强化絮凝工艺中絮凝体特征参数分析与研究

瑶 强化絮凝工艺申絮凝体特征参数分析与研究 常 颖‘ 张金松 王宝贞‘ 汪义强“ 黄晓东“ 赫俊国‘ 哈尔滨工业大学市政环境工程学院 , 哈尔滨 巧 深圳市水务 集团 有限公司 , 深圳 摘要 通过对混凝反应过程 中絮凝体特征参数 , 即粒径分布 、 平均杜径 、 分形维数 的分析 , 进行 强化絮凝 网格与普通 网格絮凝型式的比较 , 从而 对絮凝过程 中强化絮凝 网格 的微涡旋及动 力学控制 指标对絮凝体形 成的影响给 出定量描述 , 并以此为基础优化絮凝 网 格技术 , 改善混凝处理效 果 , 实现 的沉后水浊度控制 目标 。 类键词 强化絮凝 粒径分布 分形维数 絮凝体 在国家 项 目 — “ 南方地 区安全饮用水保 障技 术 ” 中提 出 示 范 工 程 出 厂 水 浊 度 低 于 , 保证率大于 的水质 目标 。 在分解 目标的 浊度控制研究中 , 为实现出厂水 的水质目 标 , 混 凝一沉淀工 艺需 保证 沉后 水 浊度不 大于 , 因此需要保证 良好的混凝处理效果 。 混凝反应过程中形成的絮凝体质量直接影响着 混凝处理效果 〔’一 了, 为此 , 本文主要从优化絮凝形式 的角度出发 , 提出有针对性的絮凝强化控制工艺 , 通 过改善水流条件来创造最佳的絮凝体成长环境 , 以 实现 良好的混凝处理效果和相应的浊度控制指标 。 试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 试验在南方某水厂进行 , 水厂设计规模为 万 , 采用预氧化一混凝 机械混合一普通 网格絮 凝 一斜管沉淀一砂滤一消毒工 艺 。 该水厂处理 低 浊 、高藻 、微污染水库水时 , 混凝处理效果不佳 , 致使 沉淀池斜管表面极易聚集大量絮凝体 , 增加 了排泥 次数及运行管理难度 , 同时滋生大量红虫 , 引起水质 异嗅异味等 。 为此 , 本试验研究在普通 网格的基础 上 , 改变絮凝网格的设计及运行控制指标 , 采用强化 絮凝网格技术来优化现有絮凝型式 。 强化絮凝网格技术是从微涡旋理论风 」出发 , 通过调整普通网格的孔眼尺寸 , 控制过网准则数 即弗劳德数 , 护 从 , 提供絮凝体颗粒合理 有效碰撞的水力条件 。 当网眼尺度越小时 , 水流过 网的扰动强度降低越多 , 过网后絮凝体成长越快 , 形 成的颗粒越大越松散 、越容易破碎 当网眼尺度越大 时 , 水流过 网的扰动越强 , 形成的颗粒越小 、越密实 。 为了能形成密实而且粗大的絮凝体颗粒 , 在絮凝各 阶段控制不同的网孔尺寸和絮凝速度 , 即过 网准则 数 , 形成沉降性能好的絮凝体颗粒 。 试验研究运 用现代结构表征技术对强化絮凝网格和普通网格的 絮凝体特征结构给 出定量描述 , 通过对其各特征参 数的分析与比较 , 从根本上反映试验工艺形成的微 涡旋对絮凝体形成的影响 并最终通过实际运行效 果对两种型式的絮凝程度给出定性说明 。 · 试验条件 试验原水为水库水 。 试验期间原水水质较为稳 定 , 平均 浊度 , 高锰酸盐 指数 一 , , 藻类 万个 以上 , 一 一 , 一 。 试验期间原水浊度 的变化曲线见图 。 八目,鸟︼目 二尾赵影关遥 时间 国家高技术研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 资助项 目 。 图 试验期间原水浊度变化 原水采用预臭氧处理 , 臭氧投加量 混凝剂为聚氯化铝 。 该水厂机械混合池 、 网格絮凝池和斜管沉淀池 为合建式 , 絮凝池共 组 格 , 每格设计水量 给水排水 一 的自 〔”仙‘ 丁 , 欣 山洲呀 〔网加 解惊 。 