高濃度懸浮液的混凝實驗及機(jī)理研究

劉 利，湛含輝，王 曉，母玉敏

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

混凝是廢水處理中最常用的處理工藝，混凝效果的好壞主要取決于混凝劑的性質(zhì)及水力條件［1］。在混凝過程中，水力條件對絮體的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及密度等形態(tài)參數(shù)都有重要影響［2］。然而在傳統(tǒng)的混凝實驗中，對水力條件的研究只考慮了GT值（速度梯度與時間的乘積）或固定的剪切速率對混凝沉降效果的影響，而沒有細(xì)化研究漸變剪切速率下的混凝沉降效果［3-4］，對實際混凝工藝的優(yōu)化控制缺乏有效指導(dǎo)［5-7］。同時，在實際的混凝工藝中，由于人們對高濃度懸浮液混凝控制過程及機(jī)理缺乏足夠的認(rèn)識，忽視了水力條件等對高濃度懸浮液混凝沉降效果的重要影響，在混凝過程中添加了大量混凝劑，結(jié)果造成了混凝劑的極大浪費(fèi)［8］。

本工作結(jié)合一般混凝沉降的基本規(guī)律和絮體分形維數(shù)，重點(diǎn)針對高濃度懸浮液的混凝初始階段進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)理分析，提出適于高濃度懸浮液混凝沉降過程的物理模型，對提高高濃度懸浮液混凝處理效果具有很好的指導(dǎo)意義。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

實驗用煤泥取自某選煤廠。將煤泥烘干、碾磨、過篩，混勻后用去離子水充分浸泡，配制成煤泥質(zhì)量濃度為60 g/L的高濃度煤泥懸浮液。

實驗用混凝劑為陰離子型有機(jī)高分子絮凝劑——聚丙烯酰胺（PAM）。

WZS-185型高濁度儀：上海雙旭電子有限公司；XSZ-CTV型顯微攝像系統(tǒng)：北京泰克儀器有限公司。

1.2 實驗原理

混凝過程一般包括混合、凝聚和絮凝3個階段，由于凝聚階段時間間隔極短，也將凝聚和絮凝統(tǒng)稱為絮凝［9］?；炷^程的物理模型見圖1。隨著分形理論在混凝研究中的應(yīng)用，人們開始利用分形維數(shù)對一般混凝沉降過程及效果進(jìn)行定量表征。Tambo等［10］以絮體分形維數(shù)為基礎(chǔ)，對絮體成長過程進(jìn)行了研究，并提出了分步成長絮凝體模型。湛含輝等［11］在總結(jié)國內(nèi)外以分形理論為手段研究絮體的基礎(chǔ)上，結(jié)合混合剪切過程，提出了采用分形維數(shù)評判混凝過程的物理模型。利用絮體分形維數(shù)對混凝沉降過程進(jìn)行研究，打破了傳統(tǒng)混凝研究以絮體沉降速率、廢水濁度等間接數(shù)據(jù)作為參數(shù)的束縛，更直觀地反映了混凝機(jī)理。

圖1 混凝過程的物理模型

1.3 實驗方法

實驗在φ80 mm×250 mm的圓柱形有機(jī)玻璃容器中進(jìn)行，向1 L煤泥質(zhì)量濃度為60 g/L的高濃度懸浮液中以0.8 mg/L的加入量加入PAM。

在混凝過程中，混合階段的水力條件一直是人們研究的熱點(diǎn)［12-13］。因此本實驗在混合階段分別采用固定攪拌轉(zhuǎn)速和漸變攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行實驗，考察不同剪切速率條件對懸浮液處理效果的影響。固定攪拌轉(zhuǎn)速實驗：以一定的攪拌轉(zhuǎn)速攪拌30 s；漸變攪拌轉(zhuǎn)速實驗：分3次逐漸降低攪拌轉(zhuǎn)速，每一攪拌轉(zhuǎn)速下攪拌10 s。

混合階段之后的絮凝階段均以90 r/min的攪拌轉(zhuǎn)速攪拌120 s。反應(yīng)結(jié)束后靜置沉降3 min，取上清液進(jìn)行分析測定。

1.4 分析方法

采用濁度儀測定懸浮液濁度；取底部少量絮體烘干后于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀測，利用計算機(jī)MATLAB軟件對絮體照片進(jìn)行二值化灰度處理，從而計算絮體的二維分形維數(shù)值［14-17］。

