人工回灌条件下病毒在饱和多孔介质中的迁移规律研究

发布时间：2017-05-19 23:11

  本文关键词：人工回灌条件下病毒在饱和多孔介质中的迁移规律研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：修建地下水库,利用人工回灌的方法储存汛期多余水量,是缓解日益严峻的水资源供需矛盾的重要措施。然而,在回灌过程中,由于病毒污染而引起的水质安全风险严重制约着这一技术的发展和普及。在天然水体中存在的病原微生物当中,病毒是威胁最大的一类。由于病毒具有更小的体积,其在孔隙介质中往往能迁移至距排放源更远的含水层中,对地下水的污染概率和对人类健康产生的威胁远大于细菌和原生动物。本次研究选择大肠杆菌噬菌体作为地下水中指示性病毒,研究在人工回灌条件下大肠杆菌噬菌体在不同水动力条件及不同水化学条件下的迁移过程,以期为指导回灌工作提供基础数据,为保障地下水环境安全提供必要的理论依据和技术支持。结合地下水人工回灌特点以往研究成果,本次选择地下水中p H(酸性/中性/碱性)、离子强度(IS=0.01M、0.05M)、离子种类(Ca2+/Na+/磷酸盐缓冲液)、天然胶体、介质类型(玻璃珠/细沙介质)及水动力条件(0.17ml/min、0.34ml/min)等作为主要影响因子,探讨了大肠杆菌噬菌体在含水介质中的沉积、释放等环境行为特征。以室内实验数据为支撑,采用COMSOL Multiphysics软件,通过建立大肠杆菌噬菌体在地下水中的对流、弥散、沉积、释放等耦合迁移模型,对大肠杆菌噬菌体(病毒胶体)在饱和多孔介质中的迁移过程进行了量化表达,获得了表征大肠杆菌噬菌体在迁移过程中的重要参数(单收集器吸附效率、沉积速率常数等),为后续模拟预测地下水中病毒的迁移过程提供了必要的参数支持。实验结果显示:1、水化学、水动力条件对病毒迁移的影响:地下水中H+的增加,会使病毒胶体的DLVO势垒降低,从而增加病毒胶体的吸附;磷酸盐缓冲液浓度的稀释会影响病毒悬浮液的稳定性,不有利于病毒胶体迁移的;不论Na+还是Ca2+,提高离子强度,均会形成不利于病毒胶体迁移的条件。特别是在高离子强度条件下,较高的Ca2+浓度会促使病毒胶体的吸附变为有利条件下的吸附。离子强度的改变对胶体的吸附和解吸行为影响更大。同时,二价离子对病毒胶体的影响大于一价离子。地下水中有天然胶体存在时,能够明显改善病毒悬浮液的稳定性,有效促进病毒胶体的迁移良好的水动力条件,能够提高病毒胶体的穿透率,提高病毒的释放量,同时,减少了病毒在含水介质中的滞留。流速增大,病毒颗粒所受的转动力矩增大,使病毒颗粒不易于吸附,而更易于释放。在低流速条件下,病毒颗粒在介质中长时间停留,病毒颗粒与介质颗粒的碰撞数量增大,增加了病毒的吸附量。2.含水介质对病毒迁移的影响同玻璃珠介质相比,石英砂十分不规则,会形成病毒胶体不能通过的小孔隙,病毒胶体只穿过能够通过的大孔隙,迁移路径变短,穿过介质的时间变短,迁移速度变快。在相同的达西流速条件下,孔隙度略小的石英砂介质中孔隙流速更大,病毒胶体在石英砂介质中迁移所受的剪切力更大,导致虽然石英砂的表面电势更低,但在石英砂和玻璃珠中病毒胶体的吸附量相近。同时,石英砂和石英砂表面的突起超过纳米级,这对病毒胶体的吸附并不能产生决定性影响,这也是在两种介质中病毒胶体的吸附量相近的原因之一。但受较低势垒的影响,在石英砂中,吸附于初级势阱中的病毒胶体数量较多,造成在释放阶,病毒胶体的回收率远低于在玻璃珠中。数值模拟结果显示:1.地下水中二价离子Ca2+对病毒胶体沉积速率常数的影响最大。数值模拟求得的沉积速率常数显示,在高流速条件下,病毒胶体的沉积速率常数高于低流速条件下。同时,水流速度的增加使病毒胶体所受的剪切力增加,病毒胶体会随水流滚动甚至脱离吸附,从而使病毒释放增多,从而促使高流速条件下病毒胶体的质量回收率极高。介质对沉积速率常数影响并不是很大,这和胶体过滤理论的假设条件相关。2.在病毒胶体吸附极大的条件下,计算取得的沉积速率常数与模拟结果相差较大,在高Ca2+浓度和低pH条件下的计算结果小于模拟结果4倍多,这在实际应用中应加以注意。
【关键词】：病毒 生物胶体 地下水 迁移规律 数值模拟
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P641.2;R123
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 选题依据11-13
• 1.2 国内外研究现状13-21
• 1.2.1 病毒迁移基础理论研究13-18
• 1.2.2 水源性病毒在含水层中的迁移研究18-21
• 1.3 研究内容、方法及技术路线21-24
• 1.3.1 研究目标与主要研究内容21-22
• 1.3.2 研究思路与技术路线22-24
• 第2章 回灌场地概况24-28
• 2.1 自然地理概况24
• 2.2 地质与水文地质条件24-26
• 2.2.1 地质条件24-26
• 2.2.2 水文地质条件26
• 2.3 回灌工程简介26-28
• 2.3.1 回灌暗渠简介26-27
• 2.3.2 回灌水水质27-28
• 第3章 病毒、天然胶体的获取及其理化性质28-46
• 3.1 病毒的培养与理化性质28-38
• 3.1.1 病毒的培养28
• 3.1.2 病毒的理化性质28-35
• 3.1.3 病毒样品的测试35-38
• 3.2 天然胶体的提取与理化性质38-46
• 3.2.1 天然胶体的提取39-42
• 3.2.2 天然胶体的理化性质42-45
• 3.2.3 天然胶体的定量表征45-46
• 第4章 病毒在饱和多孔介质中的迁移实验研究46-76
• 4.1 实验材料与方法46-56
• 4.1.1 实验仪器与试剂46-49
• 4.1.2 示踪实验49-50
• 4.1.3 病毒在含水介质中的穿透实验50-52
• 4.1.4 实验数据分析52-56
• 4.2 流速对病毒迁移的影响56-58
• 4.3 p H对病毒迁移的影响58-62
• 4.4 离子强度对病毒迁移的影响62-69
• 4.5 天然胶体对病毒迁移的影响69-73
• 4.6 含水介质对病毒迁移的影响73-76
• 第5章 病毒在饱和多孔介质中的迁移模拟研究76-89
• 5.1 数学模型76-77
• 5.2 参数计算77-82
• 5.2.1 弥散度及弥散系数77
• 5.2.2 胶体吸附系数77-80
• 5.2.3 参数计算结果80-82
• 5.3 模拟结果82
• 5.4 参数分析82-89
• 第6章 结论与建议89-93
• 6.1 结论89-92
• 6.2 建议92-93
• 参考文献93-98
• 作者简介98-99
• 致谢99

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本文编号：380183