絮凝过程絮体粒度分布特征及流场仿真研究

论文摘要

在水处理工程中,絮凝是最基本、最重要的环节之一,它直接影响着后续流程的运行工况、处理费用和最终出水水质。长期以来,众多研究者对水处理絮凝作用机理及其工艺过程进行了大量深入的研究,使之得到了迅速发展。从本质上讲,絮凝工艺是专门用以改变悬浊液中颗粒粒度分布的,沉淀和过滤工艺也只能去除某些具有一定粒径的颗粒。絮凝过程中悬浮颗粒的相互碰撞、凝聚、破碎以及再凝聚具有很大的随机性,必然导致絮体粒度分布的无序性;浊度与颗粒计数的检测原理不同,使得不同粒径范围的颗粒数对浊度的影响力不同。因此,对絮体粒度动态分布规律的研究显得尤为重要,但是目前这方面的报道却较少。本课题以聚合氯化铝(PAC)为絮凝剂、水中高岭土悬浮颗粒为去除对象,采用浊度仪、颗粒计数仪等在线仪器对絮凝过程进行实时监测和数据记录,对絮体粒度动态分布规律进行了试验研究。研究结果表明,絮体粒度分布具有分形特征,粒度分形维数与剩余浊度具有相似的变化趋势,同样能够很好地反映絮凝效果。试验还发现,不同粒径范围的颗粒对浊度的影响程度不同。文中首次尝试采用通道指标权重对其进行定量描述,并对该指标的有效性进行了试验验证。通道指标权重的提出,对强化混凝、沉淀工艺以及指导絮凝剂优选等方面,具有重要的工程与科研意义。同时对反应器内三维流场进行了仿真计算,用计算结果来分析、解释试验现象,进而研究不同絮凝条件下水流状态对絮凝过程絮体粒度分布特征及絮凝效果的影响。结果表明,适宜的搅拌条件及反应设备的形状,能够有效地改善反应器内水流的紊动效果,大幅度地增加絮体颗粒的碰撞次数,促进絮凝反应的进行。另外,絮凝过程中还需要有效地控制涡旋剪切力,减小其对絮体的破坏,尤其是在反应后期絮体粒径较大时更应注意。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 混凝理论
• 1.2.1 胶体性质
• 1.2.2 絮凝控制指标
• 1.2.3 絮凝过程絮体成长模型
• 1.2.4 絮凝理论的研究现状及发展趋势
• 1.3 流场的仿真技术
• 1.3.1 CFD简介
• 1.3.2 CFD通用软件
• 1.3.3 CFD在水处理研究中的应用现状及发展趋势
• 1.4 研究目的、意义及内容
• 1.4.1 研究目的与意义
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 课题来源
• 第2章 研究方法及主要检测技术
• 2.1 试验方法及流程
• 2.1.1 试验方法
• 2.1.2 试验流程
• 2.2 试验设备与材料
• 2.2.1 试验设备及主要技术参数
• 2.2.2 试验材料
• 2.3 试验中应用的检测技术
• 2.3.1 流动电流检测技术
• 2.3.2 浊度检测技术
• 2.3.3 颗粒计数检测技术
• 2.4 试验条件的优化
• 2.4.1 絮凝剂合理投加量的确定
• 2.4.2 试验搅拌条件的优化
• 2.4.3 搅拌桨入水深度的确定
• 2.4.4 颗粒计数仪各粒径段的设置
• 2.5 动态絮凝效果评价指标研究
• 2.5.1 絮凝过程中流动电流的变化
• 2.5.2 絮凝过程中剩余浊度及颗粒总数的变化
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于分形理论的絮体粒度分布规律研究
• 3.1 分形理论
• 3.1.1 分形理论概述
• 3.1.2 分形理论在絮凝研究中的应用
• 3.2 絮体粒度分布的分形特征
• 3.3 粒度分形维数评价絮凝效果的可行性分析
• 3.3.1 投药量对粒度分形维数的影响
• 3.3.2 慢搅速度对粒度分形维数的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 絮体粒度分布特征对絮凝效果影响力研究
• 4.1 絮凝过程中絮体粒度分布的动态变化
• 4.2 絮凝效果影响力评价的数学模型
• 4.2.1 数学模型的建立
• 4.2.2 模型的工程意义
• 4.3 改变絮凝条件时的影响力分析
• 4.3.1 变化投药量时的通道指标权重
• 4.3.2 变化慢搅速度时的通道指标权重
• 4.3.3 变化搅拌桨入水深度时的通道指标权重
• 4.4 本章小结
• 第5章 絮凝动态过程的流场仿真
• 5.1 计算的流体力学模型
• 5.1.1 絮凝反应设备中的水流特征
• 5.1.2 三维紊流模型的选择
• 5.1.3 反应器桨叶区处理方法的选择
• 5.1.4 流场紊动程度的表征
• 5.2 反应器内三维流场的仿真计算
• 5.2.1 反应器的结构及网格划分
• 5.2.2 仿真求解过程
• 5.3 反应器内流场计算结果的后处理及分析
• 5.3.1 慢搅速度对水流结构的影响
• 5.3.2 搅拌桨入水深度对水流结构的影响
• 5.3.3 搅拌桨叶安装角度对水流结构的影响
• 5.3.4 反应器形状对水流结构的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