论文导读:：加入不同量的聚硅铁混凝剂。在水处理中絮体特征可以用来评价混凝效果的优劣。在每个搅拌阶段结束后计算絮体的分形维数。并未实现能耗分配的优化[3-4]。
论文关键词：聚硅铁混凝剂，絮体，分形维数，能耗分配
在水处理中絮体特征可以用来评价混凝效果的优劣，但其生长需要适宜的水力条件，因为水力搅拌强度G值过小则影响絮体的成长速度，过大则可能破碎絮体结构絮体，也会增加不必要能耗，因此适宜的水力条件是获得良好混凝效果的重要因素之一。
然而目前水力条件一般是按照固定的搅拌强度（G值）和搅拌时间（t 值）设计的[1-2]，即把搅拌强度G值分为逐渐递减的三段，每段的反应时间（t 值）相等，并未实现能耗分配的优化[3-4]。同时由于受絮体结构特性的限制，而无法对絮体的生长情况做进一步研究，进而无法验证水力条件的合理性[5]。
本实验利用粉煤灰的提取液与铁盐聚合[6]成一种新型混凝剂——聚硅铁混凝剂，在处理含铅的工业废水中取得良好的处理效果，为了确定这种新型混凝剂在实际运用中最佳的水力条件，将絮凝阶段分配成搅拌条件不等的三种情况，并结合分形理论[7]在混凝阶段中的应用[8-10]，在每个搅拌阶段结束后计算絮体的分形维数，通过分形维数的大小对絮体的生长情况作出分析，为实现混凝工艺运行条件的合理控制提供理论依据论文网站。
1 实验
1.1 实验材料
试验采用模拟含铅工业废水，其浊度为320NTU，色度900，COD80mg/L，Pb2+20mg/L。
混凝剂是利用粉煤灰提取液与铁盐聚合而成的聚硅铁混凝剂，其密度为1.55kg/m3。
1.2 实验仪器
实验仪器包括：（1）JJ-4A同步六联电动搅拌器；（2）原子吸收分光光度计（北京普析）；（3）JEM-2010型透射电子显微镜（4）电子计算机及烧杯、量筒、大口胶头滴管等若干。
1.3 实验水力参数
烧杯实验的搅拌功率P的计算公式[11]：
 （1）
速度梯度 （2）
本试验中，各个参数的值为：CD = 0. 4 絮体，水样密度ρ= 1.005×103kg/ m3 ，JJ-4A同步六联电动搅拌器高度为b = 3.5cm ，宽度为d = 5.5cm ，水样体积V = 1 L = 10 - 3 m3，把相关数据代入（1）式和（2）式得：G = 0. 0677 ×n1. 5 。根据计算不同转速对应的G值见表1。
表1 G值与转速的对应关系
Table 1 therelation between G value and rotation speed
|
n
/（r·min-1）
|
G
/s-1
|
|
40
|
17.1
|
|
50
|
23.9
|
|
60
|
31.5
|
|
70
|
39.6
|
|
80
|
48.4
|
|
90
|
57.8
|
|
100
|
67.7
|
|
110
|
78.1
|
|
120
|
88.9
|
|
300
|
351.8
|
1.4 分形维数的测定方法
搅拌结束后用大口胶头滴管取少量絮体于盖玻片，待絮体干燥后，用JEM-2010型透射电子显微镜拍得絮体图像（×125），用ImageJ软件处理并测得絮体的投影面积和周长，根据絮凝体的投影面积与周长的函数关系[12]A = αPDf，取两者对数的线性关系，测得分形维数，如图1所示。
 
图1 絮体的图片及分形维数
Fig.1 the fractal structure photos andfractal dimension
2 混凝能耗分配的实验研究
2.1 最佳投加量的确定
将配置的含铅废水装入体积为1L的烧杯中，加入不同量的聚硅铁混凝剂，然后启动JJ-4A同步六联搅拌仪，快速混合G0 = 351.8 s –1，t0 =1min；慢速搅拌G1 = 48.4 s – 1，t1 = 15 min，静沉20min后，取上清液用原子吸收分光光度计测定铅离子含量，得出铅离子去除率。同时取得絮体絮体，测出分形维数，实验结果如表2.
