CN104075950B - 一种絮凝体强度的定量计算方法 - Google Patents

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Abstract

一种絮凝体强度的定量计算方法，涉及一种絮凝体强度的计算方法。是要解决现有的絮凝体强度计算方法未考虑絮凝体形态学特征，且没有考虑实际水体的紊流特性而导致计算结果不准确的问题。方法：一、以絮凝体的粘结力与颗粒净截面积的关系为基础，求得絮凝体粘结力的定量计算公式；二、以絮凝体受到的湍流水体中微涡旋作用力为基础，推出流体对絮凝体的紊流破碎力公式；三、结合絮凝体粘结力和流体对絮体的破碎力，得出絮凝体强度表征公式；四、将剪切力G作用絮凝体表面使其发生破碎，利用光检测仪器对絮凝体的物理参数进行在线监测，在絮凝体破碎的临界点，求得絮体强度系数k，计算絮凝体强度。本发明用于定量计算絮凝体强度。

Description

一种絮凝体强度的定量计算方法
技术领域
本发明涉及一种絮凝体强度的计算方法。
背景技术
给水及污水处理过程中，由于混凝工艺具有运行简单、制水周期短、成本低、处理效果好等优点，是去除水中胶体或悬浮颗粒最常用的方法，也是关键的工艺步骤之一。合理的进行絮凝工艺设计，必须保证各构筑物单元内絮体破碎率最小化，然而在实际中，具有较大剪切强度的区域，普遍存在于给水处理厂各构筑物单元。当絮凝体暴露在较高强度的剪切力条件下时，其将会被打碎，打碎后形成的小颗粒在沉淀池去除率降低，从而影响后续工艺的处理效能，絮凝体必须达到一定的强度以抵抗此类剪切力。
絮凝体强度是固液分离技术去除水中颗粒杂质过程的一个非常重要的运行参数。絮凝体强度与絮凝体颗粒内部的“结合键”有关，当作用在絮凝体表面的剪切力大于絮凝体内部的粘结力时，絮凝体将会发生破碎。目前，评价絮凝体强度最简单的方法是计算絮凝体的强度因子。由于絮凝体强度因子不是常数，其数值会随破碎时作用在絮凝体表面的剪切强度的改变而变化，故强度因子直接用于比较不同搅拌条件下形成的絮凝体的强度时存在缺陷。另一方面，部分人员提出利用经验公式d＝CG^-γ来描述絮凝体直径和剪切强度的关系，其中d为絮体粒径，C为絮凝体强度系数，G为剪切强度，γ为絮体稳定尺寸系数。在絮凝体尺寸和平均速度梯度的双对数坐标轴上作图，γ的斜率越陡峭，絮凝体越容易在逐渐升高的剪切力作用下发生破碎，故采用γ值来表征絮凝体强度。
以上对絮凝体强度的研究，既没有明确给出絮凝体强度的定量计算公式，也没有涉及絮凝体的形态学特征，故存在一定的缺陷。
发明内容
本发明是要解决现有的絮凝体强度计算方法未考虑絮凝体形态学特征，且没有考虑实际水体的紊流特性而导致计算结果不准确的问题，提供的一种絮凝体强度的定量计算方法。
本发明絮凝体强度的定量计算方法，按以下步骤进行：
一、以絮凝体的粘结力Bf与颗粒净截面积的关系为基础，结合絮凝体形态学参数，求得絮凝体粘结力的定量计算公式其中d为絮凝体粒径，k为絮凝体强度系数，Df为分形维数；
二、以絮凝体受到的湍流水体中微涡旋作用力为基础，基于柯尔莫戈罗夫局部各向同性紊流理论，推出流体对絮凝体的紊流破碎力公式其中F为紊流破碎力，ρw为水的密度，G为剪切力；
三、结合絮凝体粘结力和流体对絮体的破碎力，导出絮凝体强度为絮凝体临界破碎时流体对絮凝体的剪切力，得出絮凝体强度表征公式
四、将剪切力G作用絮凝体表面使其发生破碎，并利用光检测仪器对絮凝体的物理参数进行在线监测，在絮凝体破碎的临界点，求得絮体强度系数k，将k带入公式计算絮凝体强度。
其中步骤一中的颗粒净截面积考虑了实际絮凝体的多孔结构，将絮凝体的孔隙率e引入计算公式中，絮凝体孔隙率通过絮凝体密度公式和絮凝体物料平衡公式进行推导；
步骤二中的涡旋的特征长度值用Kolmogoroff微尺度λ表示；絮凝体破碎发生在粘性区域。
步骤四中絮凝体破碎的临界点为絮凝体的物理参数发生突变的时间点。
步骤四中光检测仪器为激光粒度仪。
步骤四中利用光检测仪器对絮凝体的物理参数进行在线监测的具体方法为：将蠕动泵设置于激光粒度仪之后，原水通过蠕动泵，以1.0～2.0L/h的速度进入激光粒度仪，激光粒度仪对絮凝体的物理参数进行在线监测。
步骤四中絮凝体的物理参数为絮凝体粒径d、分形维数Df及粒径分布。
本发明充分考虑实际絮凝体的多孔结构及分形特性，克服了以往认为絮凝体为密实的球体的问题；充分考虑了实际水体的紊流特性，克服了以往方法基于层流条件的缺点，通过影像学及数学分析的方法，实现了絮凝体强度的定量计算，解决了传统絮凝体强度表征方式不统一、不准确的弊端。本发明不仅可以在理论上预测絮凝体的动态特征变化，还可以有效地优化絮凝池设计，同时可以用来判断污水处理中活性污泥的运行效果。
