ABR成熟颗粒污泥的分形特征与尺度效应

建立了基于SEM照片研究ABR成熟颗粒污泥分形特征的操作程序,采用Photoshop、Newscan和Fips程序对该图形进行处理和分形维数计算.颗粒污泥的计盒维数值处于1.85以上,第3格室和第5格室形成的颗粒污泥较为致密.不同格室颗粒污泥边界的计盒维数的值在1.10左右,表明它们的边界或表面是不规则的,而且第1格室和第5格室形成的颗粒污泥的表面不规则程度高一些.颗粒污泥边界的圆规维数计算结果也表明其表面是不规则的,而且每一个颗粒污泥都存在2个分形维数的尺度区间,有的区间跨度达一个数量级.另外,不同的计算维数的方法会导致结果的差异.建立不同尺度域下的分形维数与颗粒污泥的组成、结构及物化特征的关系将具有重要意义.     

典型工业半焦的孔隙分形结构分析

工业半焦是一种具有复杂的微观孔隙拓扑结构的多孔物质.基于分形理论,引入分形维数对工业半焦不规则孔隙结构的粗糙、复杂程度进行了定量表征和描述.选取具有典型煤种和工艺代表性的工业半焦样品,用孔隙度分析仪对其孔隙结构特征进行了测量,并利用其测量数据进行了分形维数的分析计算.计算结果表明,工业半焦的孔隙结构符合分形特征,在样品颗粒尺寸为2.36～3.35mm的测量条件下,样品的分形维数在2.7982～2.9154之间,其可决系数在0.9157～0.9614之间;样品的分形维数与煤种和半焦热解工艺过程均有一定的关系.通过对工业半焦分形维数的计算分析,可以更加全面准确地了解其孔隙结构特征,以期为分析评价其吸附和活化潜力、制定恰当的活化工艺提供更加可靠的依据.     

基于分形理论和形状特征的大气颗粒物研究

本研究对青岛市黄岛区的大气颗粒物进行了采集,通过CCD图像采集系统在显微镜下获得8种典型大气颗粒物的显微图像,运用差分盒维数法计算其分形维数以及图像处理技术计算其球形度等形状参数.进而研究了颗粒物分形维数与粗糙度的关系、分形维数的尺度不变性、以及分形维数和形状参数的相关性分析.研究发现不同颗粒图像的分形维数是不同的,可以运用分形维数结合长径比、庞大率等形状参数对大气颗粒物进行模式识别,为解析大气颗粒物的来源提供新的特征参数.     

引入分形维数的混凝动力学方程数值求解

运用Smoluchowskj基本原理,建立了引入絮凝体分形维数的混凝动力学模型.该模型在絮凝过程中考虑了不同时刻形成的絮凝体中引入的初始颗粒数目和空隙率,并以此来推求不同时刻形成的絮凝体所对应的分形维数.采用有限差分法对建立的混凝动力学模型进行了数值计算.结果表明,初始颗粒的结构特征和碰撞效率是影响絮凝体粒径分布的主要因素.初始颗粒的分形维数和碰撞效率越大,絮凝体粒径分布越宽泛,大尺寸的颗粒所占的份额越多.同时计算结果表明,絮凝体的分形维数有随其粒径增大而逐渐降低的趋势,其原因是絮凝体的成长粒径与絮凝体中所包含的初始颗粒增长速度不成比例.以腐殖酸为混凝对象,采用硫酸铝作为混凝剂进行混凝实验,并以其初始絮凝条件作为数值计算初始条件,研究表明数值计算分析结果和模拟结果吻合较好.     

上海市大气可吸入颗粒物的粒度分布分形特征

采用分形维数定量表征颗粒物的粒度分布的方法,计算2005年上海市大气可吸入颗粒物粒度分布的分形维数,分析不同采样点颗粒物粒度分布分形维数的变化与可吸入颗粒物粒度分布的关系,讨论采样时气象条件等因素对颗粒物粒度分布分形维数的影响;推导大气颗粒物的粒度分布分形维数与颗粒物表面吸附性能之间的关系,并结合部分金属元素的含量进行讨论.结果表明,上海市可吸入颗粒物粒度分布的分形维数在0.6506～2.9254之间,并且相对湿度较大,风力较小均会使颗粒物的粒度分布分形维数减小;粒度分布分形维数值越大,颗粒物中细颗粒物越多,粒度分布分形维数较好地表征了颗粒物的粒度整体分布.粒度分布分形维数和颗粒物比表面积等物理性能有直接关系,粒度分布分形维数值越大,细粒子所占的比表面积越多,对有毒有害污染物吸附更多.     

