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.     

聚硅酸铁水解规律及混凝机理的探讨

以水玻璃、硫酸亚铁及氯酸钠为原料,用共聚法制备聚硅酸铁混凝剂(PSF),同时研究PSF的水解过程以及PSF与聚合硫酸铁(PFS)、复合铝铁(PFA)的微观品质(微观结构、形态尺寸及Zeta电位)及混凝性能,并结合水解形态分布及微观品质对PSF的混凝机理进行初步探讨.结果表明,PSF是由许多链节样物种连接而成的分维数很大的敞开式枝状结构,其平均粒径比PFS、PFA分别大近5、11倍,而PFS、PFA是由一些低分维数及尺寸很小的棒状或球状形态组成,PSF、PFS的Zeta电位相近,远远低于PFA(为PFA的1/20左右),PSF的形态尺寸及Zeta电位分布不均.在较宽的pH范围内(浊度为5.5～12 NTU,UV₂₅₄为5.5～10 cm^-1),PSF的混凝效果明显优于PFS、PFA.PSF在纯水中的水解可以代表在地表水中的水解过程.PSF具有的特征微观品质使其在不同pH值范围内具有不同的水解形态分布,导致混凝机理差异很大.在宽泛的pH范围内(53、Fe(OH)²⁺及Fe³⁺稳定存在于水体中,是PSF在较宽pH范围内具有优异混凝性能的根本原因,也是PSF同时具有增强电中和/脱稳及架桥混凝机理的内在原因.微观品质、水解形态分布及混凝效果的对比合理解释了电中和/脱稳是混凝的前提条件,架桥是必要条件,二者要紧密配合才能取得高效的混凝效果.     

引入分形维数的絮体粒径分布规律及其守恒关系

采用显微摄影技术,通过混凝实验分析了腐植酸絮凝体的粒径分布规律.结果表明,腐植酸絮体的粒径呈现对数正态分布.从混凝动力学基本方程出发,考虑到腐植酸絮体构造的不规则性(分形维数),分析了颗粒数量、颗粒平均体积和标准偏差之间存在的守恒关系,该守恒关系可以大大简化基本方程的求解,更简便地预测混凝过程中絮体的粒径分布.     

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.     

低温条件下絮体破碎再絮凝去除水中颗粒的研究

为了了解低温条件下絮体的形成/破碎/再絮凝过程在适当条件下对絮凝去除水中颗粒物的强化效果,采用PDA2000透光率脉动检测仪对絮凝破碎再絮凝过程进行了在线监测.研究结果表明,当电中和机理占主导作用时(混凝剂投加量小于0.1 mmol·L-1),絮体破碎后能重新絮凝,絮体大小能恢复到破碎之前;而当网捕卷扫机理占主导作用时(混凝剂投加量大于0.2 mmol·L-1),絮体的恢复情况不如电中和条件,再絮凝能力降低.投加适量的腐殖酸会增加絮体破碎前后的分形维数,但过量的腐殖酸则会降低破碎前后絮体的分形维数.絮体破碎再絮凝后其分形维数比破碎前高.腐殖酸的投加量并不会明显影响絮凝和破碎后再絮凝的FI指数.电中和絮体破碎前初始絮凝时间越长破碎后沉后水浊度越低,破碎后其浊度会比破碎前显著减小.较低投量的铝盐就能使得沉后水浊度降到很低,因此可以降低混凝剂投量而达到更好的水处理效果.     

