文档介绍：摘要
摘要
混凝是给水处理中的核心单元,而混凝机理一直还存在着较多的争议。一
般来讲,混凝包括两个阶段:投加混凝剂后的快速混合阶段,以及絮体逐渐形
成增大的慢速絮凝阶段。由于混凝构筑物中各处流场的速度梯度分布不均匀,
导致了絮体在构筑物中发生破碎,而破碎后的絮体也会发生再絮凝。此外,在
一定的搅拌强度下,絮体的破碎和絮凝过程同时存在,最终会达到一个稳定的
动态平衡。因此,混凝工艺中絮体的絮凝、破碎以及再絮凝过程,逐渐成为了
近年来研究混凝机理的热点领域。
常规水解混凝剂的混凝机理主要是电中和作用和网捕卷扫作用,而在实际
给水处理中(pH 值为 7 左右),网捕卷扫作用占主导机理。本文主要针对网捕
卷扫作用为主的混凝过程中,通过研究絮体破碎再絮凝过程,来探讨水中的微
小絮体依靠什么作用、以怎样的方式粘结在一起,以及什么因素决定了最终平
衡状态下絮体的尺寸和形态。研究中主要采用了透光率脉动检测仪(PDA-
2000)D 摄像技术对絮体进行监测和分析,探讨了高岭土和腐殖酸絮体
的絮凝、破碎和再絮凝过程,从以下几个方面逐步揭示了微小絮体粘结聚集的
过程和规律,该研究结果具有工程应用的价值和潜力。
在不同混凝剂投量、不同混凝机理作用下,研究了絮体破碎再絮凝过程的
主要影响因素,考察了不同影响因素下絮体的变化特征。研究发现:在以高岭
土为悬浮颗粒物的原水中,电中和条件下硫酸铝絮体破碎后能够完全恢复,并
且与破碎强度无关;而在网捕卷扫条件下,破碎后的絮体只能部分程度得到恢
复,而破碎前和再絮凝后的絮体电泳迁移率(或 zeta 电位)并不会发生变
化。此外,考察了不同混凝剂种类(包括铝盐和高分子电解质)、温度和初始
颗粒大小、絮凝时间和腐殖酸浓度、破碎强度以及搅拌条件对絮体破碎再絮凝
过程的影响。
针对网捕卷扫条件的普遍性及该机理条件下絮体难以完全恢复的情况,考
察了再次投加少量硫酸铝混凝剂对破碎絮体再絮凝的影响。在不同混凝机理主
导下,通过等电点(电泳迁移率接近于零)确定了硫酸铝的最佳投量。研究发
现:当 pH 值为 5 的电中和条件下,再次投加少量硫酸铝会导致颗粒再稳,反
而降低了破碎絮体的再絮凝能力;而当 pH 值为 7 的网捕卷扫条件下,再次投
加少量硫酸铝能够显著提高絮体的再絮凝能力,使再絮凝后的絮体尺寸完全恢
复到破碎前的水平。在网捕卷扫条件下,为了进一步研究再次投加硫酸铝的作
用机理,将一分钟破碎时间延长至十分钟,发现了在长时间破碎的初期再次投
加硫酸铝时,再絮凝能力提高不明显;而在长时间破碎快结束时再次投加硫酸
-I-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文
铝,破碎絮体能够完全恢复。这说明硫酸铝新析出物的效力,会在其暴露于高
剪切速率下的几分钟后消失。由此证明,在絮体破碎再絮凝过程中,是絮体的
表面活性,而非絮体的带电性质(表现为电泳迁移率)决定了絮体的恢复能
力。通过比较再次投加氯化铝(AlCl3 )和聚合氯化铝(PACl 25)后发现,
AlCl3 能够促进破碎絮体的完全恢复,而 PACl 25 并不能提高破碎絮体的再絮凝
能力。利用试铁灵试剂(Ferron)研究后发现,很可能是由于 AlCl3 析出物表
面存在单体水解产物(Ala ),使微絮体之间能够相互粘结聚集;而对于
PACl 25,其多核水解产物(Alb)转化成了其它稳定的物质,再次投加并不能
促进破碎絮体的再絮凝。上述结果得出了本论文的核心观点:在网捕卷扫条件
下,絮凝及再絮凝过程取决于絮体表面的 Ala。
研究了 AlCl3 和 PACl 25 水解产物的表面特性对水中颗粒物高岭土的吸附作
用。pH 值为 7 时,投加 AlCl3 后无定形氢氧化铝析出,由于表面 Ala 的存在使
析出物粘结聚集而逐渐长大。随后加入的高岭土颗粒主要吸附在了 AlCl3 析出
物的表面,而析出物内部的颗粒很少。然而,PACl25 的水解产物在水中较稳
定,并不会发生粘结聚集,随着高岭土颗粒的投加,由于颗粒失稳而相互吸
引,聚集形成了较大的絮体,因此絮体各部分(包括内部)颗粒均匀分布。由
此可知,AlCl3 析出物具有粘结能力,而 PACl25 则不具有这样的能力。这个研
究结果可用于混凝絮体(污泥)的回流再利用。将絮体破碎后可增大其比表面
积,可以促进对颗粒物的吸附,然后通过再次投加少量硫酸铝,不仅可以进一
步吸附颗粒物,而且能够将破碎后的絮体粘结,最终形成较大的絮体。
研究了絮体的特性对混凝-超滤组合工艺中膜污染的影响。虽然絮体破碎
再絮凝后的平均尺寸比常规混凝的絮体要小,但其分形维数比常规混凝的絮体
要低,并且小絮体数目减少,从而减缓了膜污染的速度。另