而当絮凝剂过剩时，颗粒又因超荷现象而导致水中 胶体的再稳定。因而絮凝工艺中投药的药量和投药的方式是絮凝工艺研究的一 个很重要方面。 1 2 混凝机理概述 在给水处理中，混凝过程可以分解成凝聚( c o a g u l a t i o n ) 和絮凝( f l o c c u l a t i o n ) 两个阶段。凝聚指水中憎水胶体的脱稳过程，絮凝指胶体结成絮体的絮凝过程， 两者总称为混凝过程。但在实际过程中，混凝的发生是连续运行的，因而无法 划分凝聚和絮凝的界限。 武汉理工大学硕士学位论文 混凝的作用机理主要有：电性中和，吸附、吸附架桥、网捕或卷扫等。混凝 的过程是一个复杂的物理和化学过程，除了混凝剂的种类、性质、结构和投加 量对混凝作用有很大的影响外，温度、p h 、搅拌强度和时间、水中杂质的成分 和共存盐类等也会直接影响混凝的效果。 混凝理论的发展大致可以分为三个阶段【l 2 ，3 一。第一阶段是凝聚物理理论的 建立。凝聚物理理论是由前苏联的德加根( d e r j a g u i n ) 、兰道( l a n d a u ) 和荷兰 的伏维( v e r w e y ) 、奥伏贝克( o v e r b e e k ) 根据经典胶体化学的双电层理论模型， 考虑了双电层的相互作用以及范德华力相互作用而达到平衡而建立起来的，因 此又称d l v o 理论。该理论认为原水中悬浮颗粒及溶胶的稳定性是由电的作用 力和范德华吸引力相互作用达到平衡而形成的：当两个带同性电荷的胶体颗粒 相互趋近时系统能量的变化是吸引能加上排斥能的总和。它着重强调了凝聚的 物理作用，即压缩双电层的扩散层，降低或消除势能峰垒，同时还提出了关于 各种形状微粒之间的相互吸引能与双电层排斥势能的计算方法，并对憎液溶胶 体的稳定性进行了定量的计算处理；第二阶段是吸附电中和理论与吸附架桥理 论的建立。该理论认为在原水胶体中投入的高分子物质能起到胶粒与胶粒之间 相互结合的桥梁作用。高分子物质投加量不能过多或过少，投量过少不足以将 胶粒架桥连接起来，投量过多又会产生胶体保护作用。最佳投量应该是既能把 胶粒快速絮凝起来，又可使絮凝起来的最大胶粒不易脱稳。它着重强调了混凝 过程中的化学作用，尤其是专属化学作用；第三阶段是表面覆盖混凝理论，也 就是网捕或卷扫理论的提出。该理论提出的依据是吸附电中和理论及表面络合 模式，认为在正常水处理的p h 值范围内( p h 5 8 ) ，投加的金属盐混凝剂在水中 迅速生成带正电荷的水解沉淀物，这些正电性的水解沉淀物与胶体杂质颗粒表 面结合而导致电中和的脱稳作用，进而网捕或卷扫水中胶粒以致产生沉淀分离。 1 3 目的和意义 目前，混凝理论发展的很快，并且随着在水处理过程中絮凝法的地位日益 提高和我国对饮用水浊度的要求越来越严格，对絮凝过程的研究越来越受到重 视。本研究课题是想通过一系列的静态、动态试验，对比分析多点投药方式和 传统投药方式在不同原水浊度、不同搅拌条件、不同投药量的情况下浊度去除 率和分形维数的变化规律，找出混凝过程中多点分段投药方式对比传统投药方 2 武汉理工大学硕士学位论文 式是否可在节约药量的基础上提高混凝效果，并探讨多重絮凝的机理。 1 4 论文主要内容 本论文由五章组成，核心部分是论文的第三，四、五章，分别从静态试验、 动态试验得出的多点投药方式和传统投药方式的试验数据对比说明的混凝机 理。 第一章介绍课题的背景、研究的目的以及混凝的机理。 第二章综述了絮凝形态学、絮凝动力学和接触絮凝的研究进展，介绍了原 水中胶体颗粒的形态学、絮凝剂的形态学、絮体的形态学、絮凝的动力学和接 触絮凝，其中详细介绍了絮体的形态学和接触絮凝。 