试验研究分别选 在 “ 和 絮凝池进行 , 其 中 “ 絮凝池装填强化絮凝 网格 , 拼 絮凝池装填普 通 网格 。 混合 、 絮凝时间分别为 , ’ 共 个竖 井 , 每个竖 井的反 应时 间约 为 氏 絮凝池内竖井按水流方 向排列编号 , 其形式及对应 的絮凝时间分别见图 和表 。 ’’ ‘‘ ’’ ’’ ‘‘ ⋯ ‘‘ ’’ ’’ ’’ ⋯ ’’ ‘‘ ‘‘ ’’ ’’ ’’ ‘‘ ’’ ’’ , ’’ ’’ ’’ ’’ ‘‘ ⋯ 混混合池池 ‘‘ ’’ ’’ 混合池池 ”絮凝池 甘絮凝池 图 ”和 杯 絮凝池竖井排列形式 表 不同竖井对应的絮凝时间 在确定 最佳强化 絮凝工 艺的网格 布设 方案 后 , 通过 生 产性试验 确 定混凝 剂 的最佳 投 加 量 为 时 , 可使试验工艺 的沉后 水 浊度低 。 为此 , 在可实现浊度控制 目标的前提下 , 主 要针对 时的强化絮凝网格 和普通 网格的絮凝体特征结构进行 比较和分析 。 絮凝体粒径变化分析 从图 和 图 的变化 曲线可以看 出 , 沿 絮凝池 的各竖井 , 随着絮凝时间的进行 , 粒径分布曲线逐渐 向右推进 , 在较高的分布范 围内絮凝体 出现的频率 逐渐增 多 , 致使沿着各竖井形成的絮凝体逐渐增大 , 小粒径絮凝体的比例逐渐减少 。 竖竖井编号号 絮絮凝时间 , 詹 试验设 备布设说明 絮凝池以速度梯度理论设 计 , 竖井 内网格布 设前 密后疏 , 过 网流速分 , 和 皿可 三级 , 对应的网格尺 寸分别 为 又 竖井 一 , 只 竖井 一 , 第三 级未布设网格 竖井 一 。 过渡段无整流措施 。 ”絮凝池是基十微涡旋理论 , 通过对过 网准则 数 二 的控制设计的 。 反应段速度分两级 , 第一级 竖井 一 过 网流速 为 , 过 网准 则 数 控制在 一 , 侧重于絮凝体的碰撞 , 第二 级 竖井 一 过 渡段 的过 网流速 为 , 控制在 一 , 侧重 于絮凝体的成长 。 强化絮 凝网格的尺 寸均为 犯 、 , 通过对网格布 设层数及间距的调整控制水流速度 。 “ 和 “ 絮凝 池内的网格均 采用不锈钢材质 , 焊接固定 。 图像分析系统 试验过程中 , 利用人工从絮凝池中取样 , 通过摄 影仪进 行絮凝体的观察和 图像采集 , 并通过 将图形信息传入计算机 , 采 用 分析软 件进行图像解析 。 整个取样过程需缓慢操作 , 以 防 絮凝体破碎 。 上述图像分析系统可实现对检测颗粒 物的几何参数 、 光密度参数 、形态学参数及孔洞等参 数的分析 , 并可对检测数据作进一步的统计分析 。 试验结果 一一 —一 一 一 一 一 一 一 — ,、 组斗军 之 名 卞立辛会 图 “ 絮凝池各竖井内絮凝体粒径分布 — 一 一 一 一 一 一 一 一 、 阮 三 气‘,、,‘ 岁峪军 卜 石 名 丰众径 图 ”絮凝池各竖井内絮凝体粒径分 布 此外还进行 了普通网格和强化絮凝网格絮凝池 末端最终形成的絮凝体颗粒的粒径分布对比 。 从表 可以看出 , 絮凝池末端 , 絮凝体颗粒主要分布在 的粒径范 围内 , 其数量 占整 个颗粒数量 的 一 。 通过进一步的比较发现 , 对于这部分 较小的粒径分布范围 , 强化絮凝网格 内 形成的絮凝体出现频率要 比普通 网格的低 , 从而说明强化絮凝网格絮凝最终形成的絮凝体粒径 的整体水平较高 , 进行了较完全的絮凝 , 必将获得更 给水排水 一 一 自圈几 曰阴定 甘田 曰旧 四 比 解恒 表 和 絮凝池末端竖井 粒径分布对比 分布范围 絮凝池 絮凝池 “高出 百分比 【 , 【 , 【 , , 【 , 【 , 〔 , 「 , 【 【 , 一 一 气乙心孟‘胜‘盆 彩拱决佘 好的混凝处理效果 。 