利用分形維數(shù)對(duì)混凝中能耗分配優(yōu)化的分析-絮體

利用分形維數(shù)對(duì)混凝中能耗分配優(yōu)化的分析絮體

論文導(dǎo)讀:：加入不同量的聚硅鐵混凝劑。在水處理中絮體特征可以用來(lái)評(píng)價(jià)混凝效果的優(yōu)劣。在每個(gè)攪拌階段結(jié)束后計(jì)算絮體的分形維數(shù)。并未實(shí)現(xiàn)能耗分配的優(yōu)化[3-4]。

論文關(guān)鍵詞：聚硅鐵混凝劑，絮體，分形維數(shù)，能耗分配

在水處理中絮體特征可以用來(lái)評(píng)價(jià)混凝效果的優(yōu)劣，但其生長(zhǎng)需要適宜的水力條件，因?yàn)樗嚢鑿?qiáng)度G值過(guò)小則影響絮體的成長(zhǎng)速度，過(guò)大則可能破碎絮體結(jié)構(gòu)絮體，也會(huì)增加不必要能耗，因此適宜的水力條件是獲得良好混凝效果的重要因素之一。然而目前水力條件一般是按照固定的攪拌強(qiáng)度（G值）和攪拌時(shí)間（t值）設(shè)計(jì)的[1-2]，即把攪拌強(qiáng)度G值分為逐漸遞減的三段，每段的反應(yīng)時(shí)間（t值）相等，并未實(shí)現(xiàn)能耗分配的優(yōu)化[3-4]。同時(shí)由于受絮體結(jié)構(gòu)特性的限制，而無(wú)法對(duì)絮體的生長(zhǎng)情況做進(jìn)一步研究，進(jìn)而無(wú)法驗(yàn)證水力條件的合理性[5]。本實(shí)驗(yàn)利用粉煤灰的提取液與鐵鹽聚合[6]成一種新型混凝劑——聚硅鐵混凝劑，在處理含鉛的工業(yè)廢水中取得良好的處理效果，為了確定這種新型混凝劑在實(shí)際運(yùn)用中最佳的水力條件，將絮凝階段分配成攪拌條件不等的三種情況，并結(jié)合分形理論[7]在混凝階段中的應(yīng)用[8-10]，在每個(gè)攪拌階段結(jié)束后計(jì)算絮體的分形維數(shù)，通過(guò)分形維數(shù)的大小對(duì)絮體的生長(zhǎng)情況作出分析，為實(shí)現(xiàn)混凝工藝運(yùn)行條件的合理控制提供理論依據(jù)站。1實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)材料試驗(yàn)采用模擬含鉛工業(yè)廢水，其濁度為320NTU，色度900，COD80mg/L，Pb2+20mg/L?；炷齽┦抢梅勖夯姨崛∫号c鐵鹽聚合而成的聚硅鐵混凝劑，其密度為1.55kg/m3。1.2實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器包括：（1）JJ-4A同步六聯(lián)電動(dòng)攪拌器；（2）原子吸收分光光度計(jì)（北京普析）；（3）JEM-2010型透射電子顯微鏡（4）電子計(jì)算機(jī)及燒杯、量筒、大口膠頭滴管等若干。1.3實(shí)驗(yàn)水力參數(shù)燒杯實(shí)驗(yàn)的攪拌功率P的計(jì)算公式[11]：（1）速度梯度（2）本試驗(yàn)中，各個(gè)參數(shù)的值為：CD=0.4絮體，水樣密度ρ=1.005×103kg/m3，JJ-4A同步六聯(lián)電動(dòng)攪拌器高度為b=3.5cm，寬度為d=5.5cm，水樣體積V=1L=10-3m3，把相關(guān)數(shù)據(jù)代入（1）式和（2）式得：G=0.0677×n1.5。根據(jù)計(jì)算不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的G值見(jiàn)表1。表1G值與轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table1therelationbetweenGvalueandrotationspeed