分形理论及其在环境科学中的应用

为使环境系统科学理论及其相关实用工具在环境科学领域得到更好的应用,本文在简要介绍分形、分形维数基本概念的基础上,通过对分形理论在环境科学中应用情况的回顾、分析与总结,进一步对分形理论在环境科学领域中的应用前景进行了展望。     

分形维数在城市排水管网规划中的应用

城镇体系空间结构是城镇体系的重要特征之一,对其的定量研究对城市规划具有重要意义.以分形理论为基础,采用集聚维数研究了东莞市各镇区体系的空间相关性.结果表明:镇区之间的集聚程度不大,其大小与经济发展状况和地理位置有较好的对应关系.通过对几个镇区排水管网的长度-半径维数的测算,揭示出镇区排水管网也具有分形特征.综合分析镇区排水管网的规模指标数值可发现规划中存在的问题,并提出如下调整措施:①对于排水管网分形维数较好,规模指标欠佳的镇区,应加快排水管网的规模建设;②对于排水管网规模指标较好,而分形维数较差的镇区,应优化排水管网的平面布置规划;③对于排水管网分形维数及规模指标均欠佳的镇区,需要从排水管网的平面布置规划和建设规模两方面进行优化和调整.      

基于高压电脉冲破碎废弃电路板粒度分形特性

高压电脉冲技术在废弃电路板破碎方面的应用实际上是借鉴了其在矿物破碎方面的研究。材料的微观缺陷如微裂纹、微孔隙等分布及受载荷后的演化在一定标度范围内具有较好的统计自相似性,自相似性行为导致材料宏观破碎后所形成碎块的粒度分布具有分形特征。结合分形理论对废弃电路板高压电脉冲破碎后的产物粒度进行分形分布的分析,通过建立分布模型,对破碎产物实际筛下累积含量和用分布模型计算的分布含量进行线性拟合,分析结果表明线性拟合度较好,表明破碎产物具有粒度分形特性。建立分形维数与破碎条件函数间的关系,通过正交实验得出分形维数与破碎条件之间的关系。用破碎后块体的分形构造来考察材料破碎的形成过程,为研究废弃电路板的破碎特性提供了新思路。     

黄河包头段不同粒径沉积物分形校正下重金属的吸附研究

推导了分粒级的表面分形维数计算公式,根据推导公式计算了分粒级沉积物的分维值.应用已有的表面分形分维计算公式分别计算了黄河包头段沉积物整体的表面分形分维(1.91)及＜63 μm粒级的分维值(1.36),揭示出黄河水环境的磨蚀和分选2个原因引起黄河包头段沉积物低的分维值.用分形校正吸附模型、Freundlich和Langmuir吸附模型对黄河包头段重金属分粒级沉积物吸附进行了拟合,表明分形校正吸附模型具有较好的适用性,同时揭示分形校正吸附模型与MEA理论结合能更好的对热力学吸附结果进行描述;由吸附结果分析得出4种重金属因粒径引起的吸附量变化程度序列为Cu＞Pb＞Zn≈Cd,初始浓度高的吸附量曲线变化较初始浓度低的曲线变化明显,同时指出Cu、Pb的吸附主要与矿物组成有关,而Zn、Cd的吸附则与吸附剂沉积物空间几何性质(或沉积物表面物理特征)有关.     

腐殖酸絮凝体的形态学特征和混凝化学条件

以腐殖酸为混凝去除对象 ,通过图像法观察腐殖酸絮凝体的形态 ,研究了在混凝过程中以及不同化学条件下絮凝体分形维数的变化规律 .实验结果表明 ,在弱酸性 (pH =5 .0 )条件下形成的絮凝体比在中性 (pH =7.0 )条件下形成的絮凝体分形维数高 ,具有较密实的构造 .在该条件下 ,随搅拌历时的延长 ,絮凝体的分形维数有下降的趋势 .当铝盐投药量很高时 ,形成的絮凝体分形维数也降低 ,说明网扫絮凝为主要混凝机理时 ,絮凝体构造比较松散     

