在给水与废水处理系统中,混凝工艺是运用最普遍的关键环节之一,混凝效果的好坏直接影响到后续单元过程的运行工况、处理费用及最终出水水质。长期以来,众多学者对水处理混凝作用机理及其工艺过程进行了大量深入的研究,混凝基础理论及其技术领域随之也得到了迅速发展。分形理论作为非线性数学研究中十分活跃的一个分支,近年来已经逐步应用到水处理混凝基础理论与工程控制领域。分形理论的研究对象是自然界和非线性系统中出现的不光滑和不规则的几何形体。混凝过程中所形成的絮凝体的性质(如絮凝体等效粒径、密度、空隙率、絮凝体强度、沉降速度等)直接影响到混凝效果的好坏。由于絮凝体表面和内部具有高度不规则性,以及自相似性和标度不变性,这表明絮凝体的结构及形成过程具有较典型的分形特征。分维数是分形聚集体的基本特征参数,它也可以作为一个全新的混凝剂选型、投药量控制、混凝能耗分配等优化的参数,在混凝技术研究与控制中发挥重要的作用。本研究设计了能够进行水处理混凝沉降实验、对絮凝体进行实时动态观测和测定的试验装置,并对高岭土配制的较低、中、较高浊度原水进行了相应的试验研究。通过混凝正交试验得出混凝最佳工况;运用影像分析法求出了在不同混凝工况下所形成混凝絮凝体的分维数和沉降速度,并分析了相应地变化趋势;总结前人对絮凝体物理结构特征的关系后,得出了适合本混凝试验的絮凝体密度与孔隙率公式;通过描绘(D3、m、e)理论关系的三维曲面图形,发现絮凝体的三维分维数D3随其孔隙率e的增大而减小,随絮凝体的构成颗粒个数m的增大而增大的规律,这一规律与试验测定的结果一致。采用模拟法探索了絮凝体的密度与等效粒径的关系,发现在混凝初期(开始180秒),它们的相关性不好,而在集团-集团聚集阶段(混凝后期)才有较高的相关性。本试验研究取得的新进展还有:(1)在絮凝体取样方面,前人主要是通过导流管对絮凝体取样,这样会导致絮凝体样本的破碎、重叠,本试验设计的装置克服以上不足,可以方便的对单个絮凝体进行实时动态观测。(2)在絮凝体沉降速度测定方面,前人是将絮凝体转移至沉降量筒中进行测定,本试验通过转子流量计的流量读数进行推算。这样,一方面可以避免絮凝体在转移过程中的破损,另一方面测定絮凝体沉速的方法比较方便和较准确。(3)与前人对单一浊度原水的试验相比,本研究对高岭土配制的较低、中、较高浊度原水进行了试验,所得出的混凝研究成果更加具有代表性和实际指导意义。