网格絮凝过程絮体原位监测实验研究

作     者：朱学治 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：毛玉红;华海洁

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：网格絮凝 絮体形态 原位观测 分形维数 粒径分布 

摘      要：网格絮凝池絮凝效果与水力条件密切相关,对网格絮凝池在不同运行工况下进行絮凝实验,对絮凝过程中絮体沉降性能、浊度去除率进行对比分析;同时对絮凝反应进程路径上各位置处的絮体进行原位监测,采集并分析絮体图像信息;结合分形维数、平均粒径等指标,研究不同运行工况对网格絮凝池内部絮凝进程路径上絮体生长过程的影响,并对絮体特征参数与浊度等水质指标之间的相关性进行分析,得到如下结论:1.随着过栅流速变大,除了15×15mm网格板,其余网格板出水浊度去除率随过栅流速增大而增大,絮体沉降速度也变快。相同流速下,网孔尺寸为8×8 mm时浊度去除率最高;网孔尺寸小于8 mm时絮体沉降速更快。网孔尺寸大于10 mm时需要更大的过栅流速,才能与网孔尺寸小于8 mm时各工况的浊度去除率相同。2.随着过栅流速变大,絮凝反应路径前段的絮体均以小颗粒为主,随水流继续反应明显有大颗粒絮体生成,其最大絮体的粒径随流速增大而逐渐减小。相同过栅流速下,网孔尺寸4、6、8 mm各工况下,随着网孔尺寸变大中后段各位置大粒径絮体数量增多,网孔尺寸10、12、15 mm,细碎小颗粒的数量又开始逐渐增多。过栅流速大于0.036 m/s,且在网孔尺寸小于8 mm后,各工况下生成絮体粒径接近,均在0.5 mm左右。3.不同过栅流速、网格板各工况下分形维数、平均粒径的变化:(1)相同网格板若流速从小到大、相同流速若网格板网孔从小到大工况下,沿絮凝反应进程路径不同位置平均粒径及分形维数变化趋势都是先逐渐变大再稳定下来。(2)相同网格板条件下,过栅流速介于0.023-0.029 m/s时,反应路径上各位置产生絮体平均粒径比过栅流速介于0.036-0.043 m/s时各位置产生絮体平均粒径更大。随着过栅流速变大,除了15×15mm网格板,其余网格板分形维数随流速增大而增大。(3)相同过栅流速条件下,过栅流速小于0.026 m/s时,网孔尺寸小于8 mm工况下中后段平均粒径更大;过栅流速大于0.036m/s,网孔尺寸为4、6、8 mm工况下的平均粒径大部分小于网孔尺寸为10、12、15 mm工况下的平均粒径。流速小于0.026 m/s,网孔尺寸8×8 mm的工况下分形维数最大。流速大于0.04 m/s,各网格板工况下分形维数变大,且对应的分形维数大小也比较接近。4.当网孔尺寸为8×8 mm、过栅流速为0.04 m/s时,浊度去除率最高,分形维数最大。由PIV测量的网格流场研究可知,8×8 mm工况下,涡旋数量增加,大涡形成被抑制,有利于产生合适于絮凝的微涡旋,增加了絮体颗粒之间的碰撞几率。同理,过栅流速变大,会削弱大涡的形成,而当网孔尺寸变大也会促进大涡形成,并且使网格后流场中涡旋数量减少。如实验中发现,当流速为0.04 m/s,网孔尺寸更小工况下由4、5号观测位置观测到在絮凝池中后段絮体被过分破碎;而网孔尺寸更大时也不利于颗粒碰撞,细碎颗粒多,粒径分布很不均匀。故一定条件下,过栅流速增大或网孔尺寸减小的变化趋势均有利于削弱大涡的形成,产生更多涡旋。5.分形维数、平均粒径、沉后水浊度之间的相关性如下:5号位置分形维数较大时对应的沉后水浊度更低,当出水絮体平均粒径更小时,对应的沉后水浊度更高。在实验的工况范围内随着平均粒径的变大,分形维数也随之变大。