而对于较大的粒径分布范围 , 强化絮凝网格表现出更多的出现频率 , 从而 比普通 网格絮凝形成了更多较大的絮凝体颗粒 。 通过试验发现 , 在限定水流速度的情况下 , 通过 在絮凝池中进一步强化絮凝网格尺寸 , 增设多层强 化絮凝网格可以增加水流中微涡旋的比例和强度 , 从而大幅度地提高颗粒碰撞次数 同时微涡旋的离 心惯性效应也将大大加速亚微观传质 , 从而有利于 混凝剂的进一步扩散 , 提高大颗粒絮凝物的比例 , 有 效地提高絮凝程度 , 改善絮凝效果 。 在上述分析的基础上 , 还进行 了普通 网格和强 化絮凝网格各竖井 内絮凝体平均粒径的变化分析 。 从图 可以看出 , 絮凝初期 , 强化絮凝网格提供的湍 流剪切力较大 , 形成的絮凝体平均粒径较小 , 竖井 内 , 普通网格内絮凝体的平均粒径高出强化絮凝网 格 以上 但随着絮凝的进行 , 强化絮凝网格的 絮凝体逐渐增大 , 并大于普通网格内的絮凝体 , 絮凝 末端竖井 内 , 强化絮凝网格内的絮凝体平均粒径 高出普通网格 以上 , 获得了较大的平衡粒径 。 过加密强化网格层数 , 强化了初级絮凝条件 , 为絮 凝体颗粒提供了更多的碰撞机会 , 较大的混合强度 使絮凝体快速成长 絮凝后期 , 水流趋于平缓 , 絮凝 体颗粒进一步长大 , 从而保证了后续沉淀条件的要 求 。 絮凝体分形维数变化分析 为进一步描述强化絮凝网格所创造的水流条件 对絮凝体特征结构的影响 , 应用分形理论分析絮凝 体的结构状态 。 一般在宏观上分形可看作是大小碎片聚集的状 态 , 是没有特征长度的图形 、构造和现象的总称 。 分 形的重要特征在于 自相似性和标度不变性 。 通过对 絮凝体的分形构造分析 , 可以用一个非整数维数来 给这些看起来形状复杂而又不规则的颗粒物构建一 种数学框架 , 从而做出定量的描述 。 试验过程中 , 利用图像分析系统测定絮凝体的 投影面积 , 周长 尸 , 按公式 ,计算絮凝 体的二维分形数 。 一般来说 , 絮凝体的分形维 数值越大 , 絮凝体就越密实〔“一“ 。 从图 可以看出 , 絮凝初期 , 强化絮凝网格的湍 流剪切力与惯性力较大 , 致使絮凝体的密实度较高 , 分形维数较大 随着絮凝的进行 , 絮凝颗粒物的逐渐 凝聚与添加 , 其粒径在逐渐增大的同时 , 密实度也逐 渐降低 , 分形维数减小 , 结构趋向于松散 。 竖井编号 图 和 林絮凝池各竖井内絮凝体分形维数 从图 还可看 出 , 普通 网格 内絮凝体密实度的 变化不是很平稳 , 分形维数波动较大 , 从而反映出其 网格布设不合理 , 未能很好地控制水流条件 , 致使絮 凝体在整个絮凝过程中未能获得 良好的成长环境 , 说明存在着能量上的不合理分配与浪费 。 依据 公式 , 絮凝过程中颗粒物的密度与 粒径大小成反 比关系 , 即随着颗粒物尺寸的逐渐增 大 , 其密度逐渐减少 。 图 和图 就可以很好地表 ,‘,卫月八曰︸八 日日、全翼霸阵 竖井编号 图 价和 林絮凝池各竖井内絮凝体平均粒径 结果表明 , 强化絮凝网格布设过程中着重对流 态的动力学控制 , 改善了絮凝过程 。 絮凝初期 , 通 给水排水 一 瑶惊 示出这种变化规律 。 对于强化絮凝 网格絮凝形式 , 其末端的平衡粒径高出普通 网格 以上 , 如果依 据密度 一粒径变化公式 , 其末端絮凝体的分形维数应 是较低的 , 而实际上其末端絮凝体的分形维数却与 普通 网格基本一致 , 相差不多 , 进 一步说明采用强化 絮凝网格絮凝 可获得较密实的絮凝体颗粒 。 不同的絮凝池型 , 对应的水流条件各不相同 , 形 成的絮凝体也各不相同 。 