絮凝形态学研究及进展

从水体中原始颗粒、絮凝剂和絮体 3个方面综述了絮凝形态学的研究进展 ,尤其是分形理论在絮凝理论与工程中的应用。絮体是具有自相似或自仿射和标度不变的分形结构 ,其分形维数是描述絮凝过程的重要因素。絮体分形结构导致了絮体碰撞的作用半径、有效密度等变化 ,从而对颗粒物分离过程有重要的影响。     

溶气气浮过程动力学模型的分形观

凝聚／絮凝过程中形成的絮体通常具有分形几何结构，导致絮体的密度、渗透性发生了变化，从而对于固液分离过程(沉淀、气浮和过滤)带来很大的影响。本文基于前人对于絮体分形的研究成果，建立了絮体与微气泡之间接触碰撞的动力学方程、絮体／微气泡聚集体在水中上升的分形速率方程。絮体与微气泡间的相对尺度和流态的不同会有不同的碰撞机制，相应的动力学方程式与絮体的分形维数也有不同的关系。     

溶气气浮过程动力学模型的分形观

凝聚/絮凝过程中形成的絮体通常具有分形几何结构,导致絮体的密度、渗透性发生了变化,从而对于固液分离过程(沉淀、气浮和过滤)带来很大的影响。本文基于前人对于絮体分形的研究成果,建立了絮体与微气泡之间接触碰撞的动力学方程、絮体/微气泡聚集体在水中上升的分形速率方程。絮体与微气泡间的相对尺度和流态的不同会有不同的碰撞机制,相应的动力学方程式与絮体的分形维数也有不同的关系。     

微污染矿井水中微絮体的形成及分形特征

利用分形理论阐述了微污染矿井水中微絮体形成的分形生长特征,考察了微絮体形成过程中的影响因素,探讨了微絮凝机理,利用絮体的分形维数表征各影响因素对微絮体形态的作用结果,结果表明,微絮体形态与其分形维数之间具有良好的相关性,且分形维数越大,微絮体更加紧实,越易于沉降,滤后水的浊度越小;同时考察了微量铁锰离子对微絮体形态的影响,为微絮凝深床过滤工艺参数的改进提出了建议.     

絮体破碎再形成行为的计算机模拟

为了深入探讨絮体破碎行为对其分形成长及结构的影响,借助一种简化的絮体破碎模式对絮体破碎/再形成过程进行计算机模拟。通过对比分析破碎前后虚拟絮体的形态特征及其统计特性,得出如下主要结论：（1）絮体发生破碎后,所形成碎片的形态特征直接影响着再形成絮体的形态及恢复程度;（2）絮体外围枝杈结构的破坏,有利于运动粒子进入絮体内部或者均匀地排列在凝聚核周围,改善絮体质心附近颗粒的空间分布,从而有效地提高其致密性和抗剪切破坏能力;（3）在絮体分形成长过程中,存在一个使其由各向同性向各向异性过渡的临界状态,之后发育良好的枝杈对其余枝杈生长的抑制作用增强。此外,在实际操作时还应严格控制絮凝体系的物化条件,不宜使絮体过度破碎,以获得较好的絮凝效果。     

絮团形态的动态演变

实验考察了絮凝过程中广义絮团(包括单体颗粒、线状絮团、面状絮团及体状絮团)的黏性分维数、特征黏度、絮团的黏性组成等随絮凝时间的动态演变。结果表明,在絮凝过程中,单体颗粒的黏性分维数与其拓扑维数一致,其余各类絮团的黏性分维数均小于其对应的拓扑维数,其中线状絮团的分维数基本不受絮凝时间的影响,但面状絮团及体状絮团的分维数随絮凝过程的进行逐渐增大但最终趋于稳定;所有絮团的特征黏度与絮凝时间无关,其中线状、面状及体状絮团的特征黏度依次具有10~3、10~4和10~5的数量级;各类絮团的黏性组成随絮凝过程的进行表现出不同的变化态势。     