表2 不同投加量下絮体的分形维数与去除率
Table 2 the fractal dimension and removal in different dosages
|
投加量 /g.L-1
|
去除率/%
|
分形维数
|
|
3.10
|
96.36
|
1.64472
|
|
5.42
|
96.48
|
1.67674
|
|
7.75
|
96.21
|
1.63219
|
|
10.07
|
95.86
|
1.60132
|
|
12.40
|
94.32
|
1.51277
|
|
15.50
|
94.28
|
1.5065
|
由表2得出，在投药量为5.42 g.L-1时，絮体分形维数出现最大值1.67674，铅离子去除率最高96.48%，此时慢速搅拌能耗Gt值是43560。
2.2 能耗分配的实验
2.2.1 实验方法
为了对絮凝阶段进行能耗分配，得出最佳的水力条件，实验方案为快速混合不变： G0 =351.8 s – 1，t0 =1min；慢速搅拌絮凝的时间（15 min）分为不同的三段时间组合，组合1： t1 =4 min，t2 = 5min，t3 =6min；组合2：t1 = 5 min，t2 = 5 min，t3 = 5 min；组合3：t1 = 3 min，t2 = 5min ，t3 = 7min，搅拌G值分别在65～90 s-1、35～65 s-1、10～35 s -1 取值，并作出能耗分配实验因素水平表表3论文网站。投加量按照铅离子最佳去除率时投加5.42 g.L-1。
表3 以聚硅铁混凝剂的能耗分配实验因素水平表
Table 3 the factors and levels ofthe energy consumption distribution
|
水
平
|
因素
|
|
G1/s-1
|
G2/s-1
|
G3/s-1
|
絮凝时间组合
|
|
1
|
67.7
|
48.4
|
23.9
|
组合1
|
|
2
|
88.9
|
57.8
|
17.1
|
组合2
|
|
3
|
78.1
|
39.6
|
31.5
|
组合3
|
对表3的不同的搅拌梯度与搅拌时间进行随机搭配，按正交试验法进行试验设计，查正交试验表絮体，采用 实验表，如表4所示。
表4 正交试验表
Table 4 the tableof orthogonal experiment
|
实 验
次
序
|
因素
|
|
G1/s-1
|
G2/s-1
|
G3/s-1
|
絮凝时间组合
|
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
2
|
1
|
2
|
2
|
2
|
|
3
|
1
|
3
|
3
|
3
|
|
4
|
2
|
1
|
2
|
3
|
|
5
|
2
|
2
|
3
|
1
|
|
6
|
2
|
3
|
1
|
2
|
|
7
|
3
|
1
|
3
|
2
|
|
8
|
3
|
2
|
1
|
3
|
|
9
|
3
|
3
|
2
|
1
|
对水平按照随机性原则进行排列后，按照正交表进行搅拌试验，结束搅拌沉淀20min后测含铅量，确定去除率。同时，在各阶段搅拌结束后，取得絮凝体图像以获得分形维数。
2.2.2 结果与讨论
实验结果见表5。
表5 正交试验表及测定结果
|
实验
次序
|
因素
|
|
G1/s-1
Df
|
G2/s-1
Df
|
G3/s-1
Df
|
絮凝时间
组合
|
铅离子去除率
|
|
1
|
1.47633
|
1.64945
|
1.80236
|
1
|
0.9752
|
|
2
|
1.55718
|
1.62064
|
1.73343
|
2
|
0.9707
|
|
3
|
1.51225
|
1.65325
|
1.72709
|
3
|
0.9691
|
|
4
|
1.49282
|
1.61586
|
1.72252
|
3
|
0.9682
