混凝过程中流场结构的PIV测量与表征

采用粒子成像速度场仪(PIV)在不投加专用示踪粒子的条件下,以混凝絮体为示踪粒子,对Taylor-Couette反应器内的絮凝反应流场进行测量与表征.结果表明,内筒旋转雷诺数Re在900~2900时,流场中产生的涡具有相似的特殊波状涡结构,相邻涡旋形态大小发生周期性变化,涡间存在主流液体的移动,这种涡结构有利于絮体结合生长成较大的絮体颗粒,便于沉降而导致较高的絮凝沉淀去除率.这也证实PIV技术能够在进行混凝反应的同时,用混凝过程中的微絮体为示踪粒子对混凝过程进行流场测量,不必再额外添加示踪粒子,就能较好地反映混凝过程中涡旋的形态变化特征,从而实现对絮凝过程的同步测量与表征.     

混凝过程中絮体形貌的PIV成像观测与表征

采用粒子成像速度场仪(PIV)对Taylor-Couette反应器内的混凝过程中絮体的微观形貌进行了观测与表征.结果表明,内筒转速在20～60r/min范围内,生成的絮体颗粒较大,粒径分布均匀,絮凝沉淀效果最好.由于内筒旋转速度的变化直接导致混凝流场形态的变化,所以混凝过程中流场形态的变化对絮体生长过程有重要影响,进而直接影响到混凝效果.混凝过程中流场的周期性变化、涡间存在液体传递的波状涡结构有利于絮体颗粒的结合生长,并导致较高的絮凝沉淀去除率.这也说明PIV技术能够在测量流场的同时较好地反映混凝过程中微絮体的形貌变化特征,从而实现对絮凝过程的原位观测与表征.     

亚微涡旋的混凝作用研究

以粒子图像速度场仪(PIV)测得了Taylor-Couette反应器旋转内筒和固定外筒间的环隙流场图像.所得图像表明环隙间存在亚微尺度的涡旋.同时实验研究了在Taylor-Couette反应器环隙间不同涡旋形态下聚合氯化铝(PAC)对高岭土悬浊液的混凝效能.结果表明,在波涡流(WVF)形态范围内混凝效能达到了最大(50%以上),这可归因于涡的闭合特性及其随时间的膨胀和收缩.但在波涡流形态范围以外得到的混凝效能相对较低,可归因于相互连通的非闭合涡特性.     

采用大涡PIV研究Taylor-Couette流及其对混凝过程的影响

采用大涡PIV方法对Taylor-Couette流场的湍动能及湍动能耗散率进行了估算,并利用数值模拟对其进行验证,结合絮凝实验,综合对比速度矢量、湍动能分布、湍动能耗散率分布及对应流场中混凝过程的絮体图像,探究了湍动能与湍动能耗散率对絮凝效能的影响.结果表明,大涡PIV法与数值模拟在雷诺数较高的情况下有较好的一致性,且雷诺数越大一致性越好.在Taylor-Couette涡流场中,随着雷诺数的增大,湍动能与湍动能耗散率数值不断增大,且在流场中的分布由规律有序到紊乱最终趋于各向均匀一致.而混凝过程中湍动能与湍动能耗散率的数值大小及其在流场中的空间分布情况,均对产生絮体的大小和浊度去除率有较大影响.     

混凝剂特性对建筑景观水水质维护效果的影响

建筑景观水体的水质会直接影响居民身体健康和生活环境,采用简单、高效的水质维护技术具有较大实用价值。采用混凝-沉淀法对比研究了硫酸铝(Al2(SO4)3)、聚合氯化铝(PAC)、三氯化铁(Fe Cl3)和聚合硫酸铁(PFS)4种常用混凝剂对建筑景观水体中主要污染物的去除效果,对混凝剂的电性中和特性与絮体特性进行初步分析。结果表明:在投药量为10~30 mg/L条件下PAC、PFS和Fe Cl3的混凝除污染效果均明显好于Al2(SO4)3;在投药量达到35 mg/L时,4种混凝剂的混凝效果趋于相近,均可达到较好的除污效果。由Zeta电位和絮体特性的分析可知:PAC电荷密度最高,PAC和PFS形成的絮体粒径和密度最佳。     

