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随着科学技术的发展和跨学科的综合利用,将磁场应用于废水处理已成为一项新型的水处理技术,它可以单独使用也可以与其它水处理技术联合使用,其具有能耗低、易于操作、无二次污染且成本低的特点。可见,将磁絮凝技术应用于废水处理具有广阔的前景。絮体的结构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。一般认为分维的不同反映了絮凝体结构所具有的开放程度不同。在混凝研究中,应用分维可以对不同条件下形成的絮体结构进行更为准确的数学描述。然而,到目前为止,对磁絮凝的应用效果分析尚无成型的理论,尤其是对于磁絮凝中絮凝体强度和结构分析,无论是宏观分析法还是微观分析法都还未有一个系统的研究方法。分形理论可作为一个强有力的理论工具来研究与处理自然工程系统中的混沌现象和不规则图形。将分形理论应用于磁絮凝领域,为磁絮凝微观结构和过程的研究开辟了新的途径,并将磁絮凝研究推向一个新的阶段。
本研究创新性的将分形理论引入磁絮凝污水处理工艺的絮凝效果分析之中,分别针对磁种复合絮凝剂和磁流体复合絮凝剂的絮凝效果进行了分形研究,进而研究了磁絮凝体的分形特征。相应的研究成果如下:
1、为了揭示影响磁絮凝效果的各环境因素与分形维数的关系,以接近真实的角度来刻画絮凝体及形成过程,反应絮凝体的结构与形态,以获得对磁絮凝机理,絮凝过程的认识和理解。本研究以泵站溢流污水为对象,利用自行开发的磁絮凝装置,首先针对磁种复合絮凝剂和磁流体复合絮凝剂,从絮凝剂投加量、水力条件、磁场强度等方面分析了磁性絮体的分形结构。研究发现,影响磁絮凝效果的主要因素依次为:絮凝剂投加量,磁场强度,水力条件,pH值,助凝剂PAM(聚丙烯酰胺)投加量。而且对于磁种复合絮凝剂,在磁种絮凝的最佳条件下,各因素对絮体分形维数的影响表现为,在PAC(聚合氯化铝)最佳投加量80mg/L时,Df最大为1.96;在磁种投加量为250mg/L时,Df最大为2.64;在磁场强度为250mT时,Df最大为2.70;pH为8.0时,Df最大为2.22;PAM投加量为0.06mg/L时,Df最大为2.34;在最佳水力条件下,按快搅速度、快搅时间、慢搅速度、慢搅时间顺序,Df最大依次为2.62,2.03,2.34,2.36。
2、通过对磁流体复合絮凝剂的分形研究,发现在最佳絮凝条件,即当絮凝剂投加量为4mL/L、磁场强度为250mT、pH为8时,絮体的分形维数达到最大,依次为2.34,2.63,2.35。同时,根据正交试验结果,采用响应曲面法研究了各因素对磁流体复合絮凝剂絮体分形维数的影响作用。结果表明,在絮凝剂投加量为3.5mL/L,磁场强度为250mT,pH为7.0-7.5时,絮体具有最大的分形维数和粒径。通过水力条件试验得知,当慢搅速度为60r/min,慢搅时间为240s,快搅速度为250r/min,快搅时间为60s时,絮体分形维数达到最大,此时的絮体最大,具有最佳沉降性能。
3、为了深入研究磁絮凝体的分形特征,更好地指导实际应用,本文分析了磁絮凝中絮体的形态特征,并建立了生长动力学模型。结果表明,磁性絮体粒径在絮凝阶段的前6min增长较快,在10min后逐渐趋于稳定。通过试验模拟得出,在G1=800.20s-1、T1=51.45s、G2=155s-1、T2=224.13s时,磁性絮体的平均生长速度达到最大值83.62μm/min。
总之,通过以上研究,可见分形维数的大小与磁絮凝效果有良好的相关性。分形理论的应用,使人们对磁絮凝过程中的无序现象和无规形态有了更清楚认识,为改进磁絮凝工艺和研究磁絮凝机理提供了强有力的工具,使磁絮凝工艺在最佳出水水质下保持最低的能耗成为可能,同时在磁絮凝剂的生产、使用、以及磁絮凝工艺控制等方面将发挥重要的控制和预测作用。