聚合氯化铝（PACl）混凝絮体的破碎与恢复

通过烧杯实验以及在线粒度监测考察了聚合氯化铝（PACl）混凝所生成絮体的破碎以及随后絮体的恢复情况.结果发现,絮体的破碎以及恢复情况因混凝区域的不同而呈现不同的规律.在稳定区,絮体的强度较大,不易破碎,且破碎后的絮体可进一步增长,其恢复因子高达259%;在电中和混凝区,絮体的强度最小,易于破碎,但破碎后可完全恢复;在再稳区和卷扫混凝区,絮体的强度较大,不易破碎,但破碎后不能完全恢复,其中后者的恢复因子仅为18.6％.再搅拌强度越大,对絮体的破碎及恢复程度的影响越大.对于卷扫混凝,经再搅拌破碎后而得到部分恢复的絮体,相对于未经再搅拌的絮体而言,其絮体层与水体间界面的沉降高度及平均沉降速率均较低,且在絮凝沉降区和区域沉降区,该絮体界面的瞬时沉降速率在同一絮体浓度下均较低,但在压缩沉降区,二者的瞬时沉降速率相同.     

天然有机物对混凝效果影响机制及絮体特性分析

混凝是降低水体中天然有机物浓度的有效手段.本研究旨在了解天然有机物的存在对混凝效果及絮体特性产生的影响.实验以PACl25作为混凝剂来模拟含有一定量天然有机物的典型代表物质腐殖酸或柠檬酸配水的水处理混凝过程.分析了混凝过程中这两种有机物的存在对絮体颗粒大小、分形维数、Zeta电位和水中剩余铝浓度的影响.结果表明,在一定浓度范围内,随着溶液中腐殖酸、柠檬酸浓度的增加,絮体颗粒的大小及其成长速率、Zeta电位以及分形维数均呈现出下降的趋势(腐殖酸质量浓度从0 mg·L-1增加到10 mg·L-1、柠檬酸浓度从0μmol·L-1增加到7μmol·L-1,破碎前絮体大小分别降低34.2%、53.1%;絮体Zeta电位从10 mV左右分别下降到-10 mV及-2.5 mV左右;絮体成长速率分别下降了42.6%、77.5%;分形维数分别降低了0.08和0.094),表明有机物占据了微絮体表面从而导致絮体活性及致密性的降低;而在此有机物浓度范围内溶液中剩余铝的浓度却不因絮凝能力的下降而变化.     

絮体分形结构对沉淀速度影响研究

利用基于微天平的质量-粒径法和基于改进粒子图像测速技术的自由沉淀法对高岭土、腐殖酸絮体的分形结构进行了研究.结果表明,质量-粒径法得到的铁盐絮体三维分形维数为2.14~2.28,明显大于铝盐絮体的1.75~1.83,铁盐絮体结构更为致密,而铝、铁-腐殖酸絮体比相应的高岭土絮体分形维数要小.絮体分形维数与沉淀速度具有良好的对应关系,分形维数越大,絮体沉淀速度越大.质量粒径法与自由沉淀法求出的絮体分形维数相吻合,分形絮体沉淀速度不再满足Stokes沉淀速度公式.     

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.     

三种常见混凝机理为主导条件下絮体特性研究

以模拟低浊微污染水为原水,硫酸铝[Al2 (SO4)3]为混凝剂,考察了3种常见混凝机理(电性中和、吸附架桥和网捕卷扫)为主导条件下絮体的成长过程、二维边界分形维数(Dpf)和比表面积及其与混凝效果的相关性.结果表明:吸附架桥为主导机理下絮体最大增长速率S (0.951)最快,达到稳定后絮凝指数FI最大(3.7%),二维边界分形维数Dpf最大(1.587),絮体呈块状且絮体间出现孔状间隙,比表面积介于网捕卷扫和电性中和之间[网捕卷扫(83.646m2/g)>吸附架桥(98.808m2/g)>电性中和(116.046m2/g)];FI值、S及Dpf变化与浊度去除率相关性较好,其相关系数分别达0.979、0.982和0.963,同时比表面积大的絮体吸附容量大,有机物的去除率高.     

