基于颗粒形态变化的变速沉淀过程稳定性控制机制研究

摘要

絮凝-沉淀是去除水中颗粒和胶体的重要过程，是给水处理的主要工艺。絮凝-沉淀过程中，水中胶体和小颗粒聚集后形成粒径较大、密实度较好、且易于沉降的絮体，并由沉淀过程实现固液分离的过程。水中絮体的分布和形态变化，以及控制机制是絮凝-沉淀领域的研究热点。然而，已有研究多采用非连续流验，不能有效的反映实际生产过程中的絮体所处的环境的物化及水力特征，使得研究成果不能直接指导生产。同时，传统的絮凝-沉淀过程对微颗粒（2~10μm）的去除效能较差，使后续过滤工艺的负荷增大。因此，本研究采用连续流絮凝-沉淀反应器模拟实际水处理工艺的絮凝-沉淀过程，在研究连续流体系中絮体形态变化特征的基础上，提出了变速沉淀工艺，以控制沉淀出水的微颗粒数量。本研究对明确实际水处理工艺中絮体变化历程，以及提升絮凝-沉淀工艺效能具有重要的意义。本文对稳定运行阶段絮凝-沉淀过程中可检测的微颗粒（2~10μm）的粒度分布及其随时间变化规律进行研究。研究结果表明，微颗粒数量随着絮凝过程的进行而逐渐减少，其中>5μm的微颗粒数量逐渐增加，<5μm的微颗粒数量逐渐减少。多组试验结果证明，沉后水中粒度<5μm的微颗粒数量与过滤工艺处理效果相关性较好，且敏感，可做为絮凝-沉淀工艺效能的诊断指标。同时，絮凝出水和沉淀出水中微颗粒数量分布数值的波动与过滤单元运行效能也具有较好的相关性。通过分析规律数据得到微颗粒数量的变异系数（CV）与稳定系数（K稳定）可共同做为连续流反应器运行稳定性的控制参数。
　　本研究主要内容包括：⑴以絮凝-沉淀过程中粒度<5μm的微颗粒数量调控为目标，根据斜板沉淀内颗粒的絮凝沉淀现象，提出以悬浮层截留为基础的变速沉淀理论。以高岭土-腐殖酸混合液为原水，以聚合氯化铝（PAC）为絮凝剂，利用絮体原位识别技术监测连续流絮凝-变速沉淀工艺中絮体的粒径分布和形态变化。通过分析絮凝过程中絮体的平均粒径、分形维数、絮体粒径分布，以及偏心度等特征参数，研究絮凝过程中絮体的形态变化对变速沉淀的影响。试验结果表明，变速沉淀对微颗粒去除的效果好于斜板沉淀。絮凝过程中，增加絮凝剂投量可以使促进悬浮层的形成，提高对微颗粒的截留效果。5mg/LPAC投加量条件下，沉后水中<5μm的微颗粒数量从斜板沉淀的2175个/mL下降至变速沉淀的480个/mL，出水稳定系数K稳定从斜板沉淀的3.789降低至变速沉淀的2.641。提高原水的颗粒物浓度会使絮凝末期的絮体平均粒径减小，几何分形维数降低，导致絮体密实度变差，但可提升变速沉淀悬浮层截留效果。另外，絮凝出水的絮体形态对悬浮层的形成影响较为明显。当进入悬浮单元的颗粒物理尺寸相近时，悬浮层形成效果较差；当絮体颗粒的物理尺寸相差较大时，悬浮层形成效果较好。⑵通过对不同絮凝条件下悬浮层形成过程的研究表明絮凝出水的絮体不同形态对悬浮层的形成影响较为明显。当进入悬浮单元的颗粒物理尺寸相近时，悬浮层形成效果较差；当絮体颗粒的物理尺寸相差较大时，悬浮层形成效果较好。在悬浮层的底层为粒径较大或分形维数较大的絮体，随着悬浮层高度的提升，悬浮层内颗粒粒径逐渐减小或分形维数逐渐减小。⑶研究了絮凝过程中絮体破碎-重组过程对絮体形态和结构变化的影响。试验结果表明，絮体结构与搅拌强度具有较好的相关性。在低搅拌强度下，以絮体破损为主，重组效果较差；高搅拌强度下，以絮体破裂为主，重组效果与破裂程度有关。絮凝过程中破碎和重组是控制絮体结构的主要因素，重组絮体的密实度会影响沉淀效果。适当的破碎-重组过程可以提高微颗粒的去除效能。沉后水中的微颗粒由无破碎的1351个/mL降低至破碎-重组（剪切力为69 s-1）后的971个/mL。⑷提出水力“破碎-重组”的絮体调控技术，在各絮凝单元间增加不同孔径的隔板，调节絮凝单元之间的过水流速，通过强化絮体的“破碎-重组”优化絮体的形态和结构，提升变速沉淀的效能。实验结果表明，适当的水力调控手段可有效调控絮体结构，改变重组后的絮体有效密度和沉降性能。使用 P1-P1隔板组合可以使变速沉淀对微颗粒的去除较斜板沉淀提升50%，浊度由3.3NTU降低至2.69NTU。通过监测絮凝过程,建立水力强化絮体“破碎-重组”过程中絮体结构变化的动态模型，并以此模型为基础，对提升悬浮层效能的机制进行分析。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 絮凝工艺的研究方法与现状

1.3 沉淀工艺的研究与发展

1.4 本文的主要研究内容

第2章 研究方法与设备

2.1 试验材料

2.2 试验装置与过程

2.3 絮体检测装置及方法

2.4 试验分析指标及计算方法

第3章 基于颗粒分布的连续流反应器运行效能分析

3.1引言

3.2连续流絮凝沉淀过程的颗粒分布分析

3.3 连续流絮凝沉淀反应器运行稳定性分析

3.4 基于颗粒分布的絮凝-沉淀过程的关键控制指标

3.5 本章小结

第4章 絮凝-变速沉淀过程颗粒形态控制研究

4.1 引言

4.2 变速沉淀过程的特征及特点分析

4.3 絮凝过程的阶段划分及特征

4.4 絮凝过程中絮凝条件对絮体的调控机制

4.5 变速沉淀对微颗粒的控制

4.6 变速沉淀的运行机制分析

4.7 本章小结

第5章 絮体“破碎-重组”提升悬浮层效能的机制研究

5.1 引言

5.2 絮体“破碎-重组”过程对絮体形态的影响

5.3 水力强化“破碎-重组”对变速沉淀过程的影响

5.4 絮体破碎-重组对变速沉淀悬浮层强化作用机制研究

5.5本章小结

结论

本文的主要创新点为：

本研究的展望与设想：

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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