长江口絮凝聚沉特征与颗粒表面理化因素作用——Ⅱ颗粒表面性质对聚沉的作用

本文通过１９８６年和１９９０年现场测试资料研究了长江口区悬浮颗粒的表面性质（ＣＥＣ、ＳＳＡ、Ｚｅｔａ电位）和组分（Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ及其水合氧化物）的变化特征，结合前文（Ⅰ·悬浮颗粒絮凝沉降特征）所阐明该区絮凝聚沉状态和若干参数的特征变化，从中发现它们的密切对应关系，揭示了长江口区絮凝聚沉状态和体系稳定性变化的物理化学机制，证明颗粒表面组分与表面性质的变化是絮凝聚沉的本质因素。为长江口区絮凝聚沉的深入研究和综合整治提供重要的科学基础。     

粘性细颗粒泥沙絮凝研究概述

以絮凝动力学理论(Smoluchowski方程)、胶体稳定性理论(DLVO理论)和分形几何(Fractal Geometry)在絮凝研究中的应用为线索，回顾了粘性细颗粒泥沙絮凝结构，絮团沉速，以及影响絮凝因素(泥沙粒径、浓度、电解质阳离子、温度和水流紊动等)等方面的研究成果；综述了絮团的尺寸、密度、沉速、破坏强度及碰撞频率函数的分形几何描述方式；介绍了快速絮凝和慢速絮凝的分形生长模型，以及絮凝发育过程数值模拟的研究进展．针对河流泥沙在矿物组成、颗粒尺度、表面电荷分布和水中盐分多样性的特点，以及粘性细颗粒泥沙絮凝研究的特殊性，提出进一步深化粘性细颗粒泥沙絮凝研究的建议．     

泥浆浊液面沉速特性分析及试验研究

悬浊液浊液面沉速与粉细颗粒絮凝作用紧密相关.通过沉降柱试验,建立浊液面稳定沉降段基于泥浆悬浊液浓度与单颗粒沉速的浊液面沉速方程,分析了浊波面的形成原因与沉速影响因素.结果表明:泥浆中土颗粒因尺寸分布差异而在沉降过程中存在层次沉降现象,沉降过程中不同沉降高度处粒组大小、含量均不同;浊液面沉速主要由上层悬浊液次级絮团沉速确定,内部絮团沉速对浊液面沉速无显著影响;颗粒粒径、粒组含量、起始沉降浓度、自重效应、黏滞效应以及絮凝体结构的层次性与差异性均影响浊液面的形成及沉速,其中颗粒粒径与起始沉降浓度是决定絮凝作用程度的决定性因素.     

黏性细颗粒泥沙絮凝及沉降的三维模拟

鉴于试验观察黏性细颗粒泥沙悬浮体系絮凝-沉降过程存在技术困难，尝试以分形生长理论为基础，使用改进的受限反应絮团聚集(RLCCA)模型，在计算机上模拟这一复杂过程。模型考虑了絮团的分形结构与可渗透特性、泥沙浓度对悬浮液黏性的影响等因素，复演颗粒、絮团在重力沉降和布朗作用下的三维运动及相互碰撞并黏结的现象。在对模拟数据的统计分析基础上，讨论了絮凝-沉降过程的各种特性，结果表明：碰撞效率系数不同时，絮凝发育过程存在相似性。     

盐度对伊利石不等速沉降絮凝的影响

盐度是影响粘性泥沙絮凝沉降的重要因素之一。将胶体化学中的XDLVO理论引入颗粒沉降三维格子玻尔兹曼模型,模拟黏土矿物质絮凝沉降过程,研究伊利石在不同盐度条件下的不等速絮凝沉降过程。模拟结果表明,伊利石黏结概率随着盐度先增加后保持不变,最佳絮凝盐度在5左右;伊利石絮凝形成的絮团粒径呈现双峰分布,盐度对粒径分布有一定影响。盐水中双电层排斥力受到抑制,起主要作用的是范德华吸引力,使得伊利石颗粒更容易产生絮凝,三维数值模型从细观尺度揭示了盐度对伊利石不等速沉降絮凝的影响机理。     

