利用分形维数对混凝中能耗分配优化的分析-絮体

利用分形维数对混凝中能耗分配优化的分析絮体

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=1L=10-3m3，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1G值与转速的对应关系Table1therelationbetweenGvalueandrotationspeed

n/（r·min-1）G/s-14017.15023.96031.57039.68048.49057.810067.711078.112088.9300351.81.4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.1thefractalstructurephotosandfractaldimension2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=351.8s–1，t0=1min；慢速搅拌G1=48.4s–1，t1=15min，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Table2thefractaldimensionandremovalindifferentdosages

投加量/g.L-1去除率/%分形维数3.1096.361.644725.4296.481.676747.7596.211.6321910.0795.861.6013212.4094.321.5127715.5094.281.5065由表2得出，在投药量为5.42g.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=351.8s–1，t0=1min；慢速搅拌絮凝的时间（15min）分为不同的三段时间组合，组合1：t1=4min，t2=5min，t3=6min；组合2：t1=5min，t2=5min，t3=5min；组合3：t1=3min，t2=5min，t3=7min，搅拌G值分别在65～90s-1、35～65s-1、10～35s-1取值，并作出能耗分配实验因素水平表表3站。投加量按照铅离子最佳去除率时投加5.42g.L-1。表3以聚硅铁混凝剂的能耗分配实验因素水平表Table3thefactorsandlevelsoftheenergyconsumptiondistribution

水平因素G1/s-1G2/s-1G3/s-1絮凝时间组合167.748.423.9组合1288.957.817.1组合2378.139.631.5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Table4thetableoforthogonalexperiment

实验次序因素G1/s-1G2/s-1G3/s-1絮凝时间组合111112122231333421235223162312731328321393321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-1DfG2/s-1DfG3/s-1Df絮凝时间组合铅离子去除率11.476331.649451.8023610.975221.557181.620641.7334320.970731.512251.653251.7270930.969141.492821.615861.7225230.968251.452961.602431.7183410.96861.537581.574461.6677520.965371.538651.649981.6954120.967481.481791.663311.8064130.975591.436251.597151.6986410.9679K12.9152.91082.9162.9111

K22.90152.91422.90682.9034

K32.91082.90232.90452.9128

R0.00450.00400.00380.0031

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。

Theresultsoforthogonalexperiment

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=57.8s-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Fig2thecurveofenergyconsumptiondistribution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。

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