腐殖酸铝盐絮凝体的动态特性

通过显微摄影分析研究了腐殖酸铝盐絮凝体成长的动态过程以及在混凝过程中絮凝体构造(分形维数)的变化规律.结果表明,在腐殖酸混凝过程中,随搅拌历时延长,絮凝体粒径不断成长变大,最终达到平衡状态.随着絮凝体的成长,其构造呈现由密实逐渐向疏松过渡的过程,空隙率变大,二维分形维数由初期的1.8左右下降到1.4左右.絮凝体分形维数D_f和粒径d_f之间具有D_f=Ad_f^-     

Effects of humic acid on recoverability and fractal structure of alum-kaolin flocs

Particle surface characteristics, floc recoverability and fractal structure of alum-kaolin flocs were investigated using in situ particle image velocimetry (PIV) and microbalance with or without humic acid. Experimental results indicated that the zeta potential of kaolin particle surface after adsorption of humic acid was related with humic acid concentration and its acid-base bu ering capacity. Adsorption of humic acid resulted in more negative electrophoresis on the particle surface. Coagulant dosages for particles to form flocs would increase with increasing humic concentration. PIV was used to evaluate floc structural fragmentation, floc surface erosion as well as recoverability after high shear. It was found that the floc size during the steady phase of growth was small, while the regrowing capability decreased in the presence of humic acid. The recoverability was closely related with floc breakage modes including floc structural fragmentation and floc surface erosion. The fractal dimensions of alum-kaolin flocs by mass-size method based on microbalance would decrease with increasing humic concentration. This study proved that humic acid had adverse influences on the performance of coagulation process.     

絮体性能及其工艺调控的研究与进展

絮体结构和强度特征是絮凝过程的重要参数.在简要回顾絮体分形结构研究的基础上,对絮体结构与强度的测定方法、絮体结构形成的影响因素及其工艺调控的研究进展进行了概括性介绍.结合部分实验研究,着重讨论了水力条件对于絮体性能的影响和絮体重组、历史的演化机理,结果表明,逐步增强的水力剪切条件有助于改善絮体的结构和强度.     

絮体破碎过程的仿真及试验分析

为深入探讨絮体成长特征及其结构改善途径,借助一种简化的破碎模式对絮体破碎过程进行计算机仿真,并将仿真结果用于分析不同水动力学条件下破碎后再形成时絮体粒度和结构的演变过程.结果表明,与远离质心的区域内颗粒重组相比,絮体致密性主要取决于其质心附近颗粒的空间分布;絮体破碎后生成粒度较小但结构较为致密的碎片,在适宜的水动力学条件下有利于颗粒进入其内部或者均匀地排列在其周围,实现质心附近颗粒的重组,进而改善絮体结构.此外,还建立了絮体分形生长模型,并对絮凝工艺的操作提出优化建议.     

利用小角度激光光散射研究阳离子有机高分子絮凝剂的絮体粒径和絮体结构

利用小角度激光光散射在线监测技术研究了不同阳离子有机高分子絮凝剂对带负电荷的高岭土颗粒体系的絮凝动力学和絮体结构.对于高电荷密度的聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC),由于分子量低其初始絮凝反应速度较慢,最终形成的絮体也较小.絮凝过程中,其絮体结构发生重组和排列,分形维数从1.83升高到2.09,所形成的絮体密实.对于低电荷密度的2种阳离子聚丙烯酰胺(CPAM),因其分子量大投药量高,絮凝反应速度较快;但其絮体的分形维数较小且在絮凝反应中基本保持不变,形成的絮体结构开放和松散.基于有机高分子对高岭土体系浊度和zeta电位的影响,结合絮凝动力学和絮体结构分析,结果表明,PDADMAC絮凝机理是电中和作用,而随着分子量的增加和电荷密度的降低,CPAM则主要通过吸附架桥作用产生絮凝.     

