西北寒区季节性浊度突变下的地表水絮凝特性试验研究

摘要

我国西北寒区海拔较高，全年平均气温低，地表水水源多来自于长距离输送的雪山融化水，水质呈现常年低温低浊、季节性浊度突变的特性，处理难度大，导致给水处理厂出水水质达标率下降，供水安全性、可靠性降低。以西北寒区典型的雪山融化水水源-西宁黑泉水库水为研究对象，通过计算机流体力学（CFD）软件和絮凝体形态研究手段，开展西北寒区季节性浊度突变的地表水絮凝特性、流场分析及絮凝体破碎再絮凝特性研究，探讨该水质条件下絮凝体形成、破碎及再絮凝的机理，建立絮凝体强度计算模型和破碎速率系数模型，以期解决西北寒区类似水体实际絮凝处理运行效果不佳的问题，为实现西宁乃至西北寒区以雪山融化水为水源的处理厂的供水安全提供理论和技术依据，保障给水厂处理效果，进而保障饮用水水质安全。
　　在原水水质特性分析基础上，运用CFD软件，分析网格絮凝池内部流场特性，结合流场分析和絮凝效能分析，构建原水水质条件下的网格絮凝池。结果表明，西北寒区地表水呈现常年低温低浊、季节性浊度突变、颗粒粒径小、pH值高、有机物浓度逐年升高的水质特点；随着流速、扰流构件横向尺寸的增大，絮凝池内流速分布更不均匀，湍动能、湍动能耗散率及絮凝体分形维数不断增大；增大涡旋尺寸和衰减距离会减弱网格絮凝池内紊流扰动，减小湍动能、湍动能耗散率及絮凝体分形维数；增大流速、涡旋尺寸、扰流构件横向尺寸及衰减距离，絮凝体粒径均先增大后减小，沉后水浊度和颗粒数先降低后升高；流速、涡旋尺寸、扰流构件横向尺寸、衰减距离与湍动能和湍动能耗散率之间呈现良好的幂函数关系。扰流构件纵向尺寸对流场特性及絮凝体成长的影响非常小。最适合于试验原水絮凝处理的网格絮凝池构建基本参数为：流速0.10 m/s、涡旋尺寸40～60 mm、扰流构件横向尺寸10～15 mm、扰流构件纵向尺寸1 mm、衰减距离350～500 mm。
　　基于构建的网格絮凝池，依托中试，利用絮凝体形态研究手段，分析不同药剂处理西北寒区低温低浊水时形成的絮凝体形态及沉降性能的变化规律，探讨不同药剂处理试验原水时的絮凝机理，考察水量变化、浊度突变对絮凝体形态和沉降性能的影响。结果表明，低温低浊条件下，絮凝体分形维数随絮凝时间的增加先减小、后增大、最后趋于稳定；提高混凝剂投加量会增多微絮凝体数量，增大絮凝体粒径、粒径成长速率及分形维数，降低沉后水浊度和有机物浓度；聚合氯化铝（PAC）形成的絮凝体的分形维数最大、沉降性能最优，沉后水浊度、耗氧量（OC）及总有机碳（TOC）分别低于0.5 NTU、1.9 mg/L及2.1 mg/L。投加阳离子聚丙烯酰胺（cPAM）可以明显改善PAC絮凝体的形态和沉降性能，聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDADMAC）在低投药量时助凝效果更佳；cPAM和PDADMAC的最佳投药量分别为1.0 mg/L、0.6 mg/L；絮凝体形态参数随助凝剂投加时间的增加先增大后减小，沉后水水质先好转后恶化，助凝剂最佳投加时间为絮凝开始后2 min；随着处理水量的增大，絮凝体粒径先增大后减小、分形维数不断升高，沉后水水质先好转后恶化；原水浊度突变时，混凝剂的最佳投药量先降低后升高，絮凝体粒径增大；原水浊度过大时，絮凝体会发生影响水质的破碎，絮凝体粒径减小，微小颗粒含量增多。
　　通过小试和中试试验，分别以单独使用PAC、PAC与cPAM联用形成的絮凝体为研究对象，研究原水浊度突变下絮凝体破碎再絮凝特性，建立基于絮凝体破碎的絮凝体强度计算模型和絮凝过程破碎速率系数模型。结果表明，低投药量下PAC形成的絮凝体的破碎过程完全可逆，高PAC投药量、PAC与cPAM联用时形成的絮凝体的破碎过程不可逆；破碎强度、破碎时间的增加会导致破碎再絮凝后的絮凝体粒径减小、沉后水浊度和颗粒数升高；破碎絮凝体再絮凝后的粒径随再絮凝强度的增加先增大后减小，补投PAC可以明显改善破碎后絮凝体的形态，提高沉后水水质；絮凝体强度是絮凝体粒径和分形维数的函数，流体的紊流破碎力与絮凝体粒径的四次方和平均速度梯度的平方成正比，絮凝体强度顺序为PAC>PAFC>PFS>AS，投加助凝剂可以明显提高低温低浊水形成的絮凝体的强度；破碎速率系数与剪切强度及絮凝体的分形维数有关。
　　通过研究，分析了西北寒区地表水水质特性，构建了原水水质条件下的网格絮凝池，提出了西北寒区季节性浊度突变地表水絮凝处理方法，揭示了西北寒区季节性浊度突变地表水的沉降特性，建立了絮凝体强度计算模型和破碎速率系数模型。研究成果不仅可以进一步完善季节性浊度突变地表水絮凝处理理论，而且可以有效解决西北寒区类似水体实际絮凝处理工艺设计、运行缺陷，提高出水水质，从而保障西北寒区的饮用水安全，进而加快西北寒区经济发展。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外相关领域研究现状

1.3 课题研究的主要内容

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验装置

2.3 试验主要仪器设备

2.4 试验方法

2.5 分析方法

第3章 原水条件下的网格絮凝池的流场分析及构建

3.1 引言

3.2 原水水质特性分析

3.3 流速对流场特性及絮凝体成长的影响

3.4 扰流构件对流场特性及絮凝体成长的影响

3.5 衰减距离对流场特性及絮凝体成长的影响

3.6 本章小结

第4章 低温低浊及浊度突变原水的絮凝特性研究

4.1 引言

4.2 混凝剂对絮凝体成长的影响

4.3 助凝剂对絮凝体形态的影响

4.4 水量变化对絮凝体成长的影响

4.5 浊度突变对絮凝体形态的影响

4.6 本章小结

第5章 原水浊度突变下絮凝体破碎再絮凝特性研究

5.1 引言

5.2 药剂及絮凝时间对絮凝体破碎再絮凝的影响

5.3 破碎强度及破碎时间对絮凝体破碎再絮凝的影响

5.4 再絮凝强度与补投药剂对破碎絮凝体再絮凝的影响

5.5 浊度突变下破碎絮凝体再絮凝能力的改善研究

5.6 絮凝体强度计算模型及破碎速率系数模型研究

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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