水分散型阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的絮凝性能及其机理

通过高岭土烧杯实验表征了P(CMTC-AM-DMC)的絮凝效率,考察了絮凝时间、介质酸度以及搅拌强度等因素对絮凝性能的影响,并借助絮凝-解絮凝-再絮凝过程中絮体的形态变化分析该絮凝剂的絮凝机理。结果表明:p H=6~8时,在150 r/min下搅拌20 min,絮凝效率大于90%;P(CMTC-AM-DMC)的絮凝效率及絮体沉降速度随搅拌强度增大而增大;300 r/min下搅拌5 min时,絮体沉降速度可达16 mm/s,继续增大搅拌速度,达到400 r/min时,絮凝效率在5 min内即可达到100%。P(CMTC-AM-DMC)絮体化程度较高,在高强度搅拌下破碎后,可迅速聚集恢复至初始状态,并迅速下沉,实现再絮凝。该絮凝剂在不同的p H下表现出不同的絮凝机理,p H=6时,借助电性中和、吸附架桥作用,絮凝效率较高,且絮体沉降较快;p H=10~12时,絮体沉降相对较慢,絮凝效率主要为颗粒卷扫的贡献。     

壳聚糖衍生物-镁盐复配去除中性兰模拟废水色度的研究

研究了有机高分子絮凝剂NCTS-M对中性兰染料的絮凝性能。通过测量絮体的Zeta电位以及对絮体进行彩色电视显微扫描初步探讨了该絮凝过程的絮凝机理。结果表明,当投加量为30 mg/L,pH=6时,絮凝效果最明显,脱色率可达93.1%。其絮凝机理主要是压缩双电层以及高分子吸附架桥作用,以压缩双电层为基础。絮凝剂中镁离子在中性条件下对絮凝过程也起到了较强的助凝作用。     

絮凝体分形维数投药控制研究

依据分形理论，通过先进的图像分析处理技术，实现了对絮凝体分形维数的联机在线监测，试验证实分形维数可以很好地反映絮凝程度及其混凝处理效果，通过建立的混凝剂投加量、分形维数及沉后水浊度三者间的模糊控制模型，最终实现了对混凝剂投加量的自动控制与调节。     

pH对混凝超滤组合工艺性能的影响

在聚合氯化铝(PACl)投加量为4 mg/L条件下,通过调节原水的初始p H值,考察p H条件对混凝超滤组合工艺的净水性能及膜污染的影响。结果表明:当p H为7.5时,组合工艺对COD_(Mn)、UV_(254)、DOC的去除率分别为40.2%、35.4%和36.1%;当p H降至4.5时,对应的去除率分别增加至52.9%、52.1%和42.0%。酸性条件下,膜池内絮体的分形维数大,絮体结构密实,膜污染速率较快;当p H等于4.5时,絮体分形维数为1.75±0.15,尺寸大于500μm的絮体数占总絮体数的9%。中性及偏碱性条件下,絮体分形维数小,絮体结构松散多枝,膜污染速率缓慢;当p H等于7.5时,絮体分形维数为1.37±0.05,尺寸大于500μm的絮体占65%。针对该水库的水质状况,控制原水p H为7.5有利于混凝超滤膜组合装置的运行。     

基于絮体生长特性和体系稳定性的海水混凝过程

以三氯化铁和聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDMDAAC)为主要原料,制备PFC-PDMDAAC复合絮凝剂,分析其形貌特征,考察对海水的絮凝效果,并监测絮凝过程中絮体聚集变化、动态沉降及不同温度下絮凝程度的变化规律.结果表明,PFC-PDMDAAC的长链枝权状结构使其具有较好的除浊效果;当投加量从1×10-5mol/L增加到2×10-4 mol/L,体系中絮体平均粒径从5.92 μm增大至53.7 μm,粒径变化速率从65.5133 μm/min增加到5 385.66 μm/min;絮凝指数FI受海水温度的影响很大,温度越低,FI曲线上升越缓慢;与未投絮凝剂、投加PFC相比,投加PFC-PDMDAAC的海水体系具有较大的稳定动力学参数.通过定量分析絮体平均粒径、粒径变化速率、絮凝指数FI及稳定动力学参数等,从絮体特性和体系稳定动力学角度为监测混凝过程提供参考.     