微旋涡无级变速反应沉淀器技术探讨

基于混凝沉淀的基础理论,结合现有絮凝沉淀池的优点,通过对反应沉淀器核心结构的升级改造及搅拌系统的优化设计,开发了微旋涡无级变速反应器。该反应器集混合、絮凝、固液分离于一体,可创造微涡流与切向流相结合的优良水力条件,结构紧凑,能耗节约。     

基于光学在线监测及形态学研究的絮凝体强度分析方法

以PDA在线监测混凝过程和絮凝体形态学分析为基础,建立了絮凝体强度的分析评价方法.为了计算某一特定絮凝条件下形成絮凝体的黏结力,进行混凝实验并运用图像解析法及粒子图像测速技术研究絮凝体形态学特征.实验过程中将水样引入与光散射颗粒分析仪(PDA2000)相连的透明橡胶管内,并通过准确控制橡胶管内的水流速度梯度来改变作用于絮凝体上的剪切力,这样就可以在线监测絮体的破碎情况,然后根据PDA输出的FI曲线来确定絮凝体的临界破碎条件.根据临界破碎条件下剪切力、破碎力和黏结力的等量关系,确定黏结力系数k1,进而计算出可以表征絮凝体强度的黏结力B.该方法的有效性已经被大量以硫酸铝为混凝剂的腐殖酸混凝实验所证实.     

混凝和强化混凝对印染废水中锑(Ⅴ)的去除特性

印染废水中锑的排放标准日趋严格,是印染废水处理面临的新挑战.以混凝和强化混凝去除印染废水中锑(Ⅴ)为目标,发现聚硫酸铁(PFS)混凝剂对印染废水中锑(Ⅴ)的去除效率显著优于铁铝复配混凝剂和铝盐混凝剂,去除效率达97.4%,出水锑(Ⅴ)浓度可达4μg·L~(-1).酸性条件(低水解度)有利于PFS生成Fe(a)活性组分和静电吸引、锑(Ⅴ)迁移,且絮体颗粒较小,促进PFS混凝除锑(Ⅴ)效率;酸性条件下PFS除锑(Ⅴ)效率是中性条件的1.27倍,处理出水中锑(Ⅴ)浓度仅为中性条件的33.3%.PFS投加量与除锑(Ⅴ)效率符合反比例模型.在较高锑(Ⅴ)浓度下,提升PFS投加量可提高除锑(Ⅴ)效率,但在较低锑(Ⅴ)浓度下,提升PFS投加量对除锑(Ⅴ)效率的促进较小.PFS絮体回流与混凝沉淀串联或耦合可显著提升印染废水中锑(Ⅴ)的去除效率,其除锑(Ⅴ)效率分别是单一PFS混凝沉淀的1.14倍和1.32倍,可有效降低出水锑(Ⅴ)浓度并节约PFS投加量和减少污泥生成量.其中混凝-絮体回流耦合工艺中,最佳絮体回流比例为100%.     

壳聚糖助凝对PAC混凝过程的影响

以聚合氯化铝(PAC)为絮凝剂,壳聚糖(CTS)为助凝剂在Taylor-Couette反应器中进行混凝实验.采用粒子成像速度场仪(PIV)研究了不同内筒转速(水力学条件)下 CTS 助凝对PAC混凝过程中絮体形态和浊度的影响.结果表明,添加CTS后,相应的混凝效果都得到提高,但与单独使用PAC时产生的变化趋势一致,说明适宜的化学条件下,水力条件是制约混凝效果的关键因素;且添加助凝剂有助于降低混凝过程对流体力学条件的依赖性,提高混凝的稳定性.     

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     

二氧化氯预氧化对藻类絮体形态的影响

针对高含藻高含盐杨埕水库原水藻类特征,采用聚合氯化铝(PAC)、硫酸铝(AS)、聚合硫酸铁(PFS)和氯化铁(FC)4种混凝剂进行混凝除藻试验,用图像法对藻类絮体的分形维数进行测定,分析混凝剂种类及投量、二氧化氯投加量等因素对混凝除藻效果及藻类絮体形态的影响。结果表明,杨埕水库夏季藻类种属相对较为单一,以小型色球藻、微小平裂藻、不整齐蓝纤维藻为优势藻类;4种混凝剂的除藻性能优劣依次为:AS>PAC>PFS>AC。在AS最佳投加量(以Al2SO4计)70 mg/L下,藻类的去除率为85.3%。此时,杨埕水库夏季藻类以藻类絮体分形维数值为1.54,形成的絮体密实且沉降性好。以AS为混凝剂,投加量为70 mg/L下,二氧化氯投加量为0.8 mg/L时助凝效果最好,藻类的去除率比单独投加AS时提高了6.3%,藻类絮体分形维数值为1.71,形成的藻类絮体更加密实。二氧化氯过量投加无益于藻类去除。     

