絮凝体沉降性能的试验研究

论文摘要

絮凝过程在水处理中具有重要的地位,絮凝效果的好坏直接影响到后续处理工艺。絮凝的效果主要表现在絮凝体的沉降特性,为了了解絮凝体的沉降性能就必须了解絮凝体的空隙率、絮体的质量、絮体的沉降速度等这些因素,然而对这些因素的直观了解比较难。现在混凝研究在非线性科学领域的研究中取得了迅猛进展,其中,分形理论的研究与发展揭示了非线性系统中有序与无序的统一、确定性与随机性的统一,使人们探索这极为复杂的现象背后所存在的规律性有了可能。因此,运用分形理论能直观的了解絮凝体的沉降性能,并且分形理伦的运用为混凝理论研究提供了一个崭新的生长点,成为一个显著的前沿热点。本文以高岭土悬浊液为原水,以聚合氯化铝铁（PAFC）、聚合氯化铝（PAC）作为絮凝剂,通过在不同投药量、不同pH值条件下的混凝实验,分别确定出与PAC的最佳投药量和最佳反应pH值范围并确定絮凝体的分形维数与沉后水浊度之间有良好的相关性。在单因素混凝试验中,以搅拌试验所产生絮体为分析对象,计算絮体的分形维数以及测定沉后水浊度,然后以絮凝剂的投加量为变化因子,分别描述分维数、沉后水浊度与投加量的相互关系。从试验中可以看出,以PAFC作为絮凝剂时,最佳投药量为7mg/l;以PAC作为絮凝剂时,最佳投药量为10mg/l;但是不论用哪种类型的絮凝剂,分形维数均与沉后水浊度呈现良好的相关性,即分形维数随着投药量的增加先增后减,而沉后水浊度随着投药量的增加先减少后增大。为找到影响混凝沉降性能好坏因素的显著性顺序,在单因素实验结果的基础上,以单因素中确定的最佳pH值、最佳投药量等13个影响因素做正交实验。结果表明:①影响混凝效果的主要因素有混凝剂种类及混凝剂投加量;②混凝过程的最优水平组合为原水pH=5.8、PAFC投药量大致为7mg/l、n1=400（r/min）,t1=60s、n2=300（r/min）,t2=10s、n3=180（r/min）,t3=200s、n4=100（r/min）,t4=180s、n5=40（r/min）,t5=240s。通过单因素实验得到絮凝体分形维数能够反映絮凝体的沉降性能。最后引入分形理论进行絮凝形态学的研究,引入表示絮凝体各种参数的分形表示方法,主要有絮凝体的质量、体积、密度、絮凝体空隙率、絮凝体的粒径分布、絮凝体强度、絮凝体沉降速率等。推导的理论公式证实了本单因素实验中的结论的正确性,然后结合正交试验得到的最优混凝条件推导出适合于本实验条件按的沉降速度与分形维数之间的数学模型:u = 0. 068×(3×10-7×1300df-1.56×10-3×1.59df)1/3。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究内容及意义
• 2 絮凝体沉降特性研究进展
• 2.1 混凝动力学理论研究与进展
• 2.1.1 传统絮凝模型
• 2.1.2 层流模型和紊流模型
• 2.1.3 直线模型和曲线模型
• 2.1.4 絮凝体破碎模型
• 2.2 分形理论及其应用
• 2.2.1 “分形”理论的提出
• 2.2.2 分形理论在混凝工艺中的应用及分析
• 2.3 影响絮凝体沉降性能的因素
• 2.3.1 原水温度
• 2.3.2 原水pH 值
• 2.3.3 絮凝剂类别及其投加量
• 2.3.4 混凝能耗分配
• 2.3.5 原水水质条件
• 3 实验设计
• 3.1 实验药剂、器材以及装置
• 3.1.1 实验器材
• 3.1.2 实验药剂
• 3.2 单因素变化的混凝实验
• 3.3 正交实验
• 3.4 本实验的分形维数计算方法
• 4 絮凝体沉降性能的实验研究
• 4.1 单因素变化的混凝过程的絮凝体沉降性能研究
• 4.1.1 不同絮凝剂投加量的单因素实验
• 4.1.2 不同pH 的单因素实验
• 4.2 分形维数在混凝正交试验过程中的应用
• 4.2.1 混凝能耗计算
• 4.2.2 混凝正交实验
• 4.3 本章小结
• 5 絮凝体沉降性能与絮凝体结构关系
• 5.1 絮凝体的质量
• 5.2 絮凝体的体积
• 5.3 絮凝体的密度
• 5.4 絮凝体的空隙率
• 5.5 絮凝体的粒径分布
• 5.6 絮凝体沉降速率
• 5.7 实验总结
• 5.8 本章小结
• 6 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录I 攻读学位期间发表的论文