絮凝条件对絮体分形结构的影响

在85kg/m³的含沙高浊水中投加阳离子高分子聚合物,借助图像分析技术与沉降技术分析探讨了不同絮凝条件下泥沙絮凝形态学参数:絮体粒径、絮体有效质量密度、絮体自由沉速、浑液面沉速与上清液余浊等的变化规律.利用表征参数“分维”定量控制不同絮凝条件(如搅拌速率、搅拌时间、高分子浓度等)对含沙高浊水絮体结构分形特性的影响.实验证明,不合适的絮凝条件将导致絮体分形构造疏松脆弱,分维值低.絮凝条件合适时(快速絮凝强度为:r₁=300r/min,t₁=10s;慢速絮凝强度:r₂=120r/min,t₂=180s;CP浓度:0.1%),絮体分形结构处于最佳状态.该状态下的絮体具有粒径较大、沉速快、有效质量密度高、粒度分布均匀,分维值最高(D₃=2.16)的特点.而且,由静沉实验测得浑液面沉速高,上清液余浊也低.泥沙絮体分形结构达最佳时的混凝性能、沉降性能与结构密实性均较理想.     

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     

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.     

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.     

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.     

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.     

聚合氯化铝-腐殖酸(PACl-HA)絮体的物理与分形特征研究

采用低温急速冷冻-真空干燥技术制备了PACl-HA絮体的粉末样品,研究了这些样品的物理与分形特征.结果表明,PACl-HA絮体具有无定形结构,主要组成元素为C、O、Al,所含特征官能团保留了絮体组成原料的一些特征;絮体的BET比表面积为130～161 m²·g^-1,BJH累积吸附孔体积为0.38～0.52 cm³·g^-1,BJH脱附平均孔径为7.7～9.6nm,PSD峰值对应孔径8.4～11.2nm.PACl-HA絮体具有自相似性的粗糙表面,呈现多尺度分形特征;图象法和N₂吸附/脱附等温线法确定的表面分形维数Ds分别为2.03～2.26、2.24～2.37,前者的分形尺度大约处于23～390nm之间,主要属于絮体外表面尺度,而后者的分形特征尺度区间的下限大约为0.2nm,属于孔表面尺度;另外,对同一絮体,N₂吸附法和脱附法确定的孔表面分形维数不同.热力学模型计算出的D_s远大于3,与Sahouli等的研究不符.     

模拟扰动条件下太湖水体悬浮物的结构特性

设计了1个水体扰动模拟实验装置, 通过该装置中的光散射分析仪和图象采集、分析系统,能在线记录底泥受到不同强度扰动时水体中悬浮颗粒物的变化过程.利用该装置,研究了太湖梅梁湾3个采样点的底泥在受到不同强度扰动后,水体浊度变化规律和悬浮颗粒物结构特性.结果表明,底泥含水率及粒度分布对底泥受扰动后再悬浮的潜力有较大影响,含水率越高,再悬浮的潜力越大.随着扰动强度增大,水体的浊度相应增加,水体中悬浮颗粒物中值粒径也增大,分别从6.63, 5.79, 5.51 μm上升到12.49, 11.38, 13.33 μm.悬浮颗粒物图象分析表明,颗粒物在扰动中发生聚集、絮凝过程.颗粒物图象的形态学分析表明,悬浮颗粒物形状呈现分形现象,颗粒物的长短比在1.27～1.52之间,分形维数D₂则在1.72～1.94之间.     

絮凝体形态学和密度的探讨——Ⅰ.从絮凝体分形构造谈起

常规混凝操作条件下形成的随机型絮凝体具有分形的特征，其分形维数Ｄｆ和絮凝体密度函数ｐｅ∝ｄｐ－Ｋｐ的指数Ｋｐ之间具有Ｄｆ＝３－Ｋｐ的关系。通过建立分布成长絮凝体模型，讨论了在絮凝过程中逐次导入颗粒间的空隙率对絮凝体密度和的影响。模型参数的分析结果进上步证明了分布成长的絮凝体是一个典型的分形，其分形，其分形维数取决于颗粒间空隙比ε和颗粒结合个数ｍ，降低ε或提高ｍ均有利于提高Ｄｆ，使絮凝体由松散同致密     

聚合氯化铝中Alb形态去除腐殖酸的效果及机制研究

Al_b形态［Al₁₂AlO₄(OH)₂₄⁷⁺］是聚合氯化铝（polyaluminium chloride, PAC）水解-聚合作用中形成的一种粒度小、所带正电荷多、聚集程度高及分子量大的多核羟基配合物.本试验采用乙醇-丙酮混合沉淀法分离PAC溶液中各种铝形态,提纯出Al_b形态（Al_b絮凝剂）.研究投加量、pH及无机离子对Al_b絮凝剂处理腐殖酸模拟水样絮凝效果的影响,并利用光散射颗粒分析仪（PDA2000）测定Al_b絮凝剂对腐殖酸絮凝过程中絮体的形成与增长过程的动态变化,结合絮体的Zeta电位,对Al_b絮凝剂的絮凝机制进行了初步探讨.结果表明,当投加量为4.3～6.3 mg/L、pH值为3.0～6.0时,Al_b絮凝剂处理腐殖酸模拟水样达到最佳絮凝效果;NH⁺₄、SiO^2-₃、H₂PO^-₄的存在明显抑制其絮凝性能.絮凝动力学过程和絮体Zeta电位表明,Al_b絮凝剂在水处理中主要是通过电中和作用和吸附网捕卷扫作用共同起絮凝作用的.     