聚合氯化铝及聚合氯化铝铁处理微污染地表水效果

选用两种无机高分子混凝剂聚合氯化铝(PAC)和聚合氯化铝铁(PAFC),与传统混凝剂Al2(SO4)3处理微污染地表水。以浊度和CODMn去除率为主要指标,考察投药量和pH对混凝效果的影响。通过考察沉淀时间对浊度去除效果的影响,结合实验现象,讨论三种混凝剂生成矾花的大小和沉降性能。结果发现,PAC和PAFC在5mg/L的投药量下可以取得较好的混凝效果,出水符合GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》。三种混凝剂的最佳pH为6,PAFC受pH影响较小,当pH为5～8时可取得较好的CODMn去除效果。PAFC生成的矾花体积较大,沉降性能较好,在实际应用中可缩短沉淀池的水力停留时间。     

Disinfection byproduct precursor removal by enhanced coagulation and their distribution in chemical fractions

Raw water from the Songhua River was treated by four types of coagulants, ferric chloride(FeCl3), aluminum sulfate(Al2(SO4)3),polyaluminum chloride(PACl) and composite polyaluminum(HPAC), in order to remove dissolved organic matter(DOM). Considering the disinfection byproduct(DBP) precursor treatability, DOM was divided into five chemical fractions based on resin adsorption.Trihalomethane formation potential(THMFP) and haloacetic acid formation potential(HAAFP) were measured for each fraction. The results showed that hydrophobic acids(HoA), hydrophilic matter(HiM) and hydrophobic neutral(HoN) were the dominant fractions.Although both HoN and HoA were the main THM precursors, the contribution for THMFP changed after coagulation. Additionally,HoA and HiM were the main HAA precursors, while the contribution of HoN to HAAFP significantly increased after coagulation.HoM was more easily removed than HiM, no matter which coagulant was used, especially under enhanced coagulation conditions.DOC removal was highest for enhanced coagulation using FeCl3 while DBPFP was lowest using PACl. This could indicate that not all DOC fractions contained the precursors of DBPs. Reduction of THMFP and HAAFP by PACl under enhanced coagulation could reach51% and 59% respectively.     

柠檬酸对不同混凝剂混凝效果的影响

通过对不同混凝剂(Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、PACl25)混凝过程中絮体粒径大小的测定,研究了在不同pH条件下柠檬酸浓度对3种混凝剂混凝效果的影响.结果发现,随着柠檬酸浓度的增加,3种混凝剂混凝过程中生成絮体的速率和粒径大小都在逐渐降低,但3种混凝剂受到抑制的程度不同:对于硫酸铝,当n(柠檬酸)/n(Al) =0.1时,混凝20 min内没有絮体生成;对于硫酸铁,仅当n(柠檬酸)/n(Fe)=0.05时,絮体就不再生成;而当n(柠檬酸)/n(Al) =0.5时,PACl25絮体仍能很快地形成.不同的pH值下柠檬酸对混凝效果的抑制程度也不同:对于硫酸铝,pH =6时生成絮体最大,pH =8时没有絮体生成;对于硫酸铁,pH =5时产生絮体的情况和pH =6时相似,而pH =7时絮体消失;而对于PACl25,絮体大小随着pH值的升高而增大(pH在7～9之间).另外,通过对Zeta电位的测定可知,随着柠檬酸浓度的增加,3种混凝剂的Zeta电位都在降低,但降低的速率不同:硫酸铁＞硫酸铝＞ PACl25,这与絮体粒径大小的变化规律一致.     