n/（r·min-1）G/s-14017.15023.96031.57039.68048.49057.810067.711078.112088.9300351.81.4分形維數(shù)的測(cè)定方法攪拌結(jié)束后用大口膠頭滴管取少量絮體于蓋玻片，待絮體干燥后，用JEM-2010型透射電子顯微鏡拍得絮體圖像（×125），用ImageJ軟件處理并測(cè)得絮體的投影面積和周長(zhǎng)，根據(jù)絮凝體的投影面積與周長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系[12]A=αPDf，取兩者對(duì)數(shù)的線性關(guān)系，測(cè)得分形維數(shù)，如圖1所示。圖1絮體的圖片及分形維數(shù)Fig.1thefractalstructurephotosandfractaldimension2混凝能耗分配的實(shí)驗(yàn)研究2.1最佳投加量的確定將配置的含鉛廢水裝入體積為1L的燒杯中，加入不同量的聚硅鐵混凝劑，然后啟動(dòng)JJ-4A同步六聯(lián)攪拌儀，快速混合G0=351.8s–1，t0=1min；慢速攪拌G1=48.4s–1，t1=15min，靜沉20min后，取上清液用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定鉛離子含量，得出鉛離子去除率。同時(shí)取得絮體絮體，測(cè)出分形維數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2.表2不同投加量下絮體的分形維數(shù)與去除率Table2thefractaldimensionandremovalindifferentdosages

投加量/g.L-1去除率/%分形維數(shù)3.1096.361.644725.4296.481.676747.7596.211.6321910.0795.861.6013212.4094.321.5127715.5094.281.5065由表2得出，在投藥量為5.42g.L-1時(shí)，絮體分形維數(shù)出現(xiàn)最大值1.67674，鉛離子去除率最高96.48%，此時(shí)慢速攪拌能耗Gt值是43560。2.2能耗分配的實(shí)驗(yàn)2.2.1實(shí)驗(yàn)方法為了對(duì)絮凝階段進(jìn)行能耗分配，得出最佳的水力條件，實(shí)驗(yàn)方案為快速混合不變：G0=351.8s–1，t0=1min；慢速攪拌絮凝的時(shí)間（15min）分為不同的三段時(shí)間組合，組合1：t1=4min，t2=5min，t3=6min；組合2：t1=5min，t2=5min，t3=5min；組合3：t1=3min，t2=5min，t3=7min，攪拌G值分別在65～90s-1、35～65s-1、10～35s-1取值，并作出能耗分配實(shí)驗(yàn)因素水平表表3站。投加量按照鉛離子最佳去除率時(shí)投加5.42g.L-1。表3以聚硅鐵混凝劑的能耗分配實(shí)驗(yàn)因素水平表Table3thefactorsandlevelsoftheenergyconsumptiondistribution

水平因素G1/s-1G2/s-1G3/s-1絮凝時(shí)間組合167.748.423.9組合1288.957.817.1組合2378.139.631.5組合3對(duì)表3的不同的攪拌梯度與攪拌時(shí)間進(jìn)行隨機(jī)搭配，按正交試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，查正交試驗(yàn)表絮體，采用實(shí)驗(yàn)表，如表4所示。表4正交試驗(yàn)表Table4thetableoforthogonalexperiment

實(shí)驗(yàn)次序因素G1/s-1G2/s-1G3/s-1絮凝時(shí)間組合111112122231333421235223162312731328321393321對(duì)水平按照隨機(jī)性原則進(jìn)行排列后，按照正交表進(jìn)行攪拌試驗(yàn)，結(jié)束攪拌沉淀20min后測(cè)含鉛量，確定去除率。同時(shí)，在各階段攪拌結(jié)束后，取得絮凝體圖像以獲得分形維數(shù)。2.2.2結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。表5正交試驗(yàn)表及測(cè)定結(jié)果

