泥沙颗粒生长生物膜前后表面变化的试验研究

以泥沙颗粒为载体,以天然水配置营养液进行生物膜培养试验,采用环境扫描电子显微镜观察泥沙颗粒生长生物膜前后的形貌变化,并用图像处理和梯度计算的方法对获得的灰度图片进行分析,发现泥沙颗粒因生物膜的生成而发生较大变化,群体泥沙互相粘连,形成网状结构或絮状结构等,单颗粒泥沙因为生物膜的存在使得长膜沙相比原状沙其表面导数更多地集...     

附着生物膜的泥沙颗粒对磷的吸附特性研究

附着在泥沙表面的生物膜具有很强的吸附特性，对水环境中营养盐等物质的迁移转化规律具有非常重要的作用。本文采用实验手段分别对去除表面杂质的纯净泥沙和表面附着生物膜的泥沙进行吸附营养盐磷的实验研究，对比了去除生物膜的泥沙与附着生物膜的泥沙对磷的吸附能力，研究了附着生物膜的泥沙颗粒吸附磷的动力学及热力学特征。研究结果表明，去除表面杂质的纯净泥沙对磷的吸附性微小，而附着生物膜的泥沙颗粒对磷的吸附能力很强，在相同条件下附着生物膜的泥沙颗粒的吸附量比纯净泥沙吸附量高出1个数量级；同时附着生物膜的泥沙颗粒吸附磷的动力学特性符合准二级动力学模型，等温吸附特性符合Langmuir等温式，吸附速率和平衡吸附量随泥沙粒径减小而增大。     

附着生物膜的泥沙颗粒对磷的吸附特性研究

附着在泥沙表面的生物膜具有很强的吸附特性,对水环境中营养盐等物质的迁移转化具有重要的作用.本文对去除生物膜的泥沙和表面附着生物膜的泥沙分别进行了吸附营养盐磷的实验研究,对比了去除生物膜与附着生物膜的泥沙颗粒对磷的吸附能力,研究了附着生物膜的泥沙颗粒吸附磷的动力学及热力学特征.研究结果表明,去除生物膜的泥沙对磷的吸附性微小,而附着生物膜的泥沙颗粒对磷的吸附能力很强,在相同条件下附着生物膜的泥沙颗粒的吸附量比纯净泥沙吸附量高出1个数量级;同时附着生物膜的泥沙颗粒吸附磷的动力学特性符合准二级动力学模型,等温吸附特性符合Langmuir等温式,吸附速率和平衡吸附量随泥沙粒径减小而增大.     

泥沙颗粒生长生物膜后沉降的实验研究(Ⅱ)——沉降速度计算

泥沙生长生物膜后相应的物理特性将会发生改变，本文主要探讨泥沙颗粒在微生物生命活动的影响下沉降特性的改变情况。通过将官厅水库的泥沙分为六组，使用天然水和营养液的混合液对泥沙进行培养，用来模拟富营养水体中泥沙颗粒特性的发展变化情况。对于生长生物膜后的絮体颗粒在各个不同培养时间的沉降运动，实验采用先进的图像采集观测系统进行拍摄采样，并利用图像分析测量颗粒大小和沉速的变化，推导了生长生物膜后的颗粒沉速计算公式。研究表明生物膜极大的改变了颗粒的表面特性，使得颗粒下沉阻力增大，与同等大小无生物膜粘连的泥沙颗粒相比沉速明显减小。     

生物絮凝泥沙的絮凝结构实验分析

泥沙絮凝是黏性泥沙动力学中的一个重要课题,相关的研究主要关注于各种有机絮凝和无机絮凝的形成机理、影响因素、泥沙物理化学条件等方面。但近几十年,泥沙的生物絮凝逐渐引起更多的关注,大多数研究集中在各种生物学因子和沉积学因子之间的相互关系。本文借助于最新发展的研究工具和相关的显微镜方法来桥连生物絮凝泥沙中泥沙颗粒和微生物活动及其代谢产物生物膜之间的关系,以利于更好地理解聚合物质生物膜在微絮凝结构及其外部絮凝行为中的作用。研究表明,生物絮凝泥沙包含了复杂的生物膜网络,呈现出复杂的絮凝结构。生物膜覆盖泥沙表面充斥于颗粒孔隙之中,在生物絮凝中起到主要的桥连作用,并对生物絮凝泥沙的表面形貌、结构特征、力学性质等产生重要影响。     

泥沙颗粒生长生物膜后沉降的实验研究Ⅱ：沉降速度计算

泥沙生长生物膜后相应的物理特性会发生改变。本文主要探讨泥沙颗粒在微生物生命活动的影响下沉降特性的改变情况。将官厅水库的泥沙分为6组,使用天然水和营养液的混合液对泥沙进行培养,用来模拟富营养水体中泥沙颗粒特性的发展变化情况。对于生长生物膜后的絮体颗粒在各个不同培养时间的沉降运动,实验采用先进的图像采集观测系统进行拍摄采样,并利用图像分析测量颗粒大小和沉速的变化,推导了生长生物膜后的颗粒沉速计算公式。研究表明生物膜极大地改变了颗粒的表面特性,使得颗粒下沉阻力增大,与同等大小无生物膜黏连的泥沙颗粒相比沉速明显减小。     