通过运用现代结构表征技 术 , 可以对絮凝过程 中絮凝体的特征结构给出定量 描述 , 从而可以更加直观地反 映出水流变化 以 及各 阶段絮凝动力学控制指标对絮凝体形成的影响 , 以 提出合理的控制与描述体系 。 对于混凝处理效果的 分析 , 应是建立在絮凝体各特征参数 , 粒径分布 、 平均 粒径 、 分形维数等综合考虑的基础上 , 权衡各特征参 数的控制水平 , 以形成沉降性能良好的絮凝体颗粒 。 浊度变化分析 鉴 于 士述分析可以得出 , 强化絮凝网格可获得 较大及较密实的絮凝体颗粒 , 为反映其混凝 处理效 果 , 还进行 ’普通网格和强化絮凝 网格各竖井 内 川 静沉浊度的测定 。 从 图 可 以看 出 , 随着絮凝 的进行 , 絮凝程度的加深 , 静沉浊度逐渐降低 。 一 与普 通 网格相 比 , 絮凝初期 , 强化絮凝网格并未获得较低 的静沉浊度 后期 , 随着絮凝体的逐渐成长 , 颗粒的 逐渐变大 与密实 , 获得 较低的静沉浊度 。 絮凝末 端竖井 内 , 强化絮凝网格的静沉浊度低于普通 网 格近 , 同样相 应 的斜 管 沉 淀池 出水 低 于 丁 , 实现 丁 的水质 目标 。 池的平均水头损失为 , 而普通 网格 絮凝池 的 平均 水 头 损 失 为 , 强 化工 艺 可 节 约 能 耗 , 从而证明强化絮凝网格技术在同等絮凝能 耗下 , 挖潜能力更大 , 能量利用率 更高 试验结果表明 , 采用强 化絮凝网格技术处理南 方低浊 、 高 藻 、 微污染 水库 水 具 有较 好 的适 应性 , 比水厂原生产应 用的普通 网格絮凝具 有 明显 的优 势 。 结论 本试验研 究采用先进的图像分析处理技术 , 对 普通 网格和强 化絮凝 网格从微观 角度 定量描述 絮 凝体形态和结 构 , 并 从 宏观 角度 以 实际 运 行处理 效果定性 说 明絮凝程 度 , 从 而 反 映 出采 用强 化絮 凝网格 的技 术 优 势 。 试 验研 究发 现 , 采 用强 化 絮 凝网格可获得尺度大 、 密实度高的絮凝体 , 并 且在 较小的粒径分布 区 间 , 强 化 絮凝 网格 内形 成的 絮 凝体 出现 的频率 比普通 网格上 艺 低 , 从 而 获得 了较完全 的絮凝 参考文 献 一﹁到习︸乍口﹃︸通 怪月 一 编 弓 图 “ 和 “ 絮凝池各竖井静沉浊度 其他指标 生产性试验期间还进 行 了其他水质指标的检 测 , 对混凝沉淀处理效果进行了比较 。 强化工艺在 高锰酸盐指数及藻类去除率上分别高出普通网格工 艺约 一 和 同时 , 其水头损失低 , 能量利 用率高 , 在设 计负荷条件下运行 , 强化絮凝网格絮凝 赫俊国 , 宋学峰 , 金 昌锦 , 等 微涡旋混凝低脉动沉淀技术处理 低温低浊水 中国给水排水 , , 一 王鹤立 , 肖树宏 , 赫俊国 等 常规混凝沉淀给水处理 〔艺的强 化 给水排水 , , 一 王琳 , 王宝 贞 , 王绍文 , 等 用革新技术改 善水处理 运 行性 能 环境科学 , , 一 王绍文 惯性 效 应 在 絮凝 中的 动 力 学 作 用 中国 给 水排 水 , , 一 孙哲 , 杨基先 , 赵耀 关 于网格混凝反应机理的 几点认 识 哈 尔 滨建筑大学学报 , , 一 金同轨 , 张建锋 , 高湘 , 等 黄河泥沙的混凝形态和 絮体构造模 型间题 中国十木工程学会水 工 业分会第四 届理 事会第 次 会 议 论文集 宁波 一 肯尼思 · 法 尔科内著 分形 几何一 数学基础 及 其应 用 曾 义曲 , 刘世耀 , 戴连贵 , 等译 沈阳 东北大学 出版宇, 味 , 二 , 。。 , 奋 〔 。、。、卜〔、、 , , 一 通讯处 哈尔滨 五业 大学 二 校区 信箱 一 , , 收稿 日期 一 一 修回 日期 一 一 给水排水 一