非离子聚丙烯酰胺(NPAM)对絮凝体沉降特性的影响研究

摘要

非离子聚丙烯酰胺(Nonionic Polyacrylamide,简称NPAM)是污水处理和工业废水处理中常用的化工原料,其凭借无毒、环保、成本低、效率高的优势而得以在水处理中被广泛应用.NPAM的作用是促进废水中悬浮颗粒或污染物的沉降分离,提高水处理的效率. NPAM絮凝沉降的过程是絮凝-分裂-再絮凝-再分裂的持续发展的动态非线性过程.在此过程中,当絮凝剂剂量、絮凝体沉速等因素计算不合理时,容易导致沉淀池设计不合理,水处理效率低下等系列问题.为此,科学、合理的量化絮凝体的沉降过程成为废水处理过程中亟待研究和解决的重要课题.本文围绕上述问题开展研究,针对目前研究中存在的一些不足之处,以科学、合理的量化絮凝体的沉降过程为目标,采用河流动力学和计算流体动力学相关的方法,主要进行了以下三方面的研究:基于絮凝机理,量化分析絮凝体的沉速;基于湍流耗散率的影响,建立絮凝体(团)沉速模型,定量分析絮凝沉降过程中湍流效应的影响;基于群体平衡模型(PBM),构建絮凝体沉降计算模型.该研究对于絮凝机理深化研究具有重要的理论意义,对于沉淀池合理设计、提高废水处理效率具有重要的实用价值.主要的研究工作和成果如下: (1)以NPAM絮凝体的沉降试验和显微观测试验为基础,探索了絮凝体沉速的规律和论证了NPAM的絮凝机理.在絮凝体沉降过程中,存在一个NPAM絮凝剂的最佳浓度使固液分离效率最高;沙土所成絮凝体的二维分形维数在1.044至1.415之间;絮凝体的颗粒间通过点与边或边与边的搭接,形成絮凝体团簇即絮凝团;絮凝体电镜图像有效论证了NPAM吸附桥联的絮凝机理. (2)基于NPAM吸附桥联的絮凝机理推求了絮凝体的沉速公式.经实测数据验证,该絮凝体沉速公式计算结果和实测结果吻合较好,变化规律一致.与从力学角度推求的沉速公式相比,该式从NPAM吸附桥联的絮凝机理出发,综合考虑了NPAM絮凝剂浓度和絮凝体的形态特征,更贴近于实际水处理过程中NPAM的作用过程. (3)基于湍流耗散率ε建立了考虑湍流剪切效应的NPAM絮凝体(团)沉速模型.该模型综合反映了湍流剪切特征值、湍流耗散率、絮凝体(团)尺度和Kolmogorov尺度等各种相关关系.经验证,模型计算结果与模拟计算结果吻合良好,与絮凝沉降试验现象描述一致.与传统单一的湍流剪切率相比,该模型既考虑了絮凝过程中湍流剪切效应的影响,又反映了絮凝体(团)粒径尺度与湍流漩涡尺度的关系,更准确描述了絮凝和湍流漩涡的关系. (4)基于群体平衡模型(PBM),构建了NPAM絮凝沉降计算模型.NPAM作用下絮凝体的沉降是一个涉及湍流场、多相流场和絮凝分裂的动态过程.通过PBM和计算流体动力学模型的相互耦合建模实现了NPAM絮凝沉降过程的计算模拟.与DLCA或RLCA模型需要人为指定吸附间距和预先给定预期结果的方法相比,群体平衡模型计算条件由计算流体动力学模型计算结果而来,外在干涉因素少,理论更完善.同时,絮凝沉降计算模拟结果更形象,直观的反映了絮凝体沉降过程中的絮凝分裂现象. (5)结合极点对称模态分解方法认识了絮凝体沉降的三个阶段及其特征.第一个阶段主要是颗粒的沉降过程(0-15s);第二个阶段主要是絮凝体的沉降过程(15-24s);第三个阶段主要是絮凝团的沉降过程(24-30s).不同阶段转换时均伴随有频率振荡现象,该过程是絮凝体(团)沉速、湍动能、湍流耗散率等实现动态平衡的过程.

目录

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第一章 绪 论

1.1 研究背景、目的和意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 絮凝剂在废水处理中的应用

1.2.2絮凝体微观结构探索

1.2.3 絮凝体沉速公式

1.2.4 絮凝体沉降计算模拟

1.2.5 随机数据处理的方法

1.2.6 湍流剪切对絮凝沉降的影响

1.2.7 存在的问题与不足

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4.1 研究方法

1.4.2 技术路线

第二章 材料与方法

2.1 聚丙烯酰胺（PAM）简介

2.2 NPAM絮凝沉降试验

2.2.1 试验设计

2.2.2 试验材料及仪器

2.2.3 试验工况及过程

2.3.1 分形维数基本方法

2.3.2 絮凝体分形维数计算方法

第三章 絮凝体形态特征及絮凝机理论证

3.1.1 絮凝体形态结构

3.1.2 絮凝体分形维数

3.2 絮凝体能谱分析

3.3 NPAM絮凝机理论证

3.4 本章小结

第四章 絮凝体沉速公式及絮凝体（团）沉速模型

4.1 Stokes定律

4.2 絮凝体沉速

4.2.1 絮凝体分形维数与沉速的关系

4.2.2 絮凝体沉速与初始颗粒沉速的关系

4.2.3 絮凝体实验沉速规律

4.2.4 试验中 λ1、λ2和 λ3系数的确定

4.2.5 絮凝体沉速公式的推求

4.2.6 絮凝体沉速公式的验证

4.3 絮凝体（团）沉速模型

4.3.1 湍流剪切效应

4.3.2 模型建立思路

4.3.3 湍流效应表达

4.3.4 絮凝体特性的影响

4.3.5 沉速模型建立

4.4 本章小结

第五章 群体平衡模型理论

5.1 PBM概述

5.2 絮凝沉降计算模型

5.2.1计算流体动力学模型

5.2.2群体平衡模型

5.2.3群体平衡模型离散方法

5.3 本章小结

第六章 絮凝沉降模型计算及频谱分析

6.1 算例建模

6.2 计算结果

6.2.1 絮凝沉降过程模拟

6.2.2 絮凝体各粒径组时变情况

6.2.3 絮凝沉降过程中流体动力学信息

6.2.4 沉速模型计算

6.3 絮凝沉降过程频谱分析

6.3.1 ESMD方法概述

6.3.2 希尔伯特-黄变换方法

6.3.3 ESMD方法

6.3.4 模态分解

6.3.5 时-频分析

6.3.6 能量分析

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 主要创新点

7.3 展望

参考文献

附录：絮凝体的显微观测图像

致谢

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