第三章介绍了静态试验设计、结果及其分析。并建立静态试验各种原水浊 度条件下的二次投加方式和传统投药方式的数学模型。 第四章介绍了动态实验设计、结果及其分析。并建立动态试验二次投加方 式和传统投药方式的数学模型。 第五章为结论和建议。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章絮凝形态学和动力学概述 近几十年来，絮凝技术领域研究不管是在给水处理应用方面还是在污水处 理应用方面都取得了较大的成果，呈现出十分活跃的发展趋势，并面临着突破 性进展的前沿。中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室的王 东升【5 ，6 】等人认为其主要研究内容可以粗略地归纳为3 个方面：混凝化学( 原水 水质化学、混凝剂化学、混凝过程化学) 、混凝物理( 混凝动力学与形态学) 与 混凝工艺学( 包括混凝反应器与混凝过程监控技术) 。其中，混凝化学主要研究 混凝过程中所参与的各类物质的形态、结构、物理化学特征及其在不同条件下 的化学变化规律，可以再细分为混凝处理对象原水水质化学、混凝剂化学 和混凝过程化学；混凝物理主要研究絮体形成的动态过程，其结构、形态、性 能以及随不同条件的变化规律；混凝工艺学是在混凝理论的指导下，研究与特 定混凝工艺流程、混凝剂以及反应过程相适应的混凝工艺系统，主要包括混凝 反应器、混凝过程监控与投药控制设备等的研制和开发。 在这里，本文从分为两个不同的方面论述絮凝的机理：絮凝形态学：它 研究的内容涉及水中颗粒物的形状、大小、粒度分布、空间结构、内外表面特 性、相关的化学因素以及它们对颗粒物凝聚絮凝作用的影响，包括原水中颗粒 物的胶粒形态学、絮凝剂的形态学和絮体的形态学；絮凝动力学：包括异向 絮凝动力学模型、层流同向絮凝动力学模型、紊流同向絮凝动力学模型和水处 理差速沉降絮凝动力学模型。同时还介绍了絮体形态学的一种研究方法：分形 理论，及其在絮凝研究中的应用。现分述如下： 2 1 絮凝形态学 这一学科性概念是由蒋展鹏、汤忠红在许保玖教授的指导下于1 9 8 6 年首次 提出的7 1 。形态学本来只是生物学中的术语，它作为生物学的主要分支学科，其 目的是描述生物的形态和研究其规律性，并且往往是与以机能为主要研究对象 的生理学相对应。广义地来说，它包括研究细胞阶段形态的细胞学中的绝大部 分，以及探讨个体发生过程中的发生学。狭义的形态学主要是研究生物的成年 4 7 f 7 8 武汉理工大学硕士学位论文 个体的外形及其器官构造( 解剖学、组织学和器官学) 。相对于细胞学和分子生 物学等而言，它只是一个较低层次的学科。在其它一些学科中，形态学这一名 词也被引用来指对物体的结构和形状方面的研究。 絮凝形态学( f l o c c u l a t i o nm o r p h o l o g y ) t s 】是用电子显微镜等现代分析仪器研究 水中胶粒和絮凝剂在水中的形状，大小与级配对絮体结构构型、形成过程和其 对混凝效果的影响规律的科学，是考虑到水体中胶体颗粒的诸多不规则形态及 其动力学凝聚、絮凝微观过程而提出的新的研究领域，将水中胶粒的形状、大 小、连同粒径、级配、空间结构以及与此相关的某些化学因素( 如晶格离子的替 换成分) 等统称为胶粒的“形态”【9 】。它包括三个不同层次的研究内容：观测 和研究水中胶粒及所加絮凝剂本身在水中的真实形态，如其形状、大小与级配 等等；研究和揭示上述胶粒及絮凝剂的形态学特征对絮体结构及其形成过程 的影响规律；从理论上将以上形态结构和相互间作用力分布及其对混凝效界 的影响规律作出准确的数学描述。 