【摘要】：我國西北寒區(qū)海拔較高,全年平均氣溫低,地表水水源多來自于長距離輸送的雪山融化水,水質(zhì)呈現(xiàn)常年低溫低濁、季節(jié)性濁度突變的特性,處理難度大,導(dǎo)致給水處理廠出水水質(zhì)達標率下降,供水安全性、可靠性降低。以西北寒區(qū)典型的雪山融化水水源-西寧黑泉水庫水為研究對象,通過計算機流體力學(xué)(CFD)軟件和絮凝體形態(tài)研究手段,開展西北寒區(qū)季節(jié)性濁度突變的地表水絮凝特性、流場分析及絮凝體破碎再絮凝特性研究,探討該水質(zhì)條件下絮凝體形成、破碎及再絮凝的機理,建立絮凝體強度計算模型和破碎速率系數(shù)模型,以期解決西北寒區(qū)類似水體實際絮凝處理運行效果不佳的問題,為實現(xiàn)西寧乃至西北寒區(qū)以雪山融化水為水源的處理廠的供水安全提供理論和技術(shù)依據(jù),保障給水廠處理效果,進而保障飲用水水質(zhì)安全。在原水水質(zhì)特性分析基礎(chǔ)上,運用CFD軟件,分析網(wǎng)格絮凝池內(nèi)部流場特性,結(jié)合流場分析和絮凝效能分析,構(gòu)建原水水質(zhì)條件下的網(wǎng)格絮凝池。結(jié)果表明,西北寒區(qū)地表水呈現(xiàn)常年低溫低濁、季節(jié)性濁度突變、顆粒粒徑小、p H值高、有機物濃度逐年升高的水質(zhì)特點;隨著流速、擾流構(gòu)件橫向尺寸的增大,絮凝池內(nèi)流速分布更不均勻,湍動能、湍動能耗散率及絮凝體分形維數(shù)不斷增大;增大渦旋尺寸和衰減距離會減弱網(wǎng)格絮凝池內(nèi)紊流擾動,減小湍動能、湍動能耗散率及絮凝體分形維數(shù);增大流速、渦旋尺寸、擾流構(gòu)件橫向尺寸及衰減距離,絮凝體粒徑均先增大后減小,沉后水濁度和顆粒數(shù)先降低后升高;流速、渦旋尺寸、擾流構(gòu)件橫向尺寸、衰減距離與湍動能和湍動能耗散率之間呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)關(guān)系。擾流構(gòu)件縱向尺寸對流場特性及絮凝體成長的影響非常小。最適合于試驗原水絮凝處理的網(wǎng)格絮凝池構(gòu)建基本參數(shù)為:流速0.10 m/s、渦旋尺寸40~60 mm、擾流構(gòu)件橫向尺寸10~15 mm、擾流構(gòu)件縱向尺寸1 mm、衰減距離350~500 mm。基于構(gòu)建的網(wǎng)格絮凝池,依托中試,利用絮凝體形態(tài)研究手段,分析不同藥劑處理西北寒區(qū)低溫低濁水時形成的絮凝體形態(tài)及沉降性能的變化規(guī)律,探討不同藥劑處理試驗原水時的絮凝機理,考察水量變化、濁度突變對絮凝體形態(tài)和沉降性能的影響。結(jié)果表明,低溫低濁條件下,絮凝體分形維數(shù)隨絮凝時間的增加先減小、后增大、最后趨于穩(wěn)定;提高混凝劑投加量會增多微絮凝體數(shù)量,增大絮凝體粒徑、粒徑成長速率及分形維數(shù),降低沉后水濁度和有機物濃度;聚合氯化鋁(PAC)形成的絮凝體的分形維數(shù)最大、沉降性能最優(yōu),沉后水濁度、耗氧量(OC)及總有機碳(TOC)分別低于0.5 NTU、1.9 mg/L及2.1 mg/L。投加陽離子聚丙烯酰胺(c PAM)可以明顯改善PAC絮凝體的形態(tài)和沉降性能,聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDADMAC)在低投藥量時助凝效果更佳;c PAM和PDADMAC的最佳投藥量分別為1.0 mg/L、0.6 mg/L;絮凝體形態(tài)參數(shù)隨助凝劑投加時間的增加先增大后減小,沉后水水質(zhì)先好轉(zhuǎn)后惡化,助凝劑最佳投加時間為絮凝開始后2 min;隨著處理水量的增大,絮凝體粒徑先增大后減小、分形維數(shù)不斷升高,沉后水水質(zhì)先好轉(zhuǎn)后惡化;原水濁度突變時,混凝劑的最佳投藥量先降低后升高,絮凝體粒徑增大;原水濁度過大時,絮凝體會發(fā)生影響水質(zhì)的破碎,絮凝體粒徑減小,微小顆粒含量增多。通過小試和中試試驗,分別以單獨使用PAC、PAC與c PAM聯(lián)用形成的絮凝體為研究對象,研究原水濁度突變下絮凝體破碎再絮凝特性,建立基于絮凝體破碎的絮凝體強度計算模型和絮凝過程破碎速率系數(shù)模型。結(jié)果表明,低投藥量下PAC形成的絮凝體的破碎過程完全可逆,高PAC投藥量、PAC與c PAM聯(lián)用時形成的絮凝體的破碎過程不可逆;破碎強度、破碎時間的增加會導(dǎo)致破碎再絮凝后的絮凝體粒徑減小、沉后水濁度和顆粒數(shù)升高;破碎絮凝體再絮凝后的粒徑隨再絮凝強度的增加先增大后減小,補投PAC可以明顯改善破碎后絮凝體的形態(tài),提高沉后水水質(zhì);絮凝體強度是絮凝體粒徑和分形維數(shù)的函數(shù),流體的紊流破碎力與絮凝體粒徑的四次方和平均速度梯度的平方成正比,絮凝體強度順序為PACPAFCPFSAS,投加助凝劑可以明顯提高低溫低濁水形成的絮凝體的強度;破碎速率系數(shù)與剪切強度及絮凝體的分形維數(shù)有關(guān)。通過研究,分析了西北寒區(qū)地表水水質(zhì)特性,構(gòu)建了原水水質(zhì)條件下的網(wǎng)格絮凝池,提出了西北寒區(qū)季節(jié)性濁度突變地表水絮凝處理方法,揭示了西北寒區(qū)季節(jié)性濁度突變地表水的沉降特性,建立了絮凝體強度計算模型和破碎速率系數(shù)模型。研究成果不僅可以進一步完善季節(jié)性濁度突變地表水絮凝處理理論,而且可以有效解決西北寒區(qū)類似水體實際絮凝處理工藝設(shè)計、運行缺陷,提高出水水質(zhì),從而保障西北寒區(qū)的飲用水安全,進而加快西北寒區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU991.22

【參考文獻】

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1 王曉昌,曹，

本文編號：2265718