疏浚底泥绞吸过程中的防扩散机理和模型研究

摘要

在疏浚工程中，由于机械扰动，底泥迅速向水体中扩散，使得底泥颗粒中的污染物在水体中释放，进而造成水体二次污染，影响该环境中的生物及微生物生态平衡。而解决该问题的关键在于如何在疏浚工程中减少或是抑制底泥的扩散，用以降低水体二次污染的程度。
　　本文针对疏浚过程中的底泥扩散致使的水体二次污染问题，依据疏浚底泥特性选用适用于疏浚底泥的环保型防扩散剂，并探讨防扩散剂的作用机理以及模型。以疏浚中的绞吸过程为研究对象，设计一套模拟绞吸装置，并通过模拟实验探究防扩散剂对底泥的防扩散效果的影响，并通过CFD模型预测了其流体的流动状况和底泥的扩散分布。研究结果如下:
　　(1)根据疏浚工程中的实际情况设计了一套包含绞吸系统、加药系统、监测系统为一体的绞吸装置，用来探究底泥的扩散性能。并对该装置进行稳定性测试，通过检测上覆水体的浊度随时间的变化，绞吸前后的SS、COD的变化，以及底泥的扩散范围等参数变化，表征了底泥的扩散现象。结果表明，绞吸装置能够有效模拟绞吸式疏浚过程，在绞刀转速为90 r/min、120 r/min和180 r/min下底泥的扩散具有相似的规律。
　　(2)通过改变模拟装置的绞刀转速、绞吸功率以及绞刀移动速度，探究了疏浚绞吸过程中的关键影响因素，并分析其上覆水体的在线浊度，绞吸前后的SS、COD，以及底泥的扩散范围，表征了底泥的防扩散效果及其扩散规律。结果表明，绞刀转速为关键影响因素，绞刀移动速度和泥浆泵的真空度为次要因素。
　　(3)针对疏浚底泥特性，选用聚硅酸铁(PSF)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)以及二者的复配试剂，通过分析底泥的扩散半径和扩散高度、上覆水体的浊度、底泥的颗粒粒径以及体系Zeta电位，探讨了在疏浚绞吸过程中的底泥防扩散效果。结果表明，采用防扩散剂的方法能减小底泥的扩散半径和扩散高度、减小上覆水体的浊度、增大底泥的颗粒粒径、增大Zeta电位，对底泥的扩散具有一定的防扩散效果。
　　(4)采用计算机流体动力学(CFD)模型对绞吸过程进行计算机模拟，结果表明，CFD模型可用来预测流体的流动状况和底泥的扩散分布。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 环保疏浚概述

1．1．1 疏浚及疏浚底泥定义

1．1．2 疏浚工程中存在的二次污染问题

1．1．3 国内外研究进展

1．2 防扩散剂概述

1．3 CFD模型概述

1．3．1 CFD模型在流体运动中的应用

1．3．2 CFD模型的建立

1．3．3 CFD湍流计算模型

1．4 研究目的和意义

1．5 研究内容和技术路线

2 疏浚底泥绞吸过程防扩散实验装置的设计

2．1 设计目的

2．2．1 工程实例

2．2．2 防扩散实验装置应具备的功能

2．2．3 实验装置设计思路

2．2．4 装置核算

2．2．5 实验装置参数及相关设备

2．3 实验操作方案

2．4．1 定点绞吸测试

2．4．2 移动绞吸测试

2．4．3 取样设置

2．5 本章小结

3 疏浚底泥绞吸过程模拟及其表征

3．1 实验表征方法

3．1．1 底泥基本理化性质表征

3．1．2 底泥扩散性能表征

3．2 定点绞吸实验模拟

3．2．1 绞吸过程

3．2．2 绞吸前后水质变化

3．3．1 绞吸过程

3．3．2 正交试验效应曲线分析

3．3．3 绞吸前后水质变化

3．4 本章小结

4 疏浚底泥绞吸过程中的底泥防扩散研究

4．1 防扩散剂对底泥沉降的影响

4．1．1 防扩散剂对底泥沉降速率的影响

4．1．2 防扩散剂对上清液的影响

4．2 防扩散剂对绞吸过程底泥扩散的影响

4．2．1 防扩散剂对上覆水体在线浊度变化的影响

4．2．2 防扩散剂对底泥扩散范围的影响

4．2．3 防扩散剂对上覆水体水质变化的影响

4．2．4 防扩散剂对底泥粒径分布的影响

4．2．5 防扩散剂对底泥SEM形貌的影响

4．2．6 防扩散剂对泥浆含水率变化的影响

4．3 防扩散剂的防扩散机理探究

4．4 本章小结

5 疏浚底泥绞吸过程CFD模拟

5．1 建立CFD模型

5．2．1 划分网格

5．2．2 边界条件设置

5．3 运算模型选择

5．4 模型校正和检验

5．5 流体速度分布

5．6 本章小结

6 结论

7 展望

参考文献

9 攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