《Separation and Purification Technology》：Floc growth mechanism in multi-stage flocculation reactor: effect of strong mixing segment
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多級(jí)絮凝反應(yīng)器中強(qiáng)混合段流速梯度對(duì)絮體生長(zhǎng)的影響研究。摘要：開(kāi)發(fā)了具有梯度混合強(qiáng)度的多級(jí)絮凝反應(yīng)器（MFR），聚焦強(qiáng)混合段探究流速（0.29-0.69 m/s）對(duì)絮凝劑擴(kuò)散、初級(jí)絮體（平均弦長(zhǎng)63-127 μm，Df=1.4583-1.6201）形成及最終絮體（尺寸150-238 μm，Df=1.6655-1.9320）的影響。結(jié)果表明適度能量輸入（0.29-0.49 m/s）促進(jìn)絮體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，過(guò)量（0.69 m/s）導(dǎo)致絮體破碎。
Lulu Xu | Xing Liang | Can Cui | Congcong Li | Yajie Qin | Wenfang Zhang | Xiaobing Li
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)焦煤資源綠色開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市221116
摘要
我們開(kāi)發(fā)了一種多級(jí)絮凝反應(yīng)器（MFR），該反應(yīng)器具有強(qiáng)混合區(qū)、中等混合區(qū)和弱混合區(qū)的分級(jí)配置，以滿足不同絮凝階段的獨(dú)特流體動(dòng)力學(xué)要求。本研究重點(diǎn)關(guān)注強(qiáng)混合區(qū)，探討了絮凝劑的擴(kuò)散、初始絮體的形成及其后續(xù)生長(zhǎng)行為，以闡明其在整個(gè)絮體形成過(guò)程中的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將入口流速?gòu)?.29 m/s增加到0.49 m/s后，強(qiáng)混合區(qū)中的絮凝劑混合時(shí)間從1.133 s縮短至0.380 s。相應(yīng)地，初級(jí)絮體的平均弦長(zhǎng)從63 μm增加到102 μm，其分形維數(shù)（D_f）從1.4583增加到1.5481。最終絮體的尺寸也從150 μm增加到238 μm，分形維數(shù)（D_f）從1.6655增加到1.9320。然而，當(dāng)入口流速達(dá)到0.69 m/s時(shí)，雖然混合時(shí)間進(jìn)一步縮短至0.273 s，初級(jí)絮體的尺寸增加到127 μm，分形維數(shù)（D_f）為1.6201，但最終絮體的尺寸減小到185 μm，分形維數(shù)（D_f）降至1.8149。這些發(fā)現(xiàn)表明，在強(qiáng)混合區(qū)施加適當(dāng)?shù)哪芰枯斎肟梢源龠M(jìn)絮凝劑的擴(kuò)散和初級(jí)絮體的形成，從而提高最終絮體的尺寸和緊密度。相反，過(guò)量的能量輸入會(huì)導(dǎo)致初級(jí)絮體表面過(guò)于致密，活性結(jié)合位點(diǎn)減少，阻礙后續(xù)的聚集過(guò)程，最終影響絮凝效果。本研究闡明了強(qiáng)混合區(qū)在絮體形成中的雙重作用，并為絮凝反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。
引言
絮凝技術(shù)因成本低、操作簡(jiǎn)單和效率高而被廣泛應(yīng)用于廢水處理[1]、[2]、[3]。在此過(guò)程中，加入絮凝劑以破壞水中的污染物顆粒[4]，從而促進(jìn)它們碰撞并聚集形成絮體。絮體的形態(tài)特征顯著影響污染物去除效果，因?yàn)槊芗逸^大的絮體通常具有更好的沉降性能和更高的去除效率[5]、[6]、[7]。水力條件、絮凝劑投加方法和溶液環(huán)境等因素強(qiáng)烈影響絮體的形成[8]、[9]、[10]。然而，大多數(shù)現(xiàn)有研究主要集中在最終絮體的特性上，對(duì)絮體生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)演變關(guān)注較少。
絮體生長(zhǎng)通常分為三個(gè)階段。在初始階段，絮凝劑與廢水充分混合，通過(guò)電荷中和使顆粒失穩(wěn)，形成微絮體。隨后，這些不穩(wěn)定的顆粒和微絮體通過(guò)碰撞聚集形成較大的絮體。最后，發(fā)生網(wǎng)捕和掃掠絮凝作用，絮體捕獲殘留顆粒并逐漸變得更加致密[11]、[12]。在整個(gè)絮凝過(guò)程中，應(yīng)逐漸降低剪切強(qiáng)度，為每個(gè)階段的絮體生長(zhǎng)創(chuàng)造有利的流體動(dòng)力學(xué)環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)這種分階段的流體動(dòng)力學(xué)控制，我們之前的工作開(kāi)發(fā)了一種多級(jí)絮凝反應(yīng)器（MFR），其中強(qiáng)混合區(qū)、中等混合區(qū)和弱混合區(qū)沿流動(dòng)方向依次排列。這些混合區(qū)的空間尺寸逐漸增大，而流速逐漸減小，為分階段的絮體生長(zhǎng)提供了適當(dāng)?shù)幕旌蠗l件[13]。然而，MFR內(nèi)不同階段所涉及的絮凝機(jī)制尚未完全闡明。