形态学的研究主要包括水体中原始颗粒，絮凝剂和絮凝体的形态【l0 1 ，现分 述如下： 2 1 1 原水中胶体颗粒的形态研究 絮凝形态学中将水中胶粒的形状、大小，连同粒径、级配、空间结构以及 与此相关的某些化学因素等性质统称为胶粒的形态。在经典的水处理絮凝理论 3 , 4 1 ，天然水中的胶体颗粒通常被简化成均匀对称的球形，但越来越多的研究 1 1 1 表明：水中的胶体颗粒有着各种不同的大小、形状及厚薄。 蒋展鹏f 7 】的研究表明：片状高岭土的形状是六边片状，棒状高岭土的形状是 短棒状，凹凸棒土的形状是长条状，伊利土的形状是片状，蒙脱土的形状是薄 层折褶，砂土的形状是近球形，长江水中颗粒是片状、卷曲，黄河水中颗粒是 片状、絮状。 胶粒形状对絮凝过程的影响【1 2 1 ，主要是因为它们决定了胶体颗粒上作用力 的分布而造成的，单个非对称胶粒上作用力分布的不同，也就导致了颗粒间相 互作用能的不同。同时非均匀对称胶粒上水化膜随不同部位的变化，也会对絮 凝结构产生一定的影响。从理论上分析，胶粒的形态对絮凝的影响主要有以下 三个方面1 3 1 ： 1 ，帘 f _ _ 。羽 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 相互作用力：静电作用力：由于实际中的胶体颗粒并非都是均匀对称 的理想球形，其表面电性的正负、双电层的分布、带电的强弱以及由此而引起 的静电作用力都变得更为复杂；范德华力：包括取向力、诱导力和色散力等 三个基本组成部分，其中色散力是普遍存在的，大多数分子间均以色散作用为 主，而色散力的大小与分子外形的变形性有很大关系，因此颗粒的不同形态必 然影响到范德华力的大小和分布； ( 2 ) 碰撞机率：胶粒之间的碰撞机率与颗粒的形态和体系的水力学条件密切 相关。球形颗粒间的碰撞几率是各向均等的，而非球形颗粒则不然，而且在一 定的流场中可能会出现定向现象； ( 3 ) 连接方式：由于颗粒的形态不同，必然导致颗粒与颗粒之间、颗粒与絮 凝剂之间相互聚集的连接方式变得更加多样化和复杂化，而这又导致了絮体的 结构和性质的不同。 曹种 1 4 1 等人的研究表明原水在自然静沉中呈现较强的规律性：当浊度较低 时，颗粒为自由沉降，余浊率接近于某一固定常数；而当浊度较高时，出现重 力絮凝作用，余浊率按照一定的规律骤减。 徐世平【1 5 】等人的研究表明：水体中悬浮颗粒物浓度变化对絮凝出水水质有 较大影响，且投药浓度较低时影响更大；对于含高岭土等无机类水样，无机药 剂处理效果明显优于有机药剂，无机药剂作用机理以压缩双电层为主，有机药 剂以吸附架桥为主。 2 1 2 絮凝剂形态研究 絮凝剂的形态【9 】主要是指其在水体中的多种原始的和水解条件下的化学形 态( s p i e c e s ) 分布和物理形态( m o r p h o s e s ) 结构，以及絮凝剂投加到水中后，进行的 系列的物理化学过程：水解聚合、微界面电中和吸附、表面络合沉淀等等。在 包含着如此众多反应和作用的混和一凝聚一絮凝一分离的水处理过程中，絮凝 产物的形态和结构将随之发生不断地转化。水处理的效果、功能和控制方法与 各时刻的形态是紧密相关的，因而絮凝过程的研究和争论始终是围绕着其形态 进行的。 絮凝剂主要分为无机盐类絮凝剂、无机高分子絮凝剂、有机高分子絮凝剂 和生物絮凝剂。本文中主要介绍无机高分子絮凝剂中的聚合氯化铝( p a c ) 。聚 6 1 9 i f _ 7 飞- 武汉理工大学硕士学位论文 合氯化铝在水处理絮凝过程中，和其他絮凝剂相比，有很多很好的优点【l 6 1 。 