活性污泥絮体粒径分布与分形维数的影响因素

絮体粒径分布和分形维数是活性污泥的重要参数.应用激光粒度仪测量了好氧活性污泥絮体在絮凝过程的粒径分布,研究了速度梯度、VSS/SS、EPS含量及Zeta电位对絮体粒径分布的影响.结果表明,絮体平均粒径与速度梯度显著负相关(R2>0.80),与Kolmogorov尺度数量级基本相当,其间差异性与污泥VSS/SS、絮体强度等有关;相同的速度梯度下,絮体平均粒径与VSS/SS或EPS含量显著正相关(R2>0.85),与Zeta电位负相关.有机质和EPS在活性污泥絮凝中作用明显,会增强絮体强度,提升絮凝效果;EPS中蛋白质比多糖对絮凝的促进作用更明显.基于显微图像分析方法,得到了好氧活性污泥絮体二维分形维数为1.28~1.72,三维分形维数为1.70~2.69.絮体分形维数随VSS/SS或EPS含量的增加而减小;对于相同的活性污泥,絮体三维分形维数随粒径增大而减小,符合幂函数关系式.     

聚合氯化铁-腐殖酸(PFC-HA)絮体的粒度和分形维数的动态变化

通过采集PFC-HA絮体的单个样品和拍摄它们的二维图像,研究了在不同混凝条件下絮体的粒度和分形维数的变化.结果表明,原水pH的下降滞后了PFC-HA絮体的出现.原水pH≥7.0时,随着投药量的增加,PFC-HA絮体的分形维数D2(lgA-lgdL)和D3(lgV1-lgdL)随之降低,表明絮体的结构越来越疏松;而原水pH=5.0时,PFC-HA絮体的分形维数存在波动.在PFC的最佳投药量时,水力条件的优化可以提高HA的去除效果,但随着原水pH的下降,HA去除效果的提高程度也随之减小.在最佳水力条件下,PFC-HA絮体的粒度为数百微米,其分形维数值较大,表明絮体的结构较为密实.此外,PFC-HA絮体的粒度分布具有(类)分形特征,最佳水力条件下正的D.值表明絮体的粒度分布趋向平稳.在整个混凝搅拌过程中,PFC-HA絮体的分形维数的变化是与混凝的溶液化学条件、搅拌时间和分形维数类型有关,其D2具有先上升后下降的趋势,这一过程中絮体结构先趋向密实,然后趋向疏松.而且慢速搅拌过程中絮体的尺度也是先增加后下降.     

Coagulation behavior and floc properties of compound bioflocculant-polyaluminum chloride dual-coagulants and polymeric aluminum in low temperature surface water treatment

This study was intended to compare coagulation behavior and floc properties of two dualcoagulants polyaluminum chloride–compound bioflocculant(PAC–CBF)(PAC dose first) and compound bioflocculant–polyaluminum chloride(CBF–PAC)(CBF dose first) with those of PAC alone in low temperature drinking water treatment. Results showed that dualcoagulants could improve DOC removal efficiency from 30% up to 34%. Moreover, CBF contributed to the increase of floc size and growth rate, especially those of PAC–CBF were almost twice bigger than those of PAC. However, dual-coagulants formed looser and weaker flocs with lower breakage factors in which fractal dimension of PAC–CBF flocs was low which indicates a looser floc structure. The floc recovery ability was in the following order:PAC–CBF PAC alone CBF–PAC. The flocculation mechanism of PAC was charge neutralization and enmeshment, meanwhile the negatively charged CBF added absorption and bridging effect.     

腐殖酸絮凝体形成过程中初期搅拌条件对其形态结构的影响

以腐殖酸为研究对象,采用硫酸铝为混凝剂进行混凝杯罐实验,借助PDA在线监测系统、图像解析法及粒子图像测速技术分析评价絮凝体的构造特征,着重探讨了混凝过程中初期快速搅拌条件对絮凝体形态结构的影响.结果表明,快速搅拌条件对腐殖酸絮凝体的形成过程及形态结构有着显著影响.最佳快速搅拌条件为:搅拌历时l min,搅拌强度300 r·min-,此时形成的絮凝体结构密实,抗剪切能力强,整体性能最优,絮凝体分形维数、强度及平均粒径分别为1.8842、0.164 N·m-2、0.43 mm.腐殖酸絮凝体的形成包括不溶性微粒的产生及初期颗粒的形成与结合等过程,其中,不溶性微粒的形成及初期颗粒的致密化过程是决定最终絮凝体形态构造的重要环节,而快速搅拌条件影响着混凝剂扩散混合效果和初期颗粒的形成速率与致密化程度,这也是初期快速搅拌条件对于腐殖酸混凝过程有显著影响的一个重要因素.