Fractal analysis of polyferric chloride-humic acid (PFC-HA) flocs in di erent topological spaces

The fractal dimensions in di erent topological spaces of polyferric chloride-humic acid (PFC-HA) flocs, formed in flocculating di erent kinds of humic acids (HA) water at di erent initial pH (9.0, 7.0, 5.0) and PFC dosages, were calculated by e ective densitymaximum diameter, image analysis, and N2 absorption-desorption methods, respectively. The mass fractal dimensions (Df) of PFC-HA flocs were calculated by bi-logarithm relation of e ective density with maximum diameter and Logan empirical equation. The Df value was more than 2.0 at initial pH of 7.0, which was 11% and 13% higher than those at pH 9.0 and 5.0, respecively, indicating the most compact flocs formed in flocculated HA water at initial pH of 7.0. The image analysis for those flocs indicates that after flocculating the HA water at initial pH greater than 7.0 with PFC flocculant, the fractal dimensions of D2 (logA vs. logdL) and D3 (logVsphere vs. logdL) of PFC-HA flocs decreased with the increase of PFC dosages, and PFC-HA flocs showed a gradually looser structure. At the optimum dosage of PFC, the D2 (logA vs. logdL) values of the flocs show 14%–43% di erence with their corresponding Df, and they even had di erent tendency with the change of initial pH values. However, the D2 values of the flocs formed at three di erent initial pH in HA solution had a same tendency with the corresponding Df. Based on fractal Frenkel-Halsey-Hill (FHH) adsorption and desorption equations, the pore surface fractal dimensions (Ds) for dried powders of PFC-HA flocs formed in HA water with initial pH 9.0 and 7.0 were all close to 2.9421, and the Ds values of flocs formed at initial pH 5.0 were less than 2.3746. It indicated that the pore surface fractal dimensions of PFC-HA flocs dried powder mainly show the irregularity from the mesopore-size distribution and marcopore-size distribution.     

聚合氯化铁-腐殖酸(PFC-HA)絮体的不同拓扑空间下分形维数的研究

通过对PFC混凝去除水中HA过程中所形成的PFC-HA絮体的研究结果表明,原水pH分另4为9.0、7.0和5.0时,最佳投药量下形成的絮体的平均沉降速度之间的比值为1.17:1.00:0.49,而且所有絮体的水平投影方向的平均直径与垂直投影方向的平均直径的比值均接近0.85.结合Logan公式和有效密度-长轴的双对数关系计算出的絮体三维空间的分形维数Df较为可靠,在本试验中3种pH的原水下形成的PFC-HA絮体的Df均小于2.0.絮体沉降速度的变化是质量分形维数Df、有效密度和粒径等因素的变化综合影响结果,因此,絮体的Df、有效密度各自的变化趋势有可能与沉降速度的不一致.原水pH=7.0时絮体的Df稍大于原水pH=9.0时絮体的Df,但比原水pH=5.0时絮体的Df大11.73%.可见,与原水pH=9.0时形成的絮体相比,原水pH=7.0时形成了稍微密实的小絮体,但原水pH=5.0时却形成了较为疏松的、很小的絮体.在本试验的图像分辨率下,PFC-HA絮体在一维拓扑空间下的分形维数D1比较低,一般都低于1.10.基于投影面积-长轴关系计算的二维拓扑空间的分形维数D2变化趋势为样品3稍大于样品2,样品1最小;然而基于投影面积一周长计算的二维拓扑空间的分形维数D2却呈现不同的变化趋势.另外,尽管PFC-HA絮体的Df小于2,但其与基于投影面积-长轴关系计算的二维拓扑空间的分形维数D2不相等,不符合Meakin的结论,这与本试验中CCD相机的分辨率和絮体样本数量有关.     

微絮凝对腐殖酸超滤过程膜污染的减缓特性

以硫酸铝[Al_2(SO_4)_3·18H_2O]为絮凝剂,腐殖酸(humic acid,HA)和高岭土(Kaolin)水溶液为原水,研究微絮凝过程产生的不同絮体形态,对自制聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜过滤过程的影响.主要考察了微絮凝过程中絮体的特性(粒径大小及分布,分形维数)以及不同条件下形成的絮体形态对膜通量的影响,利用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对污染膜的表面形貌进行表征,并测定了PVDF膜与有机污染物之间黏附力大小,来解析不同絮体形态对超滤膜的膜污染影响机制.结果表明,Al~(3+)以电性中和作用水解去除有机物,随着絮凝剂投加量的增加,絮体粒径不断增大,絮体的分形维数减小.膜通量衰减速率与絮体的粒径呈负相关,絮体粒径越大,膜通量衰减速率越小,超滤过程中形成的滤饼层越疏松,同时,较小分形维数的絮体引起的膜污染较轻,其膜通量恢复率也较高.PVDF-有机污染物之间的相互作用力大小与运行初期相应污染膜通量衰减速率呈正相关.当Al~(3+)投加量为5 mg·L~(-1),初始pH=7时,HA去除率为96.7%,膜通量衰减最小,通量恢复率达到88%.     

