分形理論在磁絮凝工藝中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和跨學(xué)科的綜合利用,將磁場(chǎng)應(yīng)用于廢水處理已成為一項(xiàng)新型的水處理技術(shù),它可以單獨(dú)使用也可以與其它水處理技術(shù)聯(lián)合使用,其具有能耗低、易于操作、無二次污染且成本低的特點(diǎn)。可見,將磁絮凝技術(shù)應(yīng)用于廢水處理具有廣闊的前景。絮體的結(jié)構(gòu)和性能是混凝研究中十分重要的特征,它的形成往往具有分形的特征。一般認(rèn)為分維的不同反映了絮凝體結(jié)構(gòu)所具有的開放程度不同。在混凝研究中,應(yīng)用分維可以對(duì)不同條件下形成的絮體結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述。然而,

2、到目前為止,對(duì)磁絮凝的應(yīng)用效果分析尚無成型的理論,尤其是對(duì)于磁絮凝中絮凝體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)分析,無論是宏觀分析法還是微觀分析法都還未有一個(gè)系統(tǒng)的研究方法。分形理論可作為一個(gè)強(qiáng)有力的理論工具來研究與處理自然工程系統(tǒng)中的混沌現(xiàn)象和不規(guī)則圖形。將分形理論應(yīng)用于磁絮凝領(lǐng)域,為磁絮凝微觀結(jié)構(gòu)和過程的研究開辟了新的途徑,并將磁絮凝研究推向一個(gè)新的階段。
　　 本研究創(chuàng)新性的將分形理論引入磁絮凝污水處理工藝的絮凝效果分析之中,分別針對(duì)磁種復(fù)合絮凝劑

3、和磁流體復(fù)合絮凝劑的絮凝效果進(jìn)行了分形研究,進(jìn)而研究了磁絮凝體的分形特征。相應(yīng)的研究成果如下:
　　 1、為了揭示影響磁絮凝效果的各環(huán)境因素與分形維數(shù)的關(guān)系,以接近真實(shí)的角度來刻畫絮凝體及形成過程,反應(yīng)絮凝體的結(jié)構(gòu)與形態(tài),以獲得對(duì)磁絮凝機(jī)理,絮凝過程的認(rèn)識(shí)和理解。本研究以泵站溢流污水為對(duì)象,利用自行開發(fā)的磁絮凝裝置,首先針對(duì)磁種復(fù)合絮凝劑和磁流體復(fù)合絮凝劑,從絮凝劑投加量、水力條件、磁場(chǎng)強(qiáng)度等方面分析了磁性絮體的分形結(jié)構(gòu)。研究發(fā)

4、現(xiàn),影響磁絮凝效果的主要因素依次為:絮凝劑投加量,磁場(chǎng)強(qiáng)度,水力條件,pH值,助凝劑PAM(聚丙烯酰胺)投加量。而且對(duì)于磁種復(fù)合絮凝劑,在磁種絮凝的最佳條件下,各因素對(duì)絮體分形維數(shù)的影響表現(xiàn)為,在PAC(聚合氯化鋁)最佳投加量80mg/L時(shí),Df最大為1.96;在磁種投加量為250mg/L時(shí),Df最大為2.64;在磁場(chǎng)強(qiáng)度為250mT時(shí),Df最大為2.70;pH為8.0時(shí),Df最大為2.22;PAM投加量為0.06mg/L時(shí),Df最大為

5、2.34;在最佳水力條件下,按快攪速度、快攪時(shí)間、慢攪速度、慢攪時(shí)間順序,Df最大依次為2.62,2.03,2.34,2.36。
　　 2、通過對(duì)磁流體復(fù)合絮凝劑的分形研究,發(fā)現(xiàn)在最佳絮凝條件,即當(dāng)絮凝劑投加量為4mL/L、磁場(chǎng)強(qiáng)度為250mT、pH為8時(shí),絮體的分形維數(shù)達(dá)到最大,依次為2.34,2.63,2.35。同時(shí),根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果,采用響應(yīng)曲面法研究了各因素對(duì)磁流體復(fù)合絮凝劑絮體分形維數(shù)的影響作用。結(jié)果表明,在絮凝劑投加

6、量為3.5mL/L,磁場(chǎng)強(qiáng)度為250mT,pH為7.0-7.5時(shí),絮體具有最大的分形維數(shù)和粒徑。通過水力條件試驗(yàn)得知,當(dāng)慢攪速度為60r/min,慢攪時(shí)間為240s,快攪速度為250r/min,快攪時(shí)間為60s時(shí),絮體分形維數(shù)達(dá)到最大,此時(shí)的絮體最大,具有最佳沉降性能。
　　 3、為了深入研究磁絮凝體的分形特征,更好地指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用,本文分析了磁絮凝中絮體的形態(tài)特征,并建立了生長動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明,磁性絮體粒徑在絮凝階段的前6m

7、in增長較快,在10min后逐漸趨于穩(wěn)定。通過試驗(yàn)?zāi)M得出,在G1=800.20s-1、T1=51.45s、G2=155s-1、T2=224.13s時(shí),磁性絮體的平均生長速度達(dá)到最大值83.62μm/min。
　　 總之,通過以上研究,可見分形維數(shù)的大小與磁絮凝效果有良好的相關(guān)性。分形理論的應(yīng)用,使人們對(duì)磁絮凝過程中的無序現(xiàn)象和無規(guī)形態(tài)有了更清楚認(rèn)識(shí),為改進(jìn)磁絮凝工藝和研究磁絮凝機(jī)理提供了強(qiáng)有力的工具,使磁絮凝工藝在最佳出水水質(zhì)