低雷诺数湍流控制方法及其在絮凝中的应用研究

发布时间：2020-09-28 07:00

　　絮凝作为水处理过程中去除杂质至关重要的环节,其效果的好坏直接影响到后续的沉淀及过滤部分,从而影响最终的出水水质。目前我国大部分水厂采用水力絮凝池,其具有结构简单,管理和维护方便的优点,但无法根据实际运行工况对水力条件进行调节,在应对突然性水污染事件、低温低浊度水源和夜间小负荷用水等方面仍存在一定缺陷;同时其无效能耗所占的比例较大,导致絮凝时间长,池容积大,基建费用高。因此本文提出一种既可强化絮凝,又可根据原水品质、用水负荷、药剂种类和加药量等运行状况及参数对絮凝过程进行灵活调节的絮凝池设备,通过在传统絮凝廊道内加装可调涡旋发生器装置,对水力条件进行干预,从而提高絮凝效率和最终的出水水质。本文通过大涡模拟的方法对可调涡旋发生器的尾流特性及其涡旋控制方法进行分析,探究涡旋尺度、强度、脱落频率和St数在不同阶段对絮凝体颗粒聚集成长的影响,同时将其应用于传统往复式絮凝池廊道中,通过PAC和高岭土进行絮凝试验,探究不同叶片形态下的絮凝效果和能耗利用率,并在不同温度、悬浮物浓度及流量下进行优化试验,具体内容如下:(1)从天然水中所含杂质及胶体结构进行分析,得出胶体颗粒能够在水中形成稳定分散体系的原因;进而从破坏其稳定性的角度对絮凝机理进行探究,总结出4种具有代表性的作用形式;同时阐述了胶体颗粒碰撞聚集的推动力,指出各种推动力的适用范围和作用效果;通过对絮凝体颗粒在涡旋运动下的受力情况进行研究,得出其动力学模型;最后探讨了絮凝过程的主要影响因素。(2)针对可调涡旋絮凝池中所用的叶片涡旋发生器,在不同叶片形态和雷诺数Re下进行大涡模拟的计算,探究涡旋尺度、强度、脱落频率以及St数在不同流速和叶片迎流角度下的变化规律,其中初始涡旋尺寸随叶片角度绝对值的增大而增大,而与流速无关;涡旋强度随角度绝对值的增大而增大,同时也随流速的增大而不断增加;涡旋脱落频率随角度绝对值的增大而减小,但随流速的增大而增大;St数与其他钝体绕流问题类似,其值可近似为常数;最后综合分析了各因素对絮凝过程中絮凝体颗粒的聚集成长和切碎作用。(3)通过弗劳德准则数Fr对传统往复式廊道絮凝池进行模型设计,并对絮凝指标G和Gt值进行验证,在此基础上于廊道内加装可调涡旋发生器,搭建可调涡旋絮凝池试验平台。试验前通过烧杯搅拌试验中浊度和zeta电位的变化情况确定絮凝剂的最佳投量比为22.5mg/L,并采用大涡模拟的方法对流经SK型混合器后絮凝剂与原水的混合均匀度进行验证。(4)改变絮凝池整体及部分廊道内涡旋发生器的角度,探究不同工况下的浊度去除效果和能耗利用情况,其中叶片涡旋发生器迎流角度为-45°时较为合适,而在相同能耗下,廊道内叶片角度沿流动方向不断减小,可以达到更好的絮凝效果。与此同时在不同温度、流量和悬浮物浓度下进行类似的试验,结果表明在低温低浊度水源以及小负荷用水时,叶片涡旋发生器的加入对絮凝效果的改善更为明显(与传统无叶片絮凝池相比),同时浊度去除效果随流量、原水浊度和温度的增加而增加,实现了对絮凝过程的优化控制。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU991.2
【部分图文】：

双电层结构,胶体稳定性,电位

图 2-1 胶体的双电层结构及电位中形成较为稳定的分散体系，其原因体颗粒在分子热运动的作用下做布朗越剧烈，由于质量小而受到的重力作定状态。同时分散介质的粘度越大，胶强。体颗粒在阻力作用下难以发生碰撞聚面ζ电位值的大小密切相关，其中Der能与吸引势能的角度阐述了胶体颗粒即经典的 DLVO 理论[47,48]。如图 2-2(

曲线,相互作用势能,胶粒,曲线

生双电层重叠时就会产生静电斥力，且 ζ 电粒之间除了静电斥力之外还存在着范德华引力势能 EA可表示为：xAEA12 r aker 常数，一般取 10-14-10-12；r 为胶粒半径斥势能可 ER表示为： kxrER ln1 exp 220 质的介电常数，φ0为胶体表面的总电位。均随着颗粒间距 x 的增大而减小，如图 2-2(b势能 EA与排斥势能 ER的代数和，两个相互势能 E[49]。当 oa<x<oc 时，胶粒间以排斥，称为排斥能峰。当 x>oc 时，总势能有相互法聚集。而要使 x<oa 则必须突破排斥能峰，因此水中的胶体可以长期稳定地分散存在

吸附电中和,机理,胶粒,双电层

杭州电子科技大学硕士学位论文理论的提出使絮凝机理的研究取得重大进展，在此基础上，诸多学者进和探讨，提出了吸附电中和、吸附架桥和网捕卷扫作用，定性地描述了用机理。缩双电层（DLVO）据 DLVO 理论，只有设法克服排斥能峰 Emax 才能使得胶粒进一步接近当在溶液中投加电解质时，其反离子的浓度增加，从而与胶粒颗粒所吸生置换或进入到吸附层中，使得胶粒带电荷数量减少，扩散层厚度被低，增强了胶粒间的吸附力而得以快速聚集（如图 2-3 所示）。实验表质离子压缩双电层的能力是有差异的，其对胶体稳定性破坏的能力随离增强[50]，在相同的工况下，要达到同样的压缩双电层的效果，一价离子5-150mmol/L，二价为 0.5-2mmol/L，三价仅需 0.01-0.1mmol/L，而多核络电层的压缩效果更好。

【参考文献】