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.     

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.     

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.     

不同涡流场形态下混凝效能研究

采用粒子成像速度场仪(PIV)对Taylor-Couette反应器中纯水力流场及添加不同混凝剂的混凝过程进行观测与研究,同时对比聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)、三氯化铁(Fe Cl3)的混凝效能与化学条件、水力条件之间的相互关系.结果表明,几种絮凝剂的速度场都较接近于纯水力条件下的速度场,且在波状涡流场中混凝效能最好;Fe Cl3在较宽的转速范围内都能有较高的浊度去除率,而PFS在紊动强度稍大的流场中也能获得好的混凝效能.波状涡流场可为絮凝反应提供最佳的水力条件,而初期波状涡波较有利于产生大粒径絮体,可为后期絮凝反应提供更佳的水力条件.     

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.     

改良混凝反应器强化混凝效果的研究

通过设置水平隔板强化水力扩散作用,提高了普通混凝反应器的混凝效果;比较了改良与普通混凝反应器对某污水厂二级生化出水的处理效果:在相同的pH值、速度梯度、混合及絮凝时间、沉降时间以及相同的混凝剂种类及剂量下,改良混凝反应器对CODCr、总磷(TP)及浊度的去处效果都优于传统的混凝反应器;当达到相同的CODCr,TP和浊度的去除率时,聚合氯化铝(PAC)投加量分别可以降低25%～50%,20%～30%,20%左右,因此可以大大降低成本。可见改良后的反应器通过改善水力条件、增强传质作用,强化了原水和混凝药剂的混合作用,改善了混凝处理效果,提高了各污染物的去处率,给污水厂及再生水厂混凝沉淀工艺的改造提供了借鉴。     

腐殖酸混凝过程FI曲线的特征参数分析

在pH=5.0条件下，通过PDA2000对腐殖酸的混凝过程进行了在线监测，并对PDA输出信号——FI曲线进行了解析，分析了FI曲线的特征参数s、、h、t1、t2与投药量及絮凝体大小之间的关系。FI曲线与混凝过程中絮凝体粒径变化曲线具有相同的趋势，其特征参数s和h与絮凝体最大成长粒径几乎成正比关系。FI曲线及其特征参数受混凝剂投药量的影响很大，其变化情况与胶体稳定情况（ζ电位）及混凝效果（TOC去除率）具有良好的相关性。     

混凝过程中铝与聚合铝水解形态的动力学转化及其稳定性

采用Ｆｅｒｒｏｎ逐时络合比色法，并结合电泳测定研究了混凝过程中氯化铝和聚合氯化铝的水解形态动力学转化及稳定性。结果表明，ＡＣ在混凝过程中所形成的水解形态完全不同于ＰＡＣ的预制水解聚合形态，其电荷及分子量均明显低于聚合铝且不稳定，ＡＣ随混凝条件如投加浓度、ＰＨ和混合时间而变，而ＰＡＣ－２５水解聚合形态不随混凝条件变化，始终保持稳定状态，ＡＣ水解沉淀规律与理论计算相符并形成无定形Ａｌ（ＯＨ）３絮体颗粒     

混凝过程中微絮体形貌的AFM液池成像观测与表征

采用扫描探针显微镜液池成像技术,对混凝过程中絮体的微观形貌进行了观测与表征.结果表明,原子力显微镜液池成像技术可以对混凝过程中的微絮体进行形貌表征和数字描述,并证实在实际印染工业尾水的微絮凝过滤试验处理过程中,微絮凝时间为2min,搅拌强度为100s-1时可以达到优化的处理效果.这也说明液池成像技术能够较好的反映混凝过程中微絮体的形貌变化特征,从而实现对环境微观界面过程的原位观测与表征.     

混凝过程中铝盐水解聚合反应平衡的流体动力学控制

为了明确混凝过程中搅拌剪切等动力学因素对铝盐水解聚合反应平衡的影响,采用配制模拟水样作为混凝水系,用Ferron逐时络合比色法对水解产物形态进行表征,并将获取结果与用去离子水组成的纯净水系获取的结果进行对比分析.同时,研究了模拟混凝水系中搅拌剪切条件对铝盐水解反应产物形态分布的影响,考查了铝盐的碱化度和模拟混凝水系的pH值对混凝体系中搅拌剪切条件作用于铝盐水解产物形态分布的影响,并提出了体系搅拌剪切条件影响混凝水系中铝盐水解反应平衡的作用机理.结果表明,混凝过程中的铝盐水解产物形态分布明显受到体系搅拌剪切条件的影响,并且随着混凝水系中铝盐水解程度的增大和转化率的提高,铝盐的水解产物形态分布受到反应体系中搅拌剪切条件的影响加大.     