2 結(jié)果與討論

2.1 固定攪拌轉(zhuǎn)速下的混凝實驗

固定攪拌轉(zhuǎn)速下的絮體二維分形維數(shù)及懸浮液濁度見表1。由表1可見，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加，絮體分形維數(shù)先增加后減少［18］，處理后懸浮液濁度先降低后升高。這是由于剪切強(qiáng)度不夠時，高分子混凝劑在溶液中沒有分散均勻，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，不能與懸浮顆粒充分接觸，形成具有一定分形維數(shù)絮體的量較少，不能對溶液中的懸浮顆粒進(jìn)行有效包裹，因此，絮體分形維數(shù)值較低，懸浮液濁度較高；當(dāng)剪切速率增大到一定值（210 r/min）時，高分子混凝劑在溶液中由團(tuán)聚狀態(tài)逐漸分散，此時，混凝劑能與溶液中懸浮顆粒充分接觸從而形成足夠數(shù)量且具有一定分形維數(shù)值的絮體，能夠?qū)θ芤褐械膽腋☆w粒進(jìn)行有效包裹，因此，形成的絮體分形維數(shù)值較大，處理后懸浮液濁度較低；繼續(xù)增大剪切速率，會造成藥劑過度分散（分子級別分散），不利于其與懸浮顆粒間的相互凝聚，同時較強(qiáng)的剪切力使已形成的大絮體破碎［19］，造成混凝沉降過程中所得到的絮體較小，出水濁度較高。

表1 固定攪拌轉(zhuǎn)速下的絮體二維分形維數(shù)及懸浮液濁度

2.2 漸變攪拌轉(zhuǎn)速下的混凝實驗

漸變攪拌轉(zhuǎn)速下的絮體二維分形維數(shù)及懸浮液濁度見表2。由表2可見：由210 r/min開始逐漸降低攪拌轉(zhuǎn)速，絮體二維分形維數(shù)最大，為1.920 5；處理后懸浮液濁度最小，為107 NTU。

表2 漸變攪拌轉(zhuǎn)速下的絮體二維分形維數(shù)及懸浮液濁度

2.3 小結(jié)

對比表1和表2數(shù)據(jù)可知，對于高濃度懸浮液來說，在漸變攪拌轉(zhuǎn)速下進(jìn)行實驗與固定攪拌轉(zhuǎn)速相比，所得絮體的二維分形維數(shù)更大，處理后懸浮液濁度更小，混凝沉降效果更好。

在混合階段所投加的混凝劑需要適當(dāng)分散，特別對于高分子有機(jī)藥劑而言，它的分散程度嚴(yán)重影響了其與溶液中懸浮顆粒的凝聚作用，只有通過調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速，使適當(dāng)?shù)膹?qiáng)剪切力逐漸減小至合適值才能使藥劑適度分散，適度分散的藥劑可以與溶液中的懸浮顆粒充分發(fā)生作用，從而使已與藥劑發(fā)生作用的顆粒對其他顆粒進(jìn)行初級包裹，隨后多個初級包裹體對初始顆粒進(jìn)行二次包裹，這樣最終形成大的包裹體。同時，漸小的剪切力易使溶液中形成尺度較小的渦旋，增加微絮體之間的碰撞頻率［20］。高濃度懸浮液混凝沉降過程包裹機(jī)理見圖2。

圖2 高濃度懸浮液混凝沉降過程的包裹機(jī)理

在隨后的絮凝階段對溶液施加足夠時間和適當(dāng)強(qiáng)度的剪切，在保證水力紊動的同時也不會破壞已形成的大絮體［21］。這樣溶液中的微絮體才能對懸浮顆粒進(jìn)行有效的包裹，從而形成更大、更密實的絮體［22］，如此得到的絮體二維分形維數(shù)值較大，處理后上清液濁度較低，混凝沉降效果最佳。在上述實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合Tambo等［10］提出的分步成長絮凝體模型、湛含輝［11］提出的一般混凝過程的物理模型及采用分形維數(shù)評判混凝過程的物理模型，得到了適于高濃度懸浮液混凝沉降過程的物理模型，見圖3。該模型的提出強(qiáng)調(diào)了在混合階段要在一定時間內(nèi)保證適當(dāng)?shù)募羟兴俾剩@樣才能形成足夠數(shù)量、且具有適當(dāng)二維分形維數(shù)值的絮體；隨后的凝聚和絮凝階段，在適當(dāng)剪切速率、一定時間下絮體對顆粒進(jìn)行多次包裹，最終形成大而密實的包裹體，達(dá)到良好的混凝沉降效果。