生物絮凝泥沙的干容重研究

生物絮凝泥沙是指微生物通过生物膜作用在泥沙颗粒上形成的类絮凝结构,是泥沙与环境科学交叉研究中的一类新问题,在泥沙传统理论中涉及较少.本文以官厅水库细颗粒底泥为载体培养生物膜,采用Logistic生长曲线方程描述生物膜随时间生长变化的规律,通过环境扫描电子显微镜和激光扫描共聚焦显微镜观察生物絮凝泥沙的生长过程,并采用图像处理的方法对其结构特性进行分析,最终给出生物絮凝泥沙的干容重计算公式,为泥沙输移计算打下基础.     

泥沙的分形表面和分形吸附模型

天然水体中泥沙对污染物的吸附过程对水质影响很大，己成为环境水力学研究领域中的热点问题之一。尽管采用分形理论分析泥沙颗粒表面现象方面取得了许多进展，但泥沙颗粒的分 维与污染物的吸附解吸的热力学和动力学特征之间的关系尚不清楚。针对这一问题，本文首 先介绍了分形几何学的基本概念、分形维数的定义以及分形表面的维数测定方法。并应用分形几何原理，从理论上推导出具有分形表面泥沙的分形吸附方程。这一方程与Freundlich等温吸附方程和Langmuir等温吸附方程相比更具有普遍意义。     

泥沙颗粒生长生物膜后沉降的实验研究Ⅰ：实验设计及粒径变化

天然河道与湖泊的水污染问题日益受到广泛的重视,对泥沙颗粒的基本特性的研究也开始与水体污染物质的吸附解析、微生物的吸附成膜等水环境生态方面结合起来。本文通过对官厅水库的泥沙分组进行培养,并采用先进的图像采集观测系统,对泥沙生长生物膜后的絮体在沉降时进行拍摄采集,探讨了颗粒级配的变化情况。同时利用得到的颗粒特征值,推导了水体不同营养条件下的粒径变化公式。数据表明泥沙在生物膜的作用下形成新的泥沙生物絮体颗粒,能够在水沙交界面上形成粒径范围很宽的颗粒组使得级配变化显著。     

鄱阳湖和长江泥沙的分级及其表面特性研究

泥沙的表面特性是了解泥沙环境效应的基础。为探究不同来源泥沙表面特性的变化规律和泥沙分级,采集了鄱阳湖入江水道和长江南京段的泥沙,依据粒径分组对泥沙颗粒的级配和表面特性（比表面积、孔体积及孔径）进行了实验分析,结果表明,鄱阳湖入江水道和长江南京段泥沙颗粒均以粘粒、粉粒和细砂粒为主,比表面积范围为3.2~25.12m2/g,属于中孔材料;泥沙颗粒的比表面积随中值粒径的增大而减小,两者呈良好的幂指数关系,即在粘粒和细粉粒范围内,比表面积随中值粒径的减少而迅速减小;与分级沙样相比,混合沙样中值粒径与比表面积的关系与分级沙样趋势相近,量值略大于分级沙样;泥沙颗粒的相对比表面积和轴比较大,当粒径大于15μm时,相对比表面积和轴比随泥沙粒径增大而缓慢增加,而当粒径小于15μm时,随泥沙粒径增大相对比表面积和轴比急剧上升。     

生物膜泥沙床面对水体紊动影响的实验研究

泥沙床面生长生物膜后水流紊动特性将发生变化,进一步影响到泥沙的起动,悬浮和输移特性。本文采用d500.1 mm的天然沙,对相同水流条件下无生物膜生长和有生物膜生长床面以上的水流内部结构进行研究。实验中采用多普勒声学流速仪(ADV)测量了垂向流速,对比分析了生物膜生长前后,时均流速、雷诺应力、紊动强度以及紊动猝发事件在垂向上的变化,并初步分析了这些变化对泥沙运动的影响。结果表明:生物膜生长后,同流量条件下的垂向平均流速增加,床面阻力减小;对比无膜沙床面,有膜沙床面在发生冲刷的水力条件下,雷诺应力、紊动强度均有所减小,从而会影响到悬沙的浓度分布;同时猝发事件发生率在垂向上的变化也使得生物膜泥沙床面的泥沙起动更加困难。     

Simulation of sediment particle surface morphology and element distribution by the concept of mathematical sand

Transport of contaminants with sediment is closely connected with the complex surface morphology of particles in the hydro-environment. Based on a large number of experimental results of sediment morphology, we present the concept of mathematical sand which can address the complex surface morphology of suspended sediment. The sand particle can be represented mathematically by a Fourier series that can simulate the shape and size of real particles. The parameters of Fourier series were determined by around 1036 sediment images obtained by a scanning electron microscopy (SEM). Moreover, the distribution of phosphorus on the surface of a mathematical sand particle was proposed based on the statistical results of measured particle's surface element distribution. The study provided a novel method to explore the relation between the sediment particles and the contaminants.     

