水体紊动对泥沙吸附解吸磷的影响研究

发布时间：2020-03-31 12:55

【摘要】：泥沙是污染物运动的主要载体，泥沙的悬扬、沉降及输送对污染物的迁移运动有着重要影响，这种影响主要表现为泥沙对污染物的吸附和解吸过程。只有合理地考虑泥沙对污染物的吸附解吸效应，才能正确模拟评价污染物运动的时空变化过程。基于此，本文以磷为代表性污染物，综合运用室内实验和数值模拟手段，针对紊动水体中泥沙吸附解吸磷的动态过程及基本特性进行了研究。为了较好的量化水体紊动及泥沙运动状态对泥沙吸附解吸磷的影响，本文首先采用振动格栅装置模拟沿垂向近似均匀分布的紊流，针对不同振动参数作用下的水流紊动特性、悬浮泥沙浓度及粒径组成进行了实验研究，并建立了垂向一维数学模型用于描述实验紊动水流条件和泥沙运动状态。测量结果表明，振动格栅装置可在一定范围内产生近似均匀紊流，悬浮泥沙浓度与格栅振动参数之间有着较好的相关关系，水体紊流结构及泥沙浓度的垂向分布可用数学模型进行较好的量化，可在此基础上进一步开展动水条件下泥沙吸附解吸污染物的相关研究。在恒温振荡器中开展了泥沙吸附-解吸磷的平衡实验和动力学实验，采用Langmuir吸附动力学方程针对实验数据进行了拟合，实验结果表明，Langmuir吸附动力学方程可合理描述泥沙吸附-解吸磷的动态过程和平衡状态，泥沙浓度、泥沙粒径对泥沙吸附解吸磷的动态过程和平衡状态有着不同程度的影响，泥沙浓度越低、粒径越小，单位质量泥沙吸附磷的能力相对越强。通过调整格栅紊流的振动参数模拟不同强度的紊动水体，，开展了泥沙吸附解吸磷的动态实验，吸附实验表明，紊动水体中磷的水相浓度同时受紊动扩散作用和泥沙吸附-解吸作用的影响，紊动强度越高，水体中泥沙含量越高，泥沙吸附磷的总量也就越多，达到平衡的时间越短，解吸实验的结果也有同样的规律。通过联合求解水流泥沙运动方程、污染物输移扩散方程和吸附动力学方程，分别建立了包含泥沙吸附-解吸效应的一维和三维多组分数学模型。数学模型的结果表明，波流作用下床面附近的高浓度含沙水体虽然较薄但能不断释放污染物至上部水体，使得污染物浓度增大。由于沉降速度不同，不同粒径泥沙在湖泊中的沉降距离不同，较细的泥沙吸附更多的污染物在湖泊中的输送距离较远，影响范围和影响程度较大，因此，在模拟泥沙吸附-解吸污染物的过程中应当采用多组分的泥沙数学模型才能有效的估计和量化其潜在影响。
【图文】：

示意图,模拟装置,示意图,格栅

近似均匀紊流模拟装置如图 2-1 所示，容器采用一个直径 30cm，高 100cm的有机玻璃筒，紊流发生装置由电机、传动装置、控制箱组成。电机振动频率为0Hz~10Hz，无级可调；传动结构振幅为 0～10cm，无级可调；格栅通过传动结构与电机相连并由电机驱动，在竖直水槽中沿垂直方向作往复运动，格栅开口处将形成射流，而格栅条上下方则形成尾流，射流与尾流相互作用生成近似各向同性的紊流[104]。

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20图 3-1 均匀紊流模拟装置为了量化振动格栅紊流中流场流态及紊动动能k 、紊动耗散率ε 和紊动扩散系数tν 等参数，分析紊动特性的垂向分布及其对泥沙运动的影响，本文采用Nortek 公司生产的声学多谱勒点式流速仪测量了实验装置不同位置的三维流速，实验参数如表 3-1 所示。表中0k 和0ε 采用文献[115]提出的方法进行计算，公式如下：2Re = fS ν(3-2)
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TV14;X143

【参考文献】