悬浮泥沙环境下微塑料颗粒的絮凝特征研究北大核心CSCD

微塑料颗粒与悬浮泥沙的絮凝特征研究,尤其在天然水体环境中生物膜附着的情况下,对于微塑料颗粒在紊动水体中与悬浮泥沙的沉积动力学过程具有科学意义。选用高岭土作为悬浮泥沙的代表,与聚乙烯微塑料颗粒在紊动剪切率可控的搅拌槽中进行絮凝试验,并采用非侵入式絮凝体观测系统进行观测,分析絮团在不同悬浮泥沙浓度及不同紊动剪切率条件下的絮凝特征。试验结果表明,随着紊动剪切率和悬浮泥沙浓度的增加,絮团的特征粒径总体呈现出先增大后减小的规律。利用Winterwerp模型对试验数据进行拟合,数值模拟结果较好地印证了试验的结果。     

絮团与颗粒不等速沉降碰撞研究

絮团和单个颗粒的碰撞、粘结规律对于深入理解粘性泥沙不等速沉降引起的絮凝具有重要意义。在暂不考虑絮团与颗粒间相互作用力的条件下,用不同密度球形颗粒近似描述絮团,利用格子Boltzmann方法模拟了不同密度絮团和单个颗粒静水沉降过程,分析了絮团和颗粒相对运动轨迹和碰撞效率。模拟结果表明,絮团和单个颗粒不等速沉降碰撞过程中,当较大粒径的絮团沉降速度快但密度较小时,单个颗粒相对于絮团运动可能形成封闭轨迹,絮团和颗粒间粘结概率几乎为零,絮团很难通过捕捉单个颗粒而形成更大絮团。     

长江悬浮物絮凝特征

河流淡水环境的实有絮凝特征及变化过程长期以来缺乏观测和研究.本文利用现场激光粒度仪(LISST-100)实测得到长江流域干流4050km,13个主要站位的絮团大小、分布和沿程变化特征,对比分散粒径和悬浮物浓度,得到认识:长江干流水体的现场悬浮物絮团粒径平均为35 μm(洪季),泥沙中值粒径平均为5μm,絮团粒径比泥沙中值粒径大一个量级,证明了长江干流絮凝现象的普遍存在.上游石鼓至万州,絮团粒径平均为17μm,明显小于中下游絮团粒径,为47μm.上游与中下游絮团粒径的差别,主要是受水动力条件的影响.三峡水库蓄水对于絮凝过程有一定的影响,水库以上缓流区水体滞留时间长,有利于絮团成长;库区絮团经过大坝,被水流打散而破碎,产生解絮过程.絮团在长江干流水体中已经形成,季节性变化不明显,其粒径要比河口絮团粒径小.河口环境下,絮团可以增长数倍.联系已有长江河口絮凝现象的观测研究,河流淡水环境的絮团可作为河口盐淡水环境絮团的背景絮团.全文提示了在研究河流泥沙输运、水库泥沙淤积和河流污染物输送等方面应该充分考虑絮凝的影响.     

黏性泥沙絮团形态的模拟研究

基于耗散粒子动力学方法,通过构造作用力场势函数,模拟计算了不同电荷量及泥沙浓度条件下黏性泥沙的絮凝过程,得到了在范德华力、静电力以及氢键力作用下,负电性泥沙颗粒絮团形成过程及三维结构形态。结果表明,絮团内部非键能的变化是导致絮团外部形态变化的内在原因。泥沙颗粒表面的负电荷量越大,非键能越大,形成初始絮团所需要的时间越长。在泥沙颗粒黏结絮凝过程中,非键能与分形维数减小,絮团中泥沙颗粒数目增多。在一定的絮凝时间内,低电荷泥沙形成的絮团中泥沙颗粒数目明显大于高电荷量下絮团中泥沙颗粒数目。泥沙颗粒表面负电荷量大的泥沙形成的絮团分形维数大于负电荷量小的絮团分形维数。水沙体系中泥沙浓度越大,最终形成的絮团个数越少,絮团结构越密实。     