关于聚合氯化铝溶液中铝存在的形态的探讨，有两种观点u ，j ：一种观点认 为随着碱化度的增加，水解程度加深，溶液中a l ( h 2 0 ) 6 3 + 八面体通过羟基架桥( a 1 o ( h ) a 1 ) 聚合成线性多聚体，这种观点的理论基础是多核络合物的核链( c o r e l i i l l 【s ) 络合机理【l8 1 ，认为其羟基化合态由单体到聚合体，按六员环的模式发展， 其水溶形态可达到a 1 5 4 ( o h ) 1 4 4 8 + , 直到生成沉淀物a 1 。( o h ) 3 。仍保持着拜耳石的 结构【1 9 】；另一种观点认为聚合氯化铝溶液中起码存在着有平衡关系的四种阳离 子：单体、二聚体、体型十三聚体和结构尚未确定的三维团粒，其中体型十三 聚体，即聚十三铝( a 1 1 3 ) 是起絮凝作用的主要活性物质，这种观点近年来得到更 多的承认，成为仪器鉴定和絮凝剂化学中的主流观点 2 0 ，2 1 1 。 以往研究者将铝按与f e r r o n 试剂的反应速度不同分为a 1 。、a l b 和a 1 。3 种形 态 2 2 , 2 3 , 2 4 , 2 5 】，一般来讲，a l 。形态只具有压缩双电层性能；a 1 b 形态具有最强的电 中和性能【2 6 】；而a l 。形态成分为胶体氢氧化铝或高分子形态的聚集体，颗粒粒度 已达到一定的尺寸，从而具有较高的吸附架桥性能【27 1 。 a m i r t h a r a j a h 2 8 在总结很多学者的研究后得到了以下的铝矾絮凝区域图，这 张图能解释许多容器实验得到的相互矛盾的结果。图中纵坐标表示铝矾的投加 量，同时以l g ( m o l l ) 和m g l 表示，横坐标为p h 值。 - 2 7 - 8 2 p h 图2 1 铝矾的絮凝区域图 7 70暑点o“l吩!蛰协喝lv落 瑚 妁埒 3 ； 3 4 s 6 一 一 一 一 o电点【i冒 武汉理工大学硕士学位论文 图中线表示在无胶体存在下固态a i ( o h ) 3 的沉淀物，它表示在p h 值等于 4 5 8 8 铝矾投量为3 0 m g l 时的一条线为沉淀区域的下限。絮凝如果发生在线 以上，线下折线以下，左边界为线、线、线，右边界为a i ( o h ) 4 - 线时， 其机理为卷扫絮凝，该区域为卷扫絮凝区，其中线代表最佳卷扫絮凝区的下 限；图中线上折线往右至线a 1 8 ( o h ) e 0 4 + 是溶解物电中和凝聚区；图中线、 线、线代表再稳定区域的下限，它们与胶体的表面积有直接关系，表现出 胶体浓度与絮凝剂投量之间存在的化学计量关系。重新稳定区的上限与a i ( o h ) 3 沉淀区的上限3 0 m g j l 线相吻合，但是重新稳定区域只对稀的胶体溶液才存在。 左边界为a 1 8 ( o h ) 2 0 4 + 线，右边界为线，所组成的区域为再稳定区。除去以上 区域外，还有这样一个区域，其上限低于1 0 2 0 m g l ，左边界线、线、线 ，右边界为a i ( o h ) 4 线，这一区域中的作用机理属混合型，沉淀物电中和凝聚 和卷扫同时作用，其水解形态带负电，固体a i ( o h ) 3 带正电，卷扫絮凝随着铝矾 投量的逐渐减少而削弱其效率。 常青【16 】在精心分析考查了铝矾的絮凝区域图的基础上，建立了铝矾絮凝的 设计及操作图。 2 1 3 絮凝体形态研究 絮凝体的形态研究是絮凝形态学研究中最主要的部分，也是最重要的部分。 