固液共存氧化型聚硅酸铁(PSF-I)混凝剂的分析

对自制的聚硅酸铁(PSF)进行改性,加入高锰酸钾和稳定剂M,制备出固液共存氧化型聚硅酸铁(PSF-Ⅰ)混凝剂,用滤纸将PSF-Ⅰ过滤,并对PSF-Ⅰ、PSF-Ⅰ滤液及PSF进行紫外吸收(UVA)全波长扫描及前两者的混凝实验,然后将PSF-Ⅰ与PSF、聚合硫酸铁(PFS)进行混凝对比研究,最后对PSF-Ⅰ的混凝性能随储存时间的稳定性进行探讨。结果表明,高锰酸钾的加入改变了PSF的微观结构,使PSF的形态尺寸增大,导致PSF-I中Fe3+离子的UVA特征峰比PSF高,并且保存了独立的高锰酸钾特征吸收峰(530nm)。PSF-Ⅰ中的固相起到初级核子作用,有利于絮体成长。PSF-Ⅰ的最佳投药量为9mg?L^-1,而PSF-Ⅰ滤液 的最佳投药量为12 mg?L^-1。PSF-I是通过混凝吸附和催化氧化功能共同实现对有机物的去除,而PSF和PFS仅是通过常规的混凝吸附去除部分有机物,去除机理有本质的区别。     

HCA强化混凝预处理生活污水的效能及机理

通过单因素及正交试验,以聚二甲基二烯丙基氯化铵（HCA）为混凝剂对模拟农村生活污水进行强化混凝预处理,考察了影响HCA混凝去除SS、TP及有机物的主要因素及其主次顺序,并以Zeta电位及分形维数对HCA的混凝机理进行了分析.结果表明,影响HCA处理效果的因素顺序为初始pH值值 > HCA投加量 > 絮凝搅拌时间 > 混合搅拌速度梯度 > 混合搅拌时间 > 絮凝搅拌速度梯度,在优化条件下HCA混凝对SS、TP及COD去除率最高分别达94.1%、74.9%及61.1%;当HCA投加量为15mg/L时,Zeta电位与絮体分形维数分别为-2.03mv及1.0149.试验表明HCA对生活污水具有较好的处理效果,强化混凝去除污染物的机理主要是电性中和作用.     

海藻酸钠对改性黏土絮凝特征的影响

以海藻酸钠为藻源有机质的模式化合物,考察了赤潮水体中藻源有机化合物对改性黏土絮凝速率及絮凝体特征的影响;并利用图像分析法,测定了絮凝体的分形维数Df,借助分形维数对改性黏土的絮凝形态学特征进行了半定量化分析.结果表明:当海藻酸钠浓度在10~100mg/L范围内时,可以提高改性黏土絮凝的速率,絮凝体的分形维数Df、絮凝体强度呈现出先增大后减小的规律;其中,最佳浓度为50mg/L,其最大絮凝速率达到44.13、Df 为1.6823.低浓度(100mg/L)海藻酸钠能促进改性黏土的絮凝效率,但促进作用呈现减小的趋势,表现为最大絮凝效率减小,Df降低、絮凝体的空隙率增大.     

The influence of particle size and concentration combined with pH on coagulation mechanisms

In order to evaluate the influence of particle size and particle concentration on the coagulation process, two kinds of particle suspensions, nanoparticles and microparticles,were employed to investigate the effect of particle size on coagulation mechanisms with varying coagulation parameters. Results showed that it is easier for nanoparticles to cause self-aggregation because of Brownian motion, while interception and sedimentation are the mainly physical processes affecting particle transport for microparticles, so they are more stable and disperse more easily. The particle size distribution and particle concentration had distinct influence on the coagulation mechanisms. Under neutral conditions, as the amount of coagulant increased, the coagulation mechanism for nanoparticles changed from charge neutralization to sweep flocculation and the nanoparticles became destabilized, re-stabilized and again destabilized. For microparticles, although the coagulation mechanism was the same as that of nanoparticles, the increased rate of aluminum hydroxide precipitation exceeded the adsorption of incipiently formed soluble alum species, resulting in the disappearance of the re-stabilization zone. Under acidic conditions, Brownian motion dominates for nanoparticles at low particle concentrations, while sweep flocculation is predominant at high particle concentrations. As for microparticles, charge neutralization and sweep flocculation are the mechanisms for low and high particle concentrations respectively.Under alkaline condition, although the mechanisms for both nano-and microparticles are the same, the morphology of flocs and the kinetics of floc formation are different. At low particle concentrations, nanoparticles have larger growth rate and final size of flocs, while at high particle concentrations, nanoparticles have higher fractal dimension and recovery factors.     