黄河高浊度水的絮凝形态学特性

在黄河泥沙高浓度悬浊液中投加阳型高分子聚合物进行沉降试验时，借助电镜观察、图像分析技术与“分维”特征参数，探讨了不同絮凝阶段含沙高浊水絮凝形态学参数的变化规律。结果表明：分形絮体的粒径呈广义的正态分布；絮体自由沉速的变化规律不能用传统的Stokes定律解释；不同泥沙浓度对应的絮凝形态学特性的发展变化规律相似；理想絮体分形结构出现在絮凝过程的中间时段，此时，絮体粒度分布集中、密实程度高、孔隙率小、沉速快、分维值最大。     

粘性细颗粒泥沙絮团发育与絮网发育临界判据的初步研究

单颗粒沉降、絮团发育沉降、絮网压缩沉降是粘性细颗粒泥沙悬浮体系絮凝发育的三种不同相态,其中关于从絮团发育沉降转变到絮网压缩沉降这一临界状态的研究比较少见.本文从特征絮团的角度出发,考虑形成絮网的临界状态分别得出了静水、动水不同条件下区分絮团发育与絮网发育的临界判据,其分析结果与试验观察定性的一致.     

湖泊底泥絮凝沉降试验研究

湖泊底泥的运动过程产生了内源污染,加剧了湖泊生态环境的恶化。研究湖泊底泥在风浪作用下悬浮后再沉降的运移规律,可为了解湖泊水质变化成因以及开展生态环境治理提供技术支持。本课题采用有机玻璃制作的沉降桶,在静水条件下对太湖、龙感湖、巢湖的底泥进行了沉降试验,研究3个湖泊的水体在不同初始含沙浓度和不同水深条件下含沙浓度的变化,分析了3个湖泊淤泥的沉降规律,近似代表天然湖泊的底泥运动状态。试验研究表明3个湖泊水体中悬浮泥沙的沉降均为絮凝沉降,其沉降过程和沉速与单颗粒泥沙相比均发生了量和质的变化,悬浮泥沙絮凝平均沉速随沉距、含沙浓度的增大而增大。最后得出3个湖泊底泥的沉降速度,其研究结果可为采用絮凝沉降法改善水质环境提供参考依据。     

黏性泥沙不等速沉降絮凝的格子Boltzmann模拟

建立黏性泥沙运动的三维格子Boltzmann模型,对黏性泥沙不等速沉降絮凝过程进行全尺度直接数值模拟,从微观角度分析了泥沙颗粒不等速沉降形成的絮团特性和絮团成长过程。模拟结果与已有实验结果一致。模拟结果还表明,不等速沉降时不同泥沙浓度条件下形成的絮团若大小相近则沉降速度接近,但泥沙浓度对水体中泥沙总体平均沉速有明显影响,泥沙浓度越高,泥沙平均沉速越大,主要是因为泥沙浓度越大,颗粒之间越容易发生碰撞而形成更大、更多的絮团。     

三维分形絮团沉降的格子Boltzmann模拟

黏性泥沙絮团的形成机理和沉降特性对河口海岸细颗粒泥沙运动规律研究具有重要作用。为了从微观结构出发研究絮团运动机理，由扩散受限絮凝体聚集模型生成不同大小的分形絮团，引入格子Boltzmann方法模拟三维分形絮团的静水沉降，获得了絮团沉速的变化过程。比较格子Boltzmann算法模拟结果与采用盒子计数分维数的 Winterwerp絮团沉速公式，发现二者有较好的一致性，表明格子Boltzmann模拟方法可应用于河口海岸环境中的黏性泥沙运动研究。     