臭氧气浮工艺絮体尺度与界面理化特性调控

针对臭氧气浮工艺对有机物脱色和去除性能的限制,通过阴、阳离子型聚丙烯酰胺(ployacrylamide,PAM)对以腐殖酸为代表的天然有机物絮体的尺度调控,采用气载絮体尺度、二维分形维数及絮体与微气泡间的接触角对PAM浓度梯度下形成的气载絮体进行了表征;研究了阴阳离子型PAM浓度梯度对腐殖酸的降解效果和气载絮体尺度;并探讨了阴阳离子型PAM、絮体与微气泡间的结合机理。结果表明:PAM的投加提高了臭氧气浮工艺中腐殖酸的去除性能,且气载絮体尺寸、分形维数和接触角均有所增大;在不同类型PAM中均存在最佳PAM剂量,在此剂量下,体系内去除效果、气载絮体大小和接触角最大、分形维数最小;在最佳PAM剂量下,与阴离子型PAM相比,阳离子型PAM形成气载絮体的大小和接触角较大,分形维数较小,且去除效果较好。在臭氧气浮体系中,通过改善PAM、絮体与微气泡结合静电作用力的强弱形成了利于气浮的气载絮体尺度,提高了对腐殖酸的去除效果。     

电絮凝过程处理含铬废水的工艺及机理

以六价铬废水为处理对象,采用电絮凝过程研究了槽电压、初始浓度、初始pH值、电极材料等工艺参数对电絮凝过程分离Cr(Ⅵ)离子效率的影响机理。结果表明,采用Fe/Fe电极,对初始浓度为105 mg/L的Cr(Ⅵ)离子废水,最优槽电压为4 V,初始pH值为6,电解60 min,去除率可达到98.84%。Cr(Ⅵ)的去除率随着槽电压的升高而增大,随着初始浓度以及初始pH值的增加而减小。研究发现,初始pH值决定电絮凝过程中Cr(Ⅵ)的主要去除方式,在偏中性范围内Cr(Ⅵ)主要通过絮体吸附作用去除。对不同电极材料的电絮凝过程电解产生的絮体进行了初步分析,结果表明,絮体成分因电极不同而异,不同絮体对重金属离子吸附能力的差异也较大。     

混凝-气浮控制三卤甲烷生成势的研究

研究了混凝一气浮工艺对不同分子量区间三卤甲烷生成势（trihalomethanes formation potential,THMFP）的去除效果及絮体形态对THMFP去除效果的影响。结果表明,混凝一气浮工艺以去除大分子量区间THMFP为主,对小分子量区间THMFP的去除效果较差。UV254值与THMFP值的线性相关系数为0．9449,UV254值可以较好地反映THMFP的含量。絮体的分形维数为1．17～1．2时,孔隙率较大,可增加絮体对THMFP的活性吸附空间,且絮体相对密度较小,可增强同向絮凝作用,增加絮体和THMFP的接触概率,有利于气浮对THMFP的去除。     

混凝一气浮控制三卤甲烷生成势的研究

研究了混凝一气浮工艺对不同分子量区间三卤甲烷生成势（trihalomethanes formation potential,THMFP）的去除效果及絮体形态对THMFP去除效果的影响。结果表明,混凝一气浮工艺以去除大分子量区间THMFP为主,对小分子量区间THMFP的去除效果较差。UV254值与THMFP值的线性相关系数为0．9449,UV254值可以较好地反映THMFP的含量。絮体的分形维数为1．17～1．2时,孔隙率较大,可增加絮体对THMFP的活性吸附空间,且絮体相对密度较小,可增强同向絮凝作用,增加絮体和THMFP的接触概率,有利于气浮对THMFP的去除。     

