在水处理过程中,混凝是必不可少的一环,其中心任务是形成粒径、结构和强度适宜且容易沉降的絮体。长期以来,大量学者对该过程中不同控制参数条件下生成絮体的形态演变过程开展了研究。但由于絮体形成过程的影响因素众多,如其所在的环境以及混凝剂种类等,同时受制于试验手段和设备,目前为止鲜见对絮体形态演变机理进行全面系统研究的报道。本文以计算机模拟为主要研究手段,分别在有限扩散凝聚(DLA)模型和有限扩散集团凝聚(DLCA)模型的基础上,开展絮体凝聚、破碎及再形成过程的模拟研究。同时开展混凝搅拌试验,尝试与模型中的模拟结果进行对比,并将模拟结果和实际絮凝过程相结合。在计算机模拟过程中,引入分形理论对絮体形态进行研究并借助分形维数对絮体结构进行定量描述,同时在传统模型的基础上增加对破碎行为的模拟,以期从全新的角度研究絮凝过程中絮体的形态特性演变特征,探讨絮体分形成长机制。在MATLAB平台上,借助改进后的DLA模型,并且在模拟过程中考虑改变总凝聚粒子数、粒子来源、粘结方式、粒子运动范围和粘附几率等条件下分别实现了絮体的凝聚、破碎及再形成过程的可视化,并且借助特定算法对絮体的粒度、回转半径、空隙率和分形维数进行实时计算。通过分析这些特征参数的演变过程,得出如下结论:随着总凝聚粒子数的增加,絮体粒度随之增加的同时其结构向疏松多孔的方向发展,絮体致密性也显著降低;适度的降低粘附几率有助于改善絮体的致密性和结构强度;限制粒子来源方式时,絮体的各向异性明显增强并且絮体的结构恶化;改变絮体粘结方式时,絮体生长过程中粘附位点的差异对絮体形态演变过程有显著的影响。此外,对絮体进行适宜程度的破碎后再形成时絮体结构致密性显著升高。与DLA模型相比,DLCA模型更加接近实际絮体形成的过程,其模拟机制更加复杂,对计算机性能要求也更高。借助DLCA模型,在模拟过程中考察不同总凝聚粒子数、粒子运动边界大小、粘附几率和粒子密度对絮体形态演变过程的影响,并对絮体的凝聚、破碎及再形成过程开展模拟。通过对絮体回转半径、空隙率和分形维数的变化进行分析,可以得出如下结论:与DLA絮体相比,DLCA絮体结构更加开放多孔,随着迭代步数的增加,区域内的颗粒相互碰撞形成小絮体,小絮体相互聚集形成一个具有明显分形结构的多孔结构;总凝聚粒子数越大絮体结构越疏松多孔、致密性也显著降低,适度的降低粘附几率有助于改善絮体的致密性和结构强度;粒子运动边界对絮体形成过程和最终絮体形态有显著影响,较小的运动边界可加快絮体的形成过程,但是会限制最终絮体的回转半径在较小的范围内,且絮体内部空间占有率较高,絮体难以发育成分形体;适当的降低粘附几率可有效改善最终絮体的形态结构;在DLCA模型模拟絮体生成的过程中,初始布置的粒子密度对后其絮体结构有显著影响,适宜的增加前期布置粒子的粒子密度则后期模拟生成的絮体结构致密性也得到改善。此外,DLCA絮体进行适度破碎后再形成时絮体结构有较大改善,絮体抗剪切能力显著增强。除了利用计算机模拟手段外,本文还在不同几何结构的方形搅拌反应器中开展混凝试验,混凝剂采用聚合氯化铝(PACl),试验水样采用高岭土配制。混凝试验在不同的絮凝强度的条件下开展,并且分别改变反应器的挡板宽度和高宽比改变反应体系中水流的水力学特征,进而影响絮体的凝聚、破碎和再形成行为的动力学过程。同时利用絮体形态在线监测系统对絮凝过程中絮体形态的变化进行实时监测,该系统还集成在线浊度仪,可对沉淀后上层清液浊度变化进行在线检测。试验研究发现:在反应器中设置合适的宽度挡板可增加反应器内轴向流改善混合效果,并控制反应器内的“死区”大小在较小的范围内,进而有效减少体系中粒径较小和结构极不规则的长条形絮体数量,改善絮凝效果,结合模拟研究结论可知,当粒子来源过于集中时(可理解为悬浮颗粒混合效果较差)对絮体生长不利,絮体结构恶化进而影响絮凝效果;反应器中适宜的高宽比可影响反应器中流体的循环特征,进而改善混合效果和局部水力特性,保证体系中所有悬浮颗粒都参与絮凝反应,同时有效减少叶轮区絮体的大尺度破裂,仅使絮体发生较小程度的破损,可达到最佳的絮凝效果,上述现象验证了模拟研究中的结论,适度程度的絮体破碎行为可使再形成后絮体结构得到改善,有利于絮凝效果的改善。