利用分形維數對混凝中能耗分配優(yōu)化的分析-絮體

利用分形維數對混凝中能耗分配優(yōu)化的分析絮體

論文導讀:：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評價混凝效果的優(yōu)劣。在每個攪拌階段結束后計算絮體的分形維數。并未實現能耗分配的優(yōu)化[3-4]。

論文關鍵詞：聚硅鐵混凝劑，絮體，分形維數，能耗分配

在水處理中絮體特征可以用來評價混凝效果的優(yōu)劣，但其生長需要適宜的水力條件，因為水力攪拌強度G值過小則影響絮體的成長速度，過大則可能破碎絮體結構絮體，也會增加不必要能耗，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度（G值）和攪拌時間（t值）設計的[1-2]，即把攪拌強度G值分為逐漸遞減的三段，每段的反應時間（t值）相等，并未實現能耗分配的優(yōu)化[3-4]。同時由于受絮體結構特性的限制，而無法對絮體的生長情況做進一步研究，進而無法驗證水力條件的合理性[5]。本實驗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際運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，并結合分形理論[7]在混凝階段中的應用[8-10]，在每個攪拌階段結束后計算絮體的分形維數，通過分形維數的大小對絮體的生長情況作出分析，為實現混凝工藝運行條件的合理控制提供理論依據站。1實驗1.1實驗材料試驗采用模擬含鉛工業(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實驗儀器實驗儀器包括：（1）JJ-4A同步六聯(lián)電動攪拌器；（2）原子吸收分光光度計（北京普析）；（3）JEM-2010型透射電子顯微鏡（4）電子計算機及燒杯、量筒、大口膠頭滴管等若干。1.3實驗水力參數燒杯實驗的攪拌功率P的計算公式[11]：（1）速度梯度（2）本試驗中，各個參數的值為：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，把相關數據代入（1）式和（2）式得：G=0.0677×n1.5。根據計算不同轉速對應的G值見表1。表1G值與轉速的對應關系Table1therelationbetweenGvalueandrotationspeed

n/（r·min-1）G/s-14017.15023.96031.57039.68048.49057.810067.711078.112088.9300351.81.4分形維數的測定方法攪拌結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軟件處理并測得絮體的投影面積和周長，根據絮凝體的投影面積與周長的函數關系[12]A=αPDf，取兩者對數的線性關系，測得分形維數，如圖1所示。圖1絮體的圖片及分形維數Fig.1thefractalstructurephotosandfractaldimension2混凝能耗分配的實驗研究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測定鉛離子含量，得出鉛離子去除率。同時取得絮體絮體，測出分形維數，實驗結果如表2.表2不同投加量下絮體的分形維數與去除率Table2thefractaldimensionandremovalindifferentdosages

投加量/g.L-1去除率/%分形維數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，絮體分形維數出現最大值1.67674，鉛離子去除率最高96.48%，此時慢速攪拌能耗Gt值是43560。2.2能耗分配的實驗2.2.1實驗方法為了對絮凝階段進行能耗分配，得出最佳的水力條件，實驗方案為快速混合不變：G0=351.8s–1，t0=1min；慢速攪拌絮凝的時間（15min）分為不同的三段時間組合，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，并作出能耗分配實驗因素水平表表3站。投加量按照鉛離子最佳去除率時投加5.42g.L-1。表3以聚硅鐵混凝劑的能耗分配實驗因素水平表Table3thefactorsandlevelsoftheenergyconsumptiondistribution

水平因素G1/s-1G2/s-1G3/s-1絮凝時間組合167.748.423.9組合1288.957.817.1組合2378.139.631.5組合3對表3的不同的攪拌梯度與攪拌時間進行隨機搭配，按正交試驗法進行試驗設計，查正交試驗表絮體，采用實驗表，如表4所示。表4正交試驗表Table4thetableoforthogonalexperiment

實驗次序因素G1/s-1G2/s-1G3/s-1絮凝時間組合111112122231333421235223162312731328321393321對水平按照隨機性原則進行排列后，按照正交表進行攪拌試驗，結束攪拌沉淀20min后測含鉛量，確定去除率。同時，在各階段攪拌結束后，取得絮凝體圖像以獲得分形維數。2.2.2結果與討論實驗結果見表5。表5正交試驗表及測定結果

實驗次序因素G1/s-1DfG2/s-1DfG3/s-1Df絮凝時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為各個因素i水平測定指標總和；R為極差,極差的大小反映因素對指標的影響程度，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組合是（G1=67.7s-1，t=3min），此時絮體適宜的分形維數為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1.55718，由此可知在第一階段不易攪拌時間過長，因為雖然時間過長可以獲得分形維數更大的絮體，但不適宜第二階段的生長，分析認為此時絮體的生長主要是通過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)生變化時被打碎絮體，而不利于下一階段的生長；（3）在第二階段最佳絮凝反應組合是（G2=57.8s-1，t=5min），絮體適宜的分形維數為1.66左右，分析認為絮體主要是通過鐵鹽的水解物產生的靜電吸附，中和電荷而形成的，此時顆粒內部之間的斥力較弱，且絮體結構較密實不易被破碎；（4）在第三階段最佳絮凝反應組合（G3=23.9s-1，t=7min），此時絮體適宜的分形維數為1.80左右，由此可知在第三階段水力攪拌時間要足夠長，增加絮體顆粒之間的碰撞幾率，從而形成密實而易沉降的絮體顆粒，此時鉛離子去除率達到97.55%；（5）根據每段的最佳反應組合，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的取值要適當且變化比較平穩(wěn)，從而保證絮體生長。此時能耗分配的Gt值是39564站。3結論（1）通過對分形維數的測定，能耗分配的每個階段必須有適宜的分形維數：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絮體，從而達到最佳的混凝效果。同時由絮體的增長速度看，絮體在前中期增長最快，且絮體結構主要是通過混凝劑的靜電吸附，中和電荷形成的。（2）另外可以根據絮體分形維數的大小可有效控制攪拌速度的大小，從而既滿足絮體生長又防止絮體被破碎，有助于在攪拌過程中形成粒徑合適、結構緊密絮凝體，提高后續(xù)處理效果。（3）實驗過程中將絮凝階段分成三檔工況運行，得到了良好的混凝效果。從去除率看，將絮凝階段進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，要比沒分配（Gt=43560）少3996，從而降低水廠的運行成本；從對分形維數的監(jiān)測看，不僅可以知道絮體的生長情況，而且對混凝工藝運行條件的控制、絮凝池的設計以及絮凝劑優(yōu)選等都有實際指導意義。

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