k＝48-2/3π5/3a2/3σ(ρ0-ρw)-2/3，其中σ为常数，用于表征与絮凝体净截面积有关的平均粘结强度；ρ0为组成絮凝体的原始颗粒的密度；ρw为水的密度，a为密度函数中的系数。在水质和搅拌条件一定时，a、σ和(ρ0-ρw)的值均为常数，故在水质及搅拌条件确定的情况下，随着投药量的变化，k并不发生变化。
附图说明
图1为实验一中絮凝体破碎在线监测系统示意图，其中1为搅拌设备或反应器；2为激光粒度仪，3为蠕动泵；4为计算机。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式絮凝体强度的定量计算方法，按以下步骤进行：
一、以絮凝体的粘结力Bf与颗粒净截面积的关系为基础，结合絮凝体形态学参数，求得絮凝体粘结力的定量计算公式其中d为絮凝体粒径，k为絮凝体强度系数，Df为分形维数；
二、以絮凝体受到的湍流水体中微涡旋作用力为基础，基于柯尔莫戈罗夫局部各向同性紊流理论，推出流体对絮凝体的紊流破碎力公式其中F为紊流破碎力，ρw为水的密度，G为剪切力；
三、结合絮凝体粘结力和流体对絮体的破碎力，导出絮凝体强度为絮凝体临界破碎时流体对絮凝体的剪切力，得出絮凝体强度表征公式
四、将剪切力G作用絮凝体表面使其发生破碎，并利用光检测仪器对絮凝体的物理参数进行在线监测，在絮凝体破碎的临界点，求得絮体强度系数k，将k带入公式计算絮凝体强度。
步骤四中絮凝体破碎的临界点为絮凝体的物理参数发生突变的时间点。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中光检测仪器为激光粒度仪。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤四中絮凝体的物理参数为絮凝体粒径d、分形维数Df及粒径分布。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤四中利用光检测仪器对絮凝体的物理参数进行在线监测的具体方法为：将蠕动泵设置于激光粒度仪之后，原水通过蠕动泵，以1.0～2.0L/h的速度进入激光粒度仪，激光粒度仪对絮凝体的物理参数进行在线监测。其它与具体实施方式一至三之一相同。
蠕动泵设置于激光粒度仪之后，以防止絮体经过蠕动泵时先被打碎。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤四中利用光检测仪器对絮凝体的物理参数进行在线监测的具体方法为：将蠕动泵设置于激光粒度仪之后，原水通过蠕动泵，以1.5L/h的速度进入激光粒度仪，激光粒度仪对絮凝体的物理参数进行在线监测。其它与具体实施方式四相同。
通过以下实验验证本发明的效果：
实验一、絮凝体强度的定量计算方法，按以下步骤进行：
一、以絮凝体的粘结力Bf与颗粒净截面积的关系为基础，结合絮凝体形态学参数，求得絮凝体粘结力的定量计算公式其中d为絮凝体粒径，k为絮凝体强度系数，Df为分形维数；
二、以絮凝体受到的湍流水体中微涡旋作用力为基础，基于柯尔莫戈罗夫局部各向同性紊流理论，推出流体对絮凝体的紊流破碎力公式其中F为紊流破碎力，ρw为水的密度，G为剪切力；
三、结合絮凝体粘结力和流体对絮体的破碎力，导出絮凝体强度为絮凝体临界破碎时流体对絮凝体的剪切力，得出絮凝体强度表征公式
四、将一系列强度的剪切力作用于完全长成的絮凝体表面使其发生破碎，并利用光检测仪器对絮凝体的物理参数进行在线监测，通过分析絮凝体粒径d、分形维数Df及粒径分布的突变得到G值为98.4s-1，是絮凝体发生破碎的临界G值。经过计算得到，当投药量为22.5mg/L时所形成的PAC絮凝体的强度(粘结力)约为17.32nN，系数k值为6.621×10-3。实验混凝搅拌条件下形成的絮凝体的强度公式为：然后得到不同投药量时絮凝体的强度。
当原水浊度为37.5NTU，搅拌条件为：150rpm快搅1min，40rpm慢搅20min时，投药量分别为1mg/L、2mg/L、5mg/L、7.5mg/L、10mg/L、12.5mg/L、15mg/L、17.5mg/L、20mg/L、22.5mg/L、25mg/L、27.5mg/L及30mg/L时，形成的絮体强度分别为2.94nN、4.42nN、6.53nN、8.48nN、11.04nN、13.32nN、15.11nN、16.31nN、16.85nN、17.32nN、16.80nN、16.30nN、15.65nN。
利用本实验的方法，通过计算不同投药量时絮凝体的强度，来表征絮凝效果的好坏及絮凝体的沉降性能，不仅可以在理论上预测絮凝体的动态特征变化，还可以有效地优化絮凝池设计，同时可以用来判断污水处理中活性污泥的运行效果。
图1为本实验絮凝体破碎在线监测系统示意图，其中1为搅拌设备或反应器；2为激光粒度仪，3为蠕动泵；4为计算机；箭头所指方向为水流方向。