因为在水处理工艺中，絮凝的主要目的是让水中分散的细小的颗粒物、胶体物 质聚集、凝聚成具有高度孔洞、不规则形貌的聚集体，这一转变过程是絮凝工 艺研究的核心，这种聚集体就是絮体 2 9 , 3 0 , 3 1 】。絮凝体的形态学，就是从絮体的形 态出发，研究絮体的构造，探讨絮体的形态对絮体的密度、强度结构等的影响， 它主要研究的是絮体的表观形态、分形结构、密度、强度、表面特性以及上述 形态导致絮体的絮凝与水力学性质的改变等方面的内容，其中絮体的结构和粒 度被认为是水处理工艺中最基本、最重要的操作参数【3 2 1 。水处理中絮凝工艺的 目的是将水体中的污染物以固体颗粒物的形式去除，一旦污染物质形成了固体 颗粒物，那么就很容易通过沉淀、气浮等工艺去除【3 3 1 ，因而，絮体的形态特征 决定了整个水处理的效率。 目前认为絮体的结构有原颗粒、原絮粒、絮体和聚集絮体，由原颗粒构成 原絮粒( f l o c c u l e s ) ，由原絮粒构成絮体( f l o c ) ，由絮体构成聚集絮体( f l o c 武汉理工大学硕士学位论文 a g g r e g a t e ) ，其中，原颗粒是指水中在絮凝还未开始时原水中含有的颗粒，是组 成浊度的颗粒；原絮粒是由少数原颗粒构成，能承受絮凝过程中的最大剪切力， 是较密实的结构，同时也是絮体的最基本的结构单元；絮体的结构较松散；聚 集絮体则是絮体的松散结合体。 本文将从絮体的粒径、絮体的密度和孔隙率、絮体的强度和絮体的分形结 构四个方面来介绍絮凝体的形态学。 2 1 3 1 絮体的粒径 絮凝过程中产生了大量各种大小不一的絮体，形成的絮体粒径大，则絮凝 沉降速度快；絮体粒径小，则絮凝沉降速度慢。在絮凝剂的最佳投药量下，这 些絮体颗粒呈不规则状，内部构造不连续；当投药量大于或小于最佳投药量的 时候，形成的絮体颗粒小一些，呈球状或扁球状3 4 1 。 大量实验得到的一些经验公式认为 3 5 1 ：粒径分布函数遵循幂函数形式： l n i ，l ( 办) i = l n ( a o ) - f l l n ( d p ) 2 - 1 在水体之中，一般认为3 6 1 ，值介于2 。5 之间，在以布朗运动为主的异向 凝聚中= 2 5 ，而在以剪切力为主的同向絮凝中= 4 0 ，在差异沉降中= 4 5 【3 7 1 。 g r e g o r y t 3 8 1 提出絮凝体粒径最终将趋于一稳定值，而且同等量级数的颗粒碰 撞决定着粒径分布，粒径分布与初始颗粒大小无关。 2 1 3 2 絮体的密度和孑l 隙率 絮体的密度有如下两种计算方式： ( 1 ) 用絮体的粒径表示： 如果已知水温，根据沉淀公式，通过絮凝体最终沉淀速度和絮凝体粒径可 分析出絮凝体密度为3 6 1 ： 以一几= 筹= 争 2 - 2 式中u 为终点沉淀速度；g 为重力加速度；n 和风分别代表颗粒和水的密 度；d 为颗粒粒径。其中以：3 4 u t ，为固定值。因此絮体的密度和絮体的粒径的 g 平方成反比，絮体的粒径越小，其密度就越大；絮体的粒径越大，其密度就越 小。 ( 2 ) 用絮体的投影面积表示： 9 1 i 器罚e 宁耳甲旰丁_ i 武汉理工大学硕士学位论文 风一p w = c a 叫 2 - 3 式中，级和风分别代表颗粒和水的密度，a 为絮体的投影面积，k 和口为 常数。因此，絮体的密度大小取决于絮体的投影面积，而絮体的投影面积与原 颗粒的性质：粒度、浓度等，絮凝剂种类、剂量以及水质成分有关。 絮体的孔隙率同其密度函数有关，絮体的成长过程是由原颗粒构成原絮粒， 原絮粒彼此结合形成原絮体，又结成大的集团的多层絮体结构，即聚集絮体。 在絮体成长过程中，絮体的孔隙率不断增加。因此，降低絮体的孔隙率可提高 絮体的密度。 