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《武汉理工大学》 2003年
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絮凝过程形态学分析方法的应用

陆谢娟  
【摘要】: 在给水处理中,混凝具有极其重要的作用,絮凝过程的完善程度,直接影响着后续处理如沉淀、过滤等工艺单元的处理效果。关于絮凝的理论基础在国外研究得比较多,但在过去的研究中,人们大都是将水中的胶体颗粒抽象为球形,用已有的胶体化学理论去加以解释,并在理论推导中引入颗粒系数加以修正,这与实际实验所观察到的现象有较大的差别,从理论上说,是很不完善的。随着科学技术的不断发展,尤其是计算机技术的完善与普及,对絮凝过程的研究与应用的要求进一步深入。混凝形态学就是从水中胶体颗粒和所加混凝剂在水中的真实形状和大小,以及由它们形成的絮凝体真实结构出发来研究整个混凝过程的一门较高层次的学科。 分形是一门描述自然界中许多不规则事物的规律性的学科。一般把分形看作大小碎片聚集的状态,是没有特征长度的图形和构造以及现象的总称。也可以说,组成部分以某种方式与整体相似的形体叫分形。分形的两个重要特征是自相似性和标度不变性。分形维数是定量描述分形的基本参量,是标度变换下的不变量。由于絮凝体的成长是一个随机过程,具有非线性的特征,如果不考虑絮凝体破碎的话,常规的絮凝过程是由初始粒子结成小的集团,小的集团又结成大的集团,然后结成更大的集团,这样一步一步成长为粗大絮凝体。这一过程决定了絮凝体在一定范围内具有自相似性和标度不变性,这正是分形的两个重要特征。也就是说,絮凝体的形成具有分形的特点。于是,很多学者以分形理论为基础,来进行絮凝过程形态学的研究。 本文结合分形理论以及学者Witten、Menkin等提出的数种分形絮凝 武汉理工大学硕_卜论文 絮凝过程形态学分析方法的应用 体的动力学生长模型,设计了大量的混凝沉淀静态实验来研究絮凝体的形 态特征,并利用学者J.Gregory提出的根据絮凝体的投影面积和最大长度 的函数关系求解絮凝体分形维数的方法,计算了各种不同混凝条件下产生 的絮凝体的分形维数。同时结合Smoluchowski(斯摩尔鲁冲斯基)提出 的絮凝动力学模型,在以往建立的絮凝体聚合球体(CS)假定基础上, 应用分形理论,提出聚合分形球体(CFs)假定方法,并由此推出了描述 分形絮凝体特性的基本公式,以及分形絮凝体之间的碰撞频率函数计算公 式。 首先单纯以粒径为76娜以下的粘土颗粒配制悬浮液作为原水水样, 通过设计不同混凝剂种类及不同混凝条件下的混凝沉淀实验,来观察实验 过程中形成的絮凝体的形态特征并拍摄其电镜照片,然后根据絮凝体电镜 照片来测算絮凝体的分形维数。实验结果表明,当采用硫酸铝作为混凝剂 时,在不同混凝条件下形成的絮凝体的分形维数值为1.31~2 .38,采用聚 合氯化铝(PAC)作为混凝剂时,在不同混凝条件形成的絮凝体的分形维 数值为1 .34~2 .31,并且,在最佳投药量条件下(当原水浊度为170m叭 时,硫酸铝的最佳投药量为3.0m叭,以C的最佳投药量为2.om叭),无 论是搅拌条件还是沉淀时间的变化,所测得的絮凝体的分形维数值均偏 高,为1.62一2.38。而投药量不足或投药量过多时所形成的絮凝体的分形 维数值均偏低,分别为1.34一1.65和1.31一1.58。这说明在混凝过程的分析 和检测中,可以将絮凝体的分形维数作为一个定性描述絮凝体形态特征的 基本参数,并可将分形维数这个参数引入到混凝理论的分析中来逐步完善 基础理论。 最后,我们还将絮凝体分形技术应用到化学强化方法处理水中有机污 武汉理T大学硕卜论文 絮凝过程形态学分析方法的应用 染物中进行研究。实验中采用受到有机物污染的东湖水作为原水,原水浊 度为19.4m留L,化学需氧量COD为90.8m留L,单独采用PAC作为混凝 剂进行混凝搅拌实验的结果表明,最佳投药量(PAC为5.0m留L)条件下 生成的絮凝体的分形维数为1.81,投药量不足(PAC为1.omg/L)时为1.74, 投药量过多(PAC为7.om叭)时为1 .44。这个实验结果和前面的结论还 比较吻合。当PAC投加量为5.omg/L并采用caCI:为助凝剂时,若先投加 PAC再投加CaCb,混凝效果最好的水样的絮凝体的分形维数为2.43,化 学需氧量去除率94.7%,此时的caCb投加量为1.5m留飞。若先投加CaC12 再投加PAC,混凝效果最好的水样的絮凝体的分形维数为1.48,COD去 除率为93%,此时CaCI:的投加量为1 .Om叭。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TU991.2

【引证文献】
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【参考文献】
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4 蒋展鹏,涂方祥,杨志华;粘土颗粒的形态对胶体稳定性的影响[J];中国给水排水;1993年02期
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【共引文献】
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【同被引文献】
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