在絮體的分階段生長(zhǎng)過(guò)程中，初始絮凝條件對(duì)絮體發(fā)展起著關(guān)鍵作用。Zong等人[14]發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)投加絮凝劑的過(guò)程中，較低的初始pH值有助于形成具有較高表面電荷和較大比表面積的類似珊瑚礁的絮體，從而提高磷酸鹽的去除效率。類似地，He等人[15]發(fā)現(xiàn)，在初始階段改變絮凝劑投加量會(huì)改變初級(jí)絮體的表面電荷特性，進(jìn)而影響其尺寸演變。除了上述化學(xué)條件外，初始階段的水力剪切條件也是決定絮體結(jié)構(gòu)的重要因素。Jin等人[16]表明，延長(zhǎng)初始混合時(shí)間可使初始絮體尺寸減小約60%，但能產(chǎn)生更緊密的初級(jí)絮體，從而增強(qiáng)其對(duì)有機(jī)物的吸附能力。然而，大多數(shù)現(xiàn)有研究關(guān)注的是批次絮凝或多級(jí)絮凝的最終出水[17]、[18]，忽略了多級(jí)分級(jí)配置中每個(gè)水力區(qū)的獨(dú)立貢獻(xiàn)。基于此，MFR中的強(qiáng)混合區(qū)作為初始反應(yīng)區(qū)尤為重要。該區(qū)域不僅調(diào)節(jié)絮凝劑的分散，還通過(guò)能量輸入直接決定初級(jí)絮體的結(jié)構(gòu)。能量輸入不足會(huì)導(dǎo)致絮凝劑分散不均，不利于顆粒的失穩(wěn)和聚集[19]；而能量輸入過(guò)量可能導(dǎo)致絮體破裂，使其難以承受后續(xù)生長(zhǎng)階段[20]。因此，系統(tǒng)地闡明強(qiáng)混合區(qū)如何調(diào)節(jié)初級(jí)絮體的結(jié)構(gòu)及其后續(xù)演變對(duì)于揭示絮體生長(zhǎng)機(jī)制和合理設(shè)計(jì)MFR至關(guān)重要。
因此，本研究旨在探討在不同入口流速下強(qiáng)混合區(qū)對(duì)絮凝劑擴(kuò)散、初級(jí)絮體形成及其后續(xù)生長(zhǎng)行為的影響，并比較初級(jí)絮體和最終絮體的特征參數(shù)。首先，使用示蹤劑和脈沖響應(yīng)方法研究了強(qiáng)混合區(qū)中的絮凝劑擴(kuò)散情況。然后，分析了初級(jí)絮體的尺寸、形態(tài)、分形維數(shù)和流變行為，以評(píng)估不同能量輸入水平的影響。這些參數(shù)進(jìn)一步與相應(yīng)水力條件下生成的最終絮體的參數(shù)進(jìn)行了比較。結(jié)合Zeta電位和SEM結(jié)果，闡明了初級(jí)絮體性質(zhì)與最終絮體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。基于這些結(jié)果，揭示了MFR中強(qiáng)混合區(qū)在絮體生長(zhǎng)中的作用機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)為理解多級(jí)反應(yīng)器中的絮體生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)提供了理論見(jiàn)解，并為先進(jìn)絮凝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。
MFR的結(jié)構(gòu)
MFR的結(jié)構(gòu)如圖1a所示。廢水和試劑通過(guò)反應(yīng)器底部的兩個(gè)入口管道進(jìn)入強(qiáng)混合區(qū)（下圓柱部分）。充分混合后，流體進(jìn)入中等混合區(qū)（多錐部分）。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步反應(yīng)后，流體進(jìn)入弱混合區(qū)（上圓柱部分）。最后，處理后的出水從反應(yīng)器頂部流出。
使用示蹤劑方法研究絮凝劑擴(kuò)散
示蹤劑方法結(jié)合了高速攝像系統(tǒng)
絮凝劑擴(kuò)散過(guò)程
在絮凝反應(yīng)中，絮凝劑的擴(kuò)散是其向水中膠體顆粒遷移及其效果的關(guān)鍵。這一過(guò)程主要發(fā)生在絮凝的初始階段。因此，本研究研究了MFR強(qiáng)混合區(qū)中絮凝劑的擴(kuò)散行為。如圖2所示，在強(qiáng)混合區(qū)，絮凝劑能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻擴(kuò)散，其擴(kuò)散路徑與流體一致
結(jié)論
為了闡明MFR中強(qiáng)混合區(qū)的機(jī)制，本研究探討了其對(duì)絮凝劑擴(kuò)散、初級(jí)絮體形成及其后續(xù)生長(zhǎng)過(guò)程的影響。結(jié)果表明，絮凝劑擴(kuò)散速率主要受入口流速的控制。當(dāng)流速?gòu)?.29 m/s增加到0.49 m/s時(shí)，達(dá)到均勻混合所需的時(shí)間從1.133 s縮短至0.380 s。這種混合時(shí)間的減少促進(jìn)了絮凝劑與顆粒之間的充分接觸
Lulu Xu：撰寫——原始草稿，數(shù)據(jù)整理。Xing Liang：撰寫——審閱與編輯，撰寫——原始草稿。Can Cui：可視化，實(shí)驗(yàn)研究。Congcong Li：撰寫——審閱與編輯。Yajie Qin：撰寫——審閱與編輯。Wenfang Zhang：撰寫——審閱與編輯。Xiaobing Li：監(jiān)督，項(xiàng)目管理，資金獲取。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒(méi)有已知的競(jìng)爭(zhēng)性財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
致謝
作者感謝國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)52574334）的支持。