Characterization of cake layer structure on the microfiltration membrane permeability by iron pre-coagulation

A cake layer is formed by coagulation aggregates under certain transmembrane pressure in the coagulation-microfiltration (MF) process. The characteristics of humic acid aggregates coagulated by different iron-based coagulants, such as charge, size, fractal dimension and compressibility, have an effect on the cake layer structure. At the optimum iron dose of 0.6 to 0.8 mmol/L for ferric chloride (FC) and polymer ferric sulfate (PFS) pre-coagulation, at the point of charge neutralization for near zero zeta potential, the aggregate particles produced possess the greatest size and highest fractal dimension, which contributes to the cake layer being most loose with high porosity and low compressibility. Thus the membrane filterability is better. At a low or high iron dose of FC and PFS, a high negative or positive zeta potential with high charge repulsion results in so many small aggregate particles and low fractal dimension that the cake layer is compact with low porosity and high compressibility. Therefore the membrane fouling is accelerated and MF permeability becomes worse. The variation of cake layer structure as measured by scanning electric microscopy corresponds with the fact that the smaller the coagulation flocs size and fractal dimension are, the lower the porosity and the tighter the cake layer conformation. This also explains the MF membrane flux variation visually and accurately.     

聚合硫酸铁(PFS)混凝腐殖酸(HA)的过程中典型操作因素的影响研究

针对聚合硫酸铁（PFS）混凝-沉淀去除腐殖酸（HA）水样的过程,通过测定典型操作因素（PFS投加量、原水pH和搅拌方式）下微絮体的zeta电位、上清液的浊度、UV254、pH值及电导率和絮体沉降体积变化,探讨了这些因素对该过程的影响.结果表明：在原水pH=6.00时,PFS混凝HA的主要机制为电中和作用,搅拌方式对PFS的最佳投加范围没有明显的影响,但单一搅拌方式下HA的去除效果更好;在原水pH=8.00时,吸附络合-卷扫絮凝成为主要的混凝机制,复合搅拌方式下PFS的最佳投加量范围大于单一搅拌方式,且前者的HA去除效果更好.整体而言,几种混凝条件下PFS最佳投药量对应的微絮体zeta电位均在-12.00mV左右;原水pH=6.00时PFS混凝-沉淀去除HA的效果比原水pH=8.00时的好,且前者形成的PFS-HA沉淀絮体体积较小,但单一搅拌方式下絮体结构的重组过程并不是影响絮体体积的主要因素.复合搅拌方式中开始阶段的高强度搅拌有助于PFS组分在HA水样中的分散而有利于其电中和作用的发挥,但对PFS的水解过程影响不大.     

混凝-接触氧化处理印染废水的试验研究

对混凝-生物接触氧化法处理印染废水进行研究。混凝部分试验研究了聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)、氯化铁(FC)3种混凝剂对印染废水的处理效果。结果表明:PAC的处理效果最好,并确定了混凝的最佳pH值和投加量。在生物接触氧化试验部分,主要考察了水力停留时间和曝气量对COD去除率的影响,确定了最佳工艺参数。经试验,脱色率和COD去除率分别达95.68%和95.23%。     

Groundwater arsenic removal by coagulation using ferric(III) sulfate and polyferric sulfate: A comparative and mechanistic study

Elevated arsenic (As) in groundwater poses a great threat to human health. Coagulation using mono- and poly-Fe salts is becoming one of the most cost-effective processes for groundwater As removal. However, a limitation comes from insufficient understanding of the As removal mechanism from groundwater matrices in the coagulation process, which is critical for groundwater treatment and residual solid disposal. Here, we overcame this hurdle by utilizing microscopic techniques to explore molecular As surface complexes on the freshly formed Fe flocs and compared ferric(III) sulfate (FS) and polyferric sulfate (PFS) performance, and finally provided a practical solution in As-geogenic areas. FS and PFS exhibited a similar As removal efficiency in coagulation and coagulation/filtration in a two-bucket system using 5 mg/L Ca(ClO)₂. By using the two-bucket system combining coagulation and sand filtration, 500 L of As-safe water (< 10 μg/L) was achieved during five treatment cycles by washing the sand layer after each cycle. Fe k-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) and As k-edge extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) analysis of the solid residue indicated that As formed a bidentate binuclear complex on ferrihydrite, with no observation of scorodite or poorly-crystalline ferric arsenate. Such a stable surface complex is beneficial for As immobilization in the solid residue, as confirmed by the achievement of much lower leachate As (0.9 μg/L–0.487 mg/L) than the US EPA regulatory limit (5 mg/L). Finally, PFS is superior to FS because of its lower dose, much lower solid residue, and lower cost for As-safe drinking water.