Performance of a novel vertical-flow settler: a comparative study

By increasing particle concentration and G value （root-mean-square velocity gradient） to enhance flocculation, a novel vertical-flow settler was designed to increase sedimentation effectiveness, and to simultaneously improve operational stabilization. Due to the gradual decrease in upward flow-rate of raw water, a floes blanket would form and suspend in the middle section of the settler, not at the bottom as in a conventional clarifier. Enough large floes, resulted from flocculation or fltration, would continuously settle out of the floes blanket, and simultaneously, the floes in raw water or those forming above the blanket would ceaselessly enter the floes blanket. As a result, the floes concentration in the blanket could keep a dynamic balance. The hydrodynamic shear in the blanket was improved by flow separation, which was induced by the abrupt change in flow channel. Due to the floes blanket and improved hydrodynamic shear, flocculation would be enhanced, which was helpful for removing fine particles in raw water. A comparative study showed that the novel vertical-flow settler had a much better performance in the removal of the particles in raw water than a conventional one, when they treated kaolin suspensions of different concentrations （500, 100 and 50 mg/L, respectively） coagulated by polyaluminum chloride（PAC1） at the up-flow rates of 1 and 2 mm/s, respectively.     

藻类絮凝体形态学特征及其与气浮的关系研究

采用聚合氯化铝(PAC)作为混凝药剂,利用混凝-气浮技术去除水中铜绿微囊藻(MA),用图像法对絮凝体的分形维数进行测定,分析不同混凝条件下的气浮除藻效果以及PAC-MA絮凝体的形态学特征,并探讨两者的关系.结果表明,在快速混合搅拌强度和时间分别为500 s-1和1 min,回流比为10%条件下,PAC最佳投药量范围为5.6-9.8 mg/L Al2O3,最佳点为8.4 mg/LAl2O3;最佳的絮凝反应搅拌强度范围为50～80 s-1,最佳点为50 8-1;最佳的絮凝时间范围为5～8 min;投药量、絮凝反应搅拌强度及时间对PAC-MA絮凝体形态有着显著影响,在最佳混凝条件下,絮凝体的二维分形维数D2较小,在1.168 8～1.235 7之:间,相对应的絮凝体的平均粒径较大,在300～500 μm之间;在适当的混凝条件下,结构疏松,枝权较多,尺寸较大的PAC-MA絮凝体与气泡粘附效果好,容易气浮去除.     

用粉末活性炭作前助凝剂提高PAC除藻效果的研究

采用烧杯搅拌实验研究了用粉末活性炭作前助凝剂提高聚合氯化铝(PAC)去除铜绿微囊藻的有效性。结果表明,单独使用粉末活性炭作前助凝剂的除藻效果并不好,而先投加20 mg/L高岭土,再将15 mg/L PAC与粉末活性炭同时投加,除浊除藻效果明显提高。考虑首先充分发挥粉末活性炭对有机物的去除能力,在除浊除藻率仍然较高的情况下,采用粉末活性炭先于高岭土2 min投加的方式,粉末活性炭的最佳助凝剂量为10mg/L。采用粉末活性炭、高岭土和FeCl3依次投加的完整助凝技术路线,除浊除藻效率最高。碱性水体比酸性水体有利于联用三种助凝剂除藻。扫描电镜(SEM)观察结果表明,采用助凝技术,藻细胞主要与高岭土无机颗粒发生凝聚,投加粉末活性炭有助于絮凝体体积增长,而在絮凝阶段投加FeCl3可使絮凝体的分维数达到1.947的最高值。联用粉末活性炭、高岭土和FeCl3是非常有效的助凝除藻新技术。