劉 利，湛含輝，王 曉，母玉敏

（1.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，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及水力條件［1］。在混凝過程中，水力條件對絮體的結構、強度及密度等形態(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［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理缺乏足夠的認識，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，結果造成了混凝劑的極大浪費［8］。

本工作結合一般混凝沉降的基本規(guī)律和絮體分形維數(shù)，重點針對高濃度懸浮液的混凝初始階段進行研究，并在此基礎上進行機理分析，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］。混凝過程的物理模型見圖1。隨著分形理論在混凝研究中的應用，人們開始利用分形維數(shù)對一般混凝沉降過程及效果進行定量表征。Tambo等［10］以絮體分形維數(shù)為基礎，對絮體成長過程進行了研究，并提出了分步成長絮凝體模型。湛含輝等［11］在總結國內(nèi)外以分形理論為手段研究絮體的基礎上，結合混合剪切過程，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的圓柱形有機玻璃容器中進行，向1 L煤泥質量濃度為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［12-13］。因此本實驗在混合階段分別采用固定攪拌轉速和漸變攪拌轉速進行實驗，考察不同剪切速率條件對懸浮液處理效果的影響。固定攪拌轉速實驗：以一定的攪拌轉速攪拌30 s；漸變攪拌轉速實驗：分3次逐漸降低攪拌轉速，每一攪拌轉速下攪拌10 s。

混合階段之后的絮凝階段均以90 r/min的攪拌轉速攪拌120 s。反應結束后靜置沉降3 min，取上清液進行分析測定。

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顯微鏡下進行觀測，利用計算機MATLAB軟件對絮體照片進行二值化灰度處理，從而計算絮體的二維分形維數(shù)值［14-17］。

2 結果與討論

2.1 固定攪拌轉速下的混凝實驗

固定攪拌轉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。這是由于剪切強度不夠時，高分子混凝劑在溶液中沒有分散均勻，出現(xiàn)團聚現(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，能夠對溶液中的懸浮顆粒進行有效包裹，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 漸變攪拌轉速下的混凝實驗

漸變攪拌轉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 漸變攪拌轉速下的絮體二維分形維數(shù)及懸浮液濁度

2.3 小結

對比表1和表2數(shù)據(jù)可知，對于高濃度懸浮液來說，在漸變攪拌轉速下進行實驗與固定攪拌轉速相比，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分散，特別對于高分子有機藥劑而言，它的分散程度嚴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)攪拌轉速，使適當?shù)膹娂羟辛χ饾u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行初級包裹，隨后多個初級包裹體對初始顆粒進行二次包裹，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理見圖2。

圖2 高濃度懸浮液混凝沉降過程的包裹機理

在隨后的絮凝階段對溶液施加足夠時間和適當強度的剪切，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。在上述實驗的基礎上，結合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。該模型的提出強調(diào)了在混合階段要在一定時間內(nèi)保證適當?shù)募羟兴俾剩@樣才能形成足夠數(shù)量、且具有適當二維分形維數(shù)值的絮體；隨后的凝聚和絮凝階段，在適當剪切速率、一定時間下絮體對顆粒進行多次包裹，最終形成大而密實的包裹體，達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 結論

a）進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速和漸變攪拌轉速進行實驗，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速，當攪拌轉速為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）采用漸變攪拌轉速的方法，由210 r/min開始逐漸降低攪拌轉速，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。采用漸變攪拌轉速進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。

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