Ca(Ⅱ)在活性污泥生物絮凝中的作用研究

采用4个平行的序批式反应器(SBR),研究了进水Ca2+浓度对活性污泥絮体表而特性和结构稳定性的影响,并由此来确定Ca2+在生物絮凝中的作用.结果表明:随着进水Ca2+浓度的增加,污泥中的Ca含量逐渐增大.进水中Ca2+的加入,增大了污泥絮体的粒径和密度,进南改善了污泥的沉降性能;Ca2+的加入,使可供结合的蛋白质数量最高增至近1倍,污泥表面疏水性也相应增强;污泥絮凝性能的改善,主要和可供Ca2+结合的蛋白质含量增加有关,而非多糖;EDTA通过络合污泥絮体中的Ca2+,破坏了山Ca2+架桥形成的污泥絮体结构,这说明Ca2+可通过和胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)中的负电官能团架桥来促进污泥絮体的形成并维持絮体结构的稳定性.     

pH对活性污泥表面特性和形态结构的影响

采用4个平行的序批式反应器,研究了不同pH下活性污泥絮体表面特性和形态结构的变化.结果表明:酸性条件下(pH=4.0,5.5)污泥产生的胞外聚合物总量较多,其中多糖和蛋白质的含量远大于中性(pH=7.0)和偏碱性条件(pH=9.0).污泥表面Zeta电位随pH的升岛而降低;pH对污泥相对疏水性的影响规律并不明显,EPS组成比例较EPS总量本身更易影响污泥表面相对疏水性;此外,在酸性条件下,丝状菌大量生长,导致污泥絮体的平均粒径增大,并且呈现双峰粒径分布,絮体分形维数较低,结构松散;在中性条件下,无明显丝状菌牛长,絮体平均粒径减小,分形维数较高,结构致密;偏碱性条件下,虽然没有出现大量丝状菌,但絮体平均粒径较中性条件略有增大,分形维数相应减小.     

共存物质对重金属絮凝剂MCC除镉性能的影响

为进一步拓展天然高分子絮凝剂壳聚糖的应用范围,以壳聚糖、L-半胱氨酸为原料,通过酰胺化反应制备一种具有重金属捕集功能的高分子重金属絮凝剂-2-氨基-3-巯基丙酰壳聚糖(MCC),研究了水体中常见的阴阳离子、有机配位剂及浊度对MCC除镉性能的影响,探讨了絮体形貌与絮体分形维数及絮凝除镉效果间的关系。结果表明,Na+、Cl-、NO-3、F-、SO2-4的存在对MCC除Cd2+均有促进作用,Ca2+表现为明显的抑制作用;低浓度的EDTA对除镉有促进作用,随着EDTA浓度的增大,逐渐转为抑制作用;低浓度的腐殖酸对MCC去除Cd2+有显著的促进作用;在一定范围内,浊度可促进MCC对Cd2+的去除;絮体间空隙越多,絮体分形维数越小,除镉效果越好。     

共存物质对重金属絮凝齐MCC除镉性能的影响

为进一步拓展天然高分子絮凝剂壳聚糖的应用范围,以壳聚糖、L-半胱氨酸为原料,通过酰胺化反应制备一种具有重金属捕集功能的高分子重金属絮凝剂-2-氨基-3-巯基丙酰壳聚糖（MCC）,研究了水体中常见的阴阳离子、有机配位剂及浊度对MCC除镉性能的影响,探讨了絮体形貌与絮体分形维数及絮凝除镉效果间的关系。结果表明,Na＋、Cl-、N03、F-、SO4 2-的存在对MCC除Cd2＋均有促进作用,Ca2＋表现为明显的抑制作用;低浓度的EDTA对除镉有促进作用,随着EDTA浓度的增大,逐渐转为抑制作用;低浓度的腐殖酸对MCC去除Cd2＋有显著的促进作用;在一定范围内,浊度可促进MCC对Cd2＋的去除;絮体间空隙越多,絮体分形维数越小,除镉效果越好。     

絮凝体分形维数投药控制研究

依据分形理论,通过先进的图像分析处理技术,实现了对絮凝体分形维数的联机在线监测,试验证实分形维数可以很好地反映絮凝程度及其混凝处理效果,通过建立的混凝剂投加量、分形维数及沉后水浊度三者间的模糊控制模型,最终实现了对混凝剂投加量的自动控制与调节.