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.     

活性污泥的理化性质与絮凝调理投药量的关系

采用烧杯试验研究了活性污泥理化性质与絮凝调理投药量的关系,分析了活性污泥离心上清液黏度及其中胶体的Zeta电位和表面电荷密度、污泥絮体的粒度、分形维数和强度等理化性质指标随调理絮凝剂(CPAM,CZ-8698)投药量的变化规律,探讨了这些指标在确定絮凝调理最佳投药量方面的差异.结果表明,CZ-8698的投药量对污泥的脱水性能和理化性质均可产生明显的影响,基于毛细吸水时间(CST)、污泥比阻(SRF)确定的活性污泥絮凝调理的最佳投药量范围为4.28～7.13g.kg-1,对应的CST与SRF值分别为(12.62±1.39)s、0.56×1012m.kg-1.在此最佳投药量区间,污泥离心上清液中胶体的Zeta电位与表面电荷密度均由负值变为正值,污泥絮体的分形维数分别为1.09(一维)和1.51(二维),其表面不规则程度最低、结构较为密实;污泥絮体的粒径随着絮凝剂投药量的增加持续增大到mm尺度,但其强度在投药量高于4.60 g.kg-1以后逐渐趋于稳定.此外,当絮凝剂投药量低于上述最佳范围时,污泥离心上清液的黏度已经达到了最小值(1.24±0.04)mPa.s.     

纯氧曝气活性污泥培养过程中絮体结构变化

采用纯氧曝气序批式反应器(SBR)直接培养、驯化培养活性污泥,运用显微技术分析絮体当量直径(Deq)、规则度(Rd)、孔隙率(Po)和单位悬浮固体内总细丝长度(Ftl)在培养不同时期的变化规律,采用Pearson相关性分析法分析絮体结构参数的相关性.结果表明:污泥直接培养过程中絮体Deq不断增大,驯化培养初期絮体Deq减小,中后期不断增大,驯化培养污泥絮体颗粒较大;污泥直接培养过程中絮体Rd不断减小,驯化污泥絮体Rd变化不大,在0.400~0.520内波动,两种方式培养的絮体规则度值相当;直接培养初期、中期絮体Po随絮体粒径增大而增大,驯化污泥絮体Po初期、后期呈减小趋势,中期呈增大趋势,直接培养法的絮体Po较小;污泥直接培养中、后期出现大量丝状菌,但很快又减少,污泥驯化整个过程中系统内均无大量丝状菌出现.污泥直接培养初期絮体Deq与Po显著正相关,Rd与Deq、Po显著负相关;中期丝状菌作用较大,Ftl与Po、Rd都显著负相关.污泥驯化初期,絮体Deq与Rd、Po均显著正相关,驯化后期Rd起较大作用,与其他参数均显著相关.     

活性污泥表面性质对絮凝沉降性能与出水悬浮物的影响

为了研究污水处理厂活性污泥表面性质对絮凝性能(flocculation ability,FA)和出水悬浮物(effluent suspend solid,ESS)的影响,测定了北京市7个不同污水处理厂活性污泥的表面性质,包括污泥容积指数(sludge volume index,SVI)和胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)中的蛋白质/多糖(protein/carbohydrate,P/C)比例、Zeta电位以及二维分形维数(twodimensional fractal dimension,D2f),并且通过相关性分析和拟合,探讨了这几个参数与活性污泥的FA和ESS的关系.结果表明,SVI与活性污泥的FA和ESS并不存在明显的相关关系,但FA和ESS存在明显的负线性相关关系(R_2=0.787);当EPS中的P/C从1.28增加到25.34时,FA可从0.19增加到0.73,ESS从14.89 mg·L~(-1)降低到6.08 mg·L~(-1),蛋白质中的氨基带有正电荷能够中和絮体表面的负电荷,其在EPS中所占的比例越大,有利于降低表面Zeta电位的绝对值和形成更稳定的絮体结构,进而提高絮凝能力.而且,Zeta电位与活性污泥的FA和ESS分别存在负线性相关(R_2=0.883)和正线性相关(R_2=0.902),当Zeta电位的绝对值每减小1 m V,FA提高0.059,ESS减少0.934 mg·L~(-1).此外,活性污泥的D2f与FA基本上呈现指数关系(R_2=0.935,P0.01),当D2f从1.10增加到1.45,FA提高了4.3倍,而同时D2f与ESS具有较好的负线性相关(R_2=0.868).