|
|
5
|
1.45296
|
1.60243
|
1.71834
|
1
|
0.968
|
|
6
|
1.53758
|
1.57446
|
1.66775
|
2
|
0.9653
|
|
7
|
1.53865
|
1.64998
|
1.69541
|
2
|
0.9674
|
|
8
|
1.48179
|
1.66331
|
1.80641
|
3
|
0.9755
|
|
9
|
1.43625
|
1.59715
|
1.69864
|
1
|
0.9679
|
|
K1
|
2.915
|
2.9108
|
2.916
|
2.9111
|
|
|
K2
|
2.9015
|
2.9142
|
2.9068
|
2.9034
|
|
|
K3
|
2.9108
|
2.9023
|
2.9045
|
2.9128
|
|
|
R
|
0.0045
|
0.0040
|
0.0038
|
0.0031
|
|
|
注： Ki 为各个因素i 水平测定指标总和； R 为极差,极差的大小反映因素对指标的影响程度，极差越大，因素越重要。
|
| |
|
|
|
|
|
|
The results of orthogonal experiment
table5由表5知：（1）搅拌速度G值是影响处理效果的主要因素，且G1> G2> G3；（2）在第一阶段最佳絮凝反应组合是（G1=67.7s-1，t=3min），此时絮体适宜的分形维数为1.48左右，而不是（G1=67.7s-1，t=5min）条件下得到的更大的分形维数1.55718，由此可知在第一阶段不易搅拌时间过长，因为虽然时间过长可以获得分形维数更大的絮体，但不适宜第二阶段的生长，分析认为此时絮体的生长主要是通过压缩双电子层形成的，颗粒之间的引力不足以抵抗搅拌剪切力，较大的颗粒很容易在水力搅拌梯度G值发生变化时被打碎絮体，而不利于下一阶段的生长；（3）在第二阶段最佳絮凝反应组合是（G2=57.8 s-1，t=5min），絮体适宜的分形维数为1.66左右，分析认为絮体主要是通过铁盐的水解物产生的静电吸附，中和电荷而形成的，此时颗粒内部之间的斥力较弱，且絮体结构较密实不易被破碎；（4）在第三阶段最佳絮凝反应组合（G3=23.9s-1，t=7min），此时絮体适宜的分形维数为1.80左右，由此可知在第三阶段水力搅拌时间要足够长，增加絮体颗粒之间的碰撞几率，从而形成密实而易沉降的絮体颗粒，此时铅离子去除率达到97.55%；（5）根据每段的最佳反应组合，作能耗分配曲线图2。
图2 能耗分配曲线
Fig 2 the curveof energy consumptiondistribution
由能耗分配曲线可以得出，G的取值要适当且变化比较平稳，从而保证絮体生长。此时能耗分配的Gt值是39564论文网站。
3 结论
（1）通过对分形维数的测定，能耗分配的每个阶段必须有适宜的分形维数：第一阶段为1.48左右，第二阶段为1.66左右，第三阶段絮体为1.80左右，这样才有助于絮体的生长絮体，从而达到最佳的混凝效果。同时由絮体的增长速度看，絮体在前中期增长最快，且絮体结构主要是通过混凝剂的静电吸附，中和电荷形成的。
（2）另外可以根据絮体分形维数的大小可有效控制搅拌速度的大小，从而既满足絮体生长又防止絮体被破碎，有助于在搅拌过程中形成粒径合适、结构紧密絮凝体，提高后续处理效果。
（3）实验过程中将絮凝阶段分成三档工况运行，得到了良好的混凝效果。从去除率看，将絮凝阶段进行能耗分配后铅离子去除率有所提高；从能耗看，在能耗的最优分配中Gt=39564，要比没分配（Gt=43560）少3996，从而降低水厂的运行成本；从对分形维数的监测看，不仅可以知道絮体的生长情况，而且对混凝工艺运行条件的控制、絮凝池的设计以及絮凝剂优选等都有实际指导意义。
参考文献：
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