Claims (5)

1.一种絮凝体强度的定量计算方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、以絮凝体的粘结力Bf与颗粒净截面积的关系为基础，结合絮凝体形态学参数，求得絮凝体粘结力的定量计算公式其中d为絮凝体粒径，k为絮凝体强度系数，Df为分形维数；
二、以絮凝体受到的湍流水体中微涡旋作用力为基础，基于柯尔莫戈罗夫局部各向同性紊流理论，推出流体对絮凝体的紊流破碎力公式其中F为紊流破碎力，ρw为水的密度，G为剪切力；
三、结合絮凝体粘结力和流体对絮凝体的破碎力，导出絮凝体强度为絮凝体临界破碎时流体对絮凝体的剪切力，得出絮凝体强度表征公式
四、将剪切力G作用絮凝体表面使其发生破碎，并利用光检测仪器对絮凝体的物理参数进行在线监测，在絮凝体破碎的临界点，求得絮凝体强度系数k，将k带入公式计算絮凝体强度。
2.根据权利要求1所述的一种絮凝体强度的定量计算方法，其特征在于步骤四中光检测仪器为激光粒度仪。
3.根据权利要求1所述的一种絮凝体强度的定量计算方法，其特征在于步骤四中絮凝体的物理参数为絮凝体粒径d、分形维数Df及粒径分布。
4.根据权利要求2所述的一种絮凝体强度的定量计算方法，其特征在于步骤四中利用光检测仪器对絮凝体的物理参数进行在线监测的具体方法为：将蠕动泵设置于激光粒度仪之后，原水通过蠕动泵，以1.0～2.0L/h的速度进入激光粒度仪，激光粒度仪对絮凝体的物理参数进行在线监测。
5.根据权利要求4所述的一种絮凝体强度的定量计算方法，其特征在于步骤四中利用光检测仪器对絮凝体的物理参数进行在线监测的具体方法为：将蠕动泵设置于激光粒度仪之后，原水通过蠕动泵，以1.5L/h的速度进入激光粒度仪，激光粒度仪对絮凝体的物理参数进行在线监测。
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