實(shí)驗(yàn)次序因素G1/s-1DfG2/s-1DfG3/s-1Df絮凝時(shí)間組合鉛離子去除率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為各個(gè)因素i水平測(cè)定指標(biāo)總和；R為極差,極差的大小反映因素對(duì)指標(biāo)的影響程度，極差越大，因素越重要。

Theresultsoforthogonalexperiment

table5由表5知：（1）攪拌速度G值是影響處理效果的主要因素，且G1>G2>G3；（2）在第一階段最佳絮凝反應(yīng)組合是（G1=67.7s-1，t=3min），此時(shí)絮體適宜的分形維數(shù)為1.48左右，而不是（G1=67.7s-1，t=5min）條件下得到的更大的分形維數(shù)1.55718，由此可知在第一階段不易攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因?yàn)殡m然時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可以獲得分形維數(shù)更大的絮體，但不適宜第二階段的生長(zhǎng)，分析認(rèn)為此時(shí)絮體的生長(zhǎng)主要是通過(guò)壓縮雙電子層形成的，顆粒之間的引力不足以抵抗攪拌剪切力，較大的顆粒很容易在水力攪拌梯度G值發(fā)生變化時(shí)被打碎絮體，而不利于下一階段的生長(zhǎng)；（3）在第二階段最佳絮凝反應(yīng)組合是（G2=57.8s-1，t=5min），絮體適宜的分形維數(shù)為1.66左右，分析認(rèn)為絮體主要是通過(guò)鐵鹽的水解物產(chǎn)生的靜電吸附，中和電荷而形成的，此時(shí)顆粒內(nèi)部之間的斥力較弱，且絮體結(jié)構(gòu)較密實(shí)不易被破碎；（4）在第三階段最佳絮凝反應(yīng)組合（G3=23.9s-1，t=7min），此時(shí)絮體適宜的分形維數(shù)為1.80左右，由此可知在第三階段水力攪拌時(shí)間要足夠長(zhǎng)，增加絮體顆粒之間的碰撞幾率，從而形成密實(shí)而易沉降的絮體顆粒，此時(shí)鉛離子去除率達(dá)到97.55%；（5）根據(jù)每段的最佳反應(yīng)組合，作能耗分配曲線圖2。圖2能耗分配曲線Fig2thecurveofenergyconsumptiondistribution由能耗分配曲線可以得出，G的取值要適當(dāng)且變化比較平穩(wěn)，從而保證絮體生長(zhǎng)。此時(shí)能耗分配的Gt值是39564站。3結(jié)論（1）通過(guò)對(duì)分形維數(shù)的測(cè)定，能耗分配的每個(gè)階段必須有適宜的分形維數(shù)：第一階段為1.48左右，第二階段為1.66左右，第三階段絮體為1.80左右，這樣才有助于絮體的生長(zhǎng)絮體，從而達(dá)到最佳的混凝效果。同時(shí)由絮體的增長(zhǎng)速度看，絮體在前中期增長(zhǎng)最快，且絮體結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)混凝劑的靜電吸附，中和電荷形成的。（2）另外可以根據(jù)絮體分形維數(shù)的大小可有效控制攪拌速度的大小，從而既滿足絮體生長(zhǎng)又防止絮體被破碎，有助于在攪拌過(guò)程中形成粒徑合適、結(jié)構(gòu)緊密絮凝體，提高后續(xù)處理效果。（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將絮凝階段分成三檔工況運(yùn)行，得到了良好的混凝效果。從去除率看，將絮凝階段進(jìn)行能耗分配后鉛離子去除率有所提高；從能耗看，在能耗的最優(yōu)分配中Gt=39564，要比沒(méi)分配（Gt=43560）少3996，從而降低水廠的運(yùn)行成本；從對(duì)分形維數(shù)的監(jiān)測(cè)看，不僅可以知道絮體的生長(zhǎng)情況，而且對(duì)混凝工藝運(yùn)行條件的控制、絮凝池的設(shè)計(jì)以及絮凝劑優(yōu)選等都有實(shí)際指導(dǎo)意義。

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