Taylor-Couette流场数值模拟及絮凝效果研究

通过流体力学中的Fluent软件模拟了Taylor-Couette反应器的速度矢量分布、湍动动能分布和有效能耗分布,同时实验研究了TaylorCouette反应器不同内筒转速下三氯化铁对高岭土悬浊液的絮凝效能.结果表明,内外筒环隙间存在亚微尺度的涡旋,当转速为30～60 r·min-时,涡旋形状闭合完整,相互分离,涡旋内部速度梯度较小,湍动动能k在0.00010 ～0.00023 m2·s-2的范围内,有效能耗ε在0.00057 ～0.00189 m2·s-3的范围内,絮凝效能达到最大(80％以上),湍动动能和有效能耗过大或过小均不利于形成完整闭合的涡旋,絮凝效能较差.     

絮凝动力学的现状与研究方法进展

在絮凝动力学的发展中先后提出了Smoluchowski理论、Camp-Stein理论和微涡旋理论,但迄今尚存在若干不足,特别是还不能全面揭示湍流絮凝的致因,也未能得到符合实际的湍流絮凝速度方程,严重影响了水处理絮凝工艺与设备的设计及放大.近年来,粒子图像速度场仪(PIV)和计算流体力学(CFD)的发展为深入研究絮凝动力学提供了新的手段和方法,有望使湍流絮凝动力学得到进一步发展.     

Chemical and biological flocculation process to treat municipal sewage and analysis of biological function

The pilot-scale experimental apparatus and the procedure of the chemical and biological flocculation process to verify the feasibility in treating Shanghai municipal sewage were introduced in this paper. In addition, the biological function of the process was discussed. The results of optimal running showed that in the reaction tank, the concentration of mixed liquor suspended solid(MLSS) was 2 g/L, hydraulic retention time(HRT) was 35 min, dosage of liquid polyaluminium chloride(PAC) was 60 mg/L, and the concentration of polyacrylamide(PAM) was 0.5 mg/L. The effluent average concentrations of CODcr, TP, SS and BOD5 were 50 mg/L, 0.62 mg/L, 18 mg/L, and 17 mg/L, respectively. These were better than the designed demand. In addition, the existence of biological degradation in this system was proven by several methods. The removal efficiencies of the chemical and biological flocculation process were 20% higher than that of the chemical flocculation process above at the same coagulant dosage. The treatment process under different situations was evaluated on a pilot-scale experiment, and the results provided magnificent parameters and optimal condition for future operation of the plant.     

不同污泥高度下ABR液相流场特性试验研究

在厌氧折流板反应器(ABR)不同进水流量(150~500 L/h)和不同污泥高度(0~45 mm)的组合工况下,利用激光粒子图像测速技术(PIV)研究了ABR第一隔室内部的液相流场特性,获得了反应器关键截面的液相流场数据。结果表明:在污泥高度为0 mm时,ABR降流区径向平均速度随进水流量的增加呈先下降后增加再下降趋势;污泥高度为15 mm时,轴向平均速度随进水流量的增加呈先下降后增长趋势;平均涡量随进水流量的增加呈逐渐增加趋势。升流区径向和轴向平均速度随进水流量呈波动趋势。降流区的返混程度随污泥高度的增加而增大,矢量速度高速区集中在降流区距进水口180~250 mm处。升流区涡核数量随污泥高度增加而增加,矢量速度高速区集中在下部0~20 mm处。     

Particle size distribution and removal by a chemical-biological flocculation process

The particle characterization from the influent and effluent of a chemical-biological flocculation （CBF） process was studied with a laser diffraction device. Water samples from a chemically enhanced primary treatment （CEPT） process and a primary sediment tank process were also analyzed for comparison. The results showed that CBF process was not only effective for both the big size particles and small size particles removal, but also the best particle removal process in the three processes. The results also indicated that CBF process was superior to CEPT process in the heavy metals removal. The high and non-selective removal for heavy metals might be closely related to its strong ability to eliminate small particles. Samples from different locations in CBF reactors showed that small particles were easier to aggregate into big ones and those disrupted flocs could properly flocculate again along CBF reactor because of the biological flocculation.