泥沙起动研究的伊辛和重整化群方法探讨

为探讨泥沙起动的物理机制和临界概率,把泥沙起动作为一种临界现象,与连续相变进行类比,应用临界现象、连续相变和重整化群的原理和方法建立了泥沙成片起动的二维伊辛模型和二维重整化群模型及算法。通过综合分析得到泥沙成片起动的一个临界概率,其阈值约为0.42,该值与已有实验和观测结果基本接近。把泥沙运动力学和分形动力学相结合探讨了床面起动的物理机制。研究结果表明:床面整体起动和DLA(受限制的扩散凝聚)集团的分形生长有类似的物理机制,对阈值小于0.5就能引起床面整体起动给出了一个物理诠释。该新思想和新方法的引入对探讨推移质整体启动这类复杂现象是有所裨益的。     

Characteristics of phosphorus adsorption by sediment mineral matrices with different particle sizes

The particle size of sediment is one of the main factors that influence the phosphorus physical adsorption on sediment. In order to eliminate the effect of other components of sediment on the phosphorus physical adsorption the sediment mineral matrices were obtained by removing inorganic matter metal oxides, and organic matter from natural sediments, which were collected from the Nantong reach of the Yangtze River. The results show that an exponential relationship exists between the median particle size (D₅₀) and specific surface area (S_g) of the sediment mineral matrices, and the fine sediment mineral matrix sample has a larger specific surface area and pore volume than the coarse sediment particles. The kinetic equations were used to describe the phosphorus adsorption process of the sediment mineral matrices, including the Elovich equation, quasi-first-order adsorption kinetic equation, and quasi-second-order adsorption kinetic equation. The results show that the quasi-second-order adsorption kinetic equation has the best fitting effect. Using the mass conservation and Langmuir adsorption kinetic equations, a formula was deduced to calculate the equilibrium adsorption capacity of the sediment mineral matrices. The results of this study show that the phosphorus adsorption capacity decreases with the increase of D₅₀, indicating that the specific surface area and pore volume are the main factors in determining the phosphorus adsorption capacity of the sediment mineral matrices. This study will help understand the important role of sediment in the transformation of phosphorus in aquatic environments.     

粗化床面非均匀沙推移质运动扩散特性研究

对泥沙颗粒运动规律的把握是准确估算推移质输沙率的基础。本文开展了粗化床面条件下的水槽试验，分析了非均匀沙颗粒的均方位移和速度自相关系数变化，并与已有均匀沙试验进行了对比。结果表明，粗化床面存在着由单个或多个粗颗粒组成的粗化结构体，形成比平整床面更复杂的底部边界，粗化结构体对泥沙颗粒运动造成较大影响，颗粒在运动过程中与水流动量交换强度大，泥沙颗粒运动与均匀沙试验“类弹道扩散”存在一定差异；受床面结构影响，部分颗粒表现出较强的横向运动，颗粒的横向扩散特性与流向扩散特性类似。与均匀沙平整床面不同，粗化床面上颗粒运动可能会相应改变床面结构，从而改变水流底部边界条件，进而对泥沙颗粒运动造成影响，泥沙颗粒运动存在较明显的记忆效应和反常扩散现象。     

A new mathematical model for chemotactic bacterial colony growth.

A new continuum model for the growth of a single species biofilm is proposed. The geometry of the biofilm is described by the interface between the biomass and the surrounding liquid. Nutrient transport is given by the solution of a semi-linear Poisson equation. In this model we study the morphology of a chemotactic bacterial colony, which grows in the direction of increasing nutrient concentration. Numerical simulations using the level set method and finite difference schemes are presented. The results show rich heterogeneous morphology.     

农田排水沟渠底泥-间隙水-上覆水氮磷迁移转化规律研究

研究氮磷在底泥、上覆水以及两者间交换介质-间隙水三者之间的迁移转化规律对控制农业面源污染具有重要科学意义。本研究对降雨和无降雨情况下氮磷在沟渠底泥、间隙水和上覆水间的迁移转化规律进行了分析;同时,对扫描电子显微镜(SEM)下底泥颗粒的微观形貌进行了观测。结果表明:在水稻生长前期氮磷被吸附贮存在底泥中,中后期被再次释放出来;在整个水稻生长期内,间隙水的总氮、总磷浓度约为上覆水的3.1和6.5倍,氮主要以NH_4~+-N形式存在;在降雨过程中,沟渠底泥成为氮磷释放的源,NH_4~+-N为氮的主要迁移形态,上覆水中NH_4~+-N逐渐向NO_3~--N转化,颗粒态氮磷对TN、TP流失有较大影响;沟渠底泥颗粒表面粗糙、具有一定的微孔结构,为底泥吸附氮磷提供了条件。