圖3 高濃度懸浮液混凝沉降過程的物理模型

3 結(jié)論

a）進(jìn)行了高濃度懸浮液的混凝實驗研究。在混合階段分別采用固定攪拌轉(zhuǎn)速和漸變攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行實驗，考察了不同剪切速率條件對懸浮液處理效果的影響。

b）在混合階段采用固定攪拌轉(zhuǎn)速，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為210 r/min時，絮體二維分形維數(shù)最高為1.884 7，懸浮液濁度最低為118 NTU。

c）采用漸變攪拌轉(zhuǎn)速的方法，由210 r/min開始逐漸降低攪拌轉(zhuǎn)速，絮體二維分形維數(shù)最大，為1.920 5；處理后懸浮液濁度最小，為107 NTU。采用漸變攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行高濃度懸浮液混凝實驗，所得絮體的二維分形維數(shù)更高，處理后懸浮液濁度更小，混凝沉降效果更好。

d）基于一般混凝沉降過程的規(guī)律及模型，提出了高濃度懸浮液混凝沉降過程的物理模型。

［1］湛含輝，湛雪輝，李小東.混凝（沉降）反應(yīng)中“流體剪切力與物理化學(xué)”的相互效應(yīng)研究［J］.礦冶工程，2005，25（6）：38-40.

［2］李冬梅，金同軌，王和平，等.水力紊動條件對泥沙絮體分形結(jié)構(gòu)的影響［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2006，17（3）：402-406.

［3］Wang Dongsheng，Wu Ruobing，Jiang Yunzhong.Characterization of fl oc structure and strength：Role of changing shear rates under various coagulation mechanisms［J］.Colloids Surf A，2011，379：36-42.

［4］Chakraborti R K，Gardner K H.Changes in fractal dimension during aggregation［J］.Water Res，2003，37：873-883.

［5］李冬梅，金偉如，王和平，等.高濃度懸濁液絮體分形結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化研究［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2005，18（3）：39-42.

［6］游曉宏，陳曉瓊.混凝技術(shù)及其發(fā)展［J］.工業(yè)水處理，2002，22（11）：7-9.

［7］王東升，劉海龍，晏明全，等.強(qiáng)化混凝與優(yōu)化混凝：必要性、研究進(jìn)展和發(fā)展方向［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，26（4）：544-551.

［8］張明青，劉炯天，何偉，等.煤泥水絮凝處理中絮凝體的分形特征［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2009，22（8）：956-960.

［9］湛含輝.混凝（沉降）反應(yīng)的最新實驗成果與研究方向［J］.選煤技術(shù)，2004（2）：10-11.

［10］Tambo N，Watantabe Y.The f loc density function and aluminium f loc［J］.Water Res，1979，13：409-419.

［11］湛含輝，張曉琪，湛雪輝，等.混凝機(jī)理物理模型中混合剪切階段的研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2005，28（6）：4-6.

［12］陳立豐，李明俊，萬詩貴，等.高濁度原水絮凝過程的動力學(xué)和機(jī)理研究［J］.水處理技術(shù)，1996，22（3）：157-161.

［13］劉百倉，黃爾，魯金鳳，等.混凝工藝水力條件的優(yōu)化與絮體尺寸特性的研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2010，4（9）：1968-1972.

［14］楊書申，邵龍義.MATLAB環(huán)境下圖像分形維數(shù)的計算［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，35（4）：478-482.

［15］梁華杰.分形理論在混凝中的應(yīng)用研究［D］.武漢：武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，2006.

［16］陸謝娟，李孟，唐友堯.絮凝過程中絮體分形及其分形維數(shù)的測定［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報：城市科學(xué)版，2003，20（9）：46-49.

［17］鄢恒珍.分形理論在混凝研究中的應(yīng)用［J］.安全與環(huán)境工程，2009，16（3）：38-40.

［18］趙小川，胡文韜，王懷法. 攪拌對煤泥水絮團(tuán)結(jié)構(gòu)形態(tài)影響的實驗研究［J］.選煤技術(shù)，2008（6）：7-11.

［19］Teresa S，Xavier C.Modelling the aggregation and break-up of fractal aggregates in a shear fl ow［J］.Appl Sci Res，1998，59：255-268.

［20］劉琴.絮凝體沉降性能的試驗研究［D］.武漢：武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，2008.

［21］Zahnow J C，Joeran M，Ulrike F.Parrical-based modeling of aggregation and fragmentation process：Fractal-like aggregates［J］.Phys D，2004，240：882-893.

［22］范瑾初，顧國偉.混凝技術(shù)［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992：57-62.