2 1 3 3 絮体的强度 絮体强度是水处理固液分离工艺的重要控制参数，其强度决定着形成絮凝 体的最大尺寸，它对合理设计絮凝池和固液分离的后继工艺具有重要意义。一 般认为，絮体的强度主要取决于颗粒间结合键的强弱，包括单个结合键的强弱 及结合键的个数。而絮体的密实度、组成絮体的小颗粒粒径、形状和孔隙率也 会对絮体的强度产生影响 3 9 , 4 0 1 。 由于絮体强度与絮体的密度及内部结合键的个数有关，因而常将絮体强度 与絮体结构结合起来进行研究。具有高密实度的絮体，由于组成絮体的初始颗 粒间的排斥力较小，能够相互紧密连接，从而提高了絮体的强度。一般普遍认 为，水力条件对絮体的强度与结构特征产生重要影响：高剪切条件下所形成的 絮体强度较高，而低剪切条件下所形成的絮体强度较低。 目前，絮凝强度的测定方法主要有根据系统中絮体破碎所需能量输入大小 的宏观方法和直接测定单个絮体内颗粒与颗粒之间作用力大小的微观方法两 种。这里主要介绍宏观的测定方法。 絮体强度因子( s t r e n g t hf a c t o r ) ，直接利用絮体粒径来描述絮体的强度【4 l 】： 絮体强度因子：掣婴1 0 0 2 4 d ( 1 ) 式中，d ( 1 ) 为破碎前絮体的稳定平均粒径；d ( 2 ) 为破碎后絮体的稳定平均 粒径。该因子越高说明该絮体具有越强的抗剪切能力。经过研究发现【5 】：絮体强 度与其粒径成反比。 另外，p a r k e r 4 0 1 等根据水力剪切速度梯度与絮体粒径之间的关系提出了如下 的经验计算公式： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 l g d = l g c t l g g 2 - 5 式中，d 为絮体的直径；c 为表征絮体强度的常数，g 为平均速度梯度，y 为稳定絮体粒径常数，与絮体破碎模式和微涡旋的尺度有关。1 9 c 仅适用于在固 定的剪切速率的实验条件下比较絮体的强度，对某一固定的剪切速率，1 9 c 越大， 其絮体强度越强。但是在不同实验中并不能用l g c 来比较絮体的强度，同时它也 不能提供在增加了的剪切速率下絮体的强度信息，该信息由y 提供，y 越大，随 着剪切力的增加，絮体越容易破碎。如果用搅拌浆的平均转速( r p m ) 代替速度 梯度g ，可得其改进形式： l g d = l g c - y l g r p m 2 - 6 s p i c e r 等【4 2 认为，絮体成长主要经历3 个阶段：最初以絮凝体成长为主， 颗粒聚结形成絮凝体，其粒径迅速增长；絮凝体形成粒径大而多孔的结构， 在水流剪切力作用下易发生破碎；絮凝体成长与破碎相互平衡，其粒径分布 趋于稳定。 由于绝大多数絮体的内部结合力不仅仅限于范德华力，因此其生长具有明 显的不可逆性4 3 1 。而g r e g o r y 【删认为絮体的恢复程度与混凝机理有关，电中和混 凝生成的絮体一般能够完全恢复，而卷扫混凝生成的絮体难以恢复。 目前，普遍认为絮凝体破碎的机理有两种【4 5 ：表面侵蚀：初始颗粒从絮 凝体上的表面剥落；裂碎：絮凝体破碎形成小的絮体。絮体破碎的机理决定 于水体中的涡旋与絮体之间的相对大小，即小于絮体的涡旋易使絮体发生破损， 而大于絮体的涡旋则易导致絮体破裂m 4 7 | 。 张忠国等【4 8 】的研究表明：电中和混凝过程所生成絮体的强度最小，最易于 破碎，但破碎后的絮体易于恢复；而对于卷扫混凝所生成的絮体，尽管其强度 很大，不易破碎，但破碎后难于恢复。发生在稳定区和电中和混凝区的混凝过 程中，破碎后的絮体经慢速搅拌恢复后