三峡水库泥沙絮凝特征及影响因素分析

以三峡水库奉节河段和庙河河段的现场取样资料为基础,通过现场测量和室内实验分析,发现819个现场取样点中,99.4%的测点存在泥沙絮凝现象,其中83.6%的泥沙絮团直径约为单颗粒直径的3~8倍,表明在条件适合的情况下三峡水库泥沙絮凝具有普遍性,絮凝的临界粒径为0.02 mm。从库区泥沙絮凝的分布来看,主要集中在中上层水体中,并且顺水流方向呈现衰减的趋势,庙河河段的絮凝度明显小于奉节河段。库区泥沙絮凝的临界流速为0.7 m/s,流速小于0.7 m/s有利于泥沙絮凝的形成,但由于库区泥沙颗粒间的相对动能较小,泥沙絮凝难以形成稳定的大絮团,主要表现为弱絮凝。     

低温低浊重度污染地表水化学除磷工艺的研究

针对低温低浊地表水化学絮凝沉淀除磷工艺中絮体颗粒碰撞机会少、极限沉降速度慢等问题,经试验表明:适当的生化污泥载体和混凝剂优化,可以实现絮凝沉淀池的稳定运行。混凝剂选用聚铝铁,相比原聚氯化铝(PAC),可明显提高絮凝效果,絮体沉速提高约30%～40%,出水总磷达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水标准,同时改善了排泥脱泥的效果。     

AlCl3、MgCl2、CaCl2和腐殖酸对高浊度体系细颗粒泥沙絮凝的影响

以细颗粒泥沙为主的河口区往往存在最大浑浊带,对高浊度体系细颗粒泥沙的絮凝研究有助于了解最大浑浊带的形成机制。本文通过实验研究AlCl3,MgCl2,CaCl2和腐殖酸四种絮凝剂对长江口细颗粒泥沙浊度变化的影响,从絮凝率、絮团粒径和Zeta电位变化三方面综合分析了四种絮凝剂对泥沙絮凝的作用机理。结果表明:1)随着金属离子浓度增大细颗粒泥沙絮凝率逐渐增大,粒径增大,而电位绝对值变小;随着腐殖酸浓度增大细颗粒泥沙絮凝率降低,粒径增大,电位绝对值增大;2)各絮凝剂单独存在时的絮凝机理与多组分复合絮凝作用机理有明显不同,C-P-OM复合絮凝模式能够较好地揭示长江口高浊度区细颗粒泥沙絮凝体的形成机制。     

黄河泥沙的絮凝形态学和絮体构造模型问题

从黄河高浊度水在高分子絮凝剂作用下的干扰沉降现象出发，叙述了黄河泥沙颗粒与高分子聚合物链状分子间的吸附作用、黄河泥沙絮凝过程的比表面积模型。结合分形理论在絮凝形态学中的应用，对有限扩散凝聚、弹射凝聚和反应控制凝聚等三种凝聚模型进行了简介，同时讨论了絮体的分形和高分子聚合物的分形。文章对几种分形维数的计算方法作了简介。以黄河泥沙颗粒絮凝后形成的微小絮体为代表，讨论了絮体的构造模型，以及自由沉降和干扰沉降状态下，不同的絮体构造模型及模型的适用可能。     

长江河口控制站泥沙絮凝特性研究

基于2008-2014年逐月现场激光粒度仪(LISST)在长江口徐六泾的定点观测数据,分析了河口控制站徐六泾的悬沙絮凝特性,研究给出絮团粒径与有效密度及沉速的关系。统计表明絮团平均粒径变化范围20~120μm,比分散颗粒中值粒径(平均5.3μm)大一到两个数量级。絮团的分形维数主要在1.8~2.4,有效密度变化范围70~600kg/m~3,其随絮团增大呈减小趋势。洪枯季对比表明,洪季絮团沉降速度比枯季大18%,平均沉速分别为0.26mm/s和0.22mm/s,比以往估算得到的长江口浑浊带絮团沉速小。由此说明为更好认识流域到河口的泥沙输运过程,有必要针对长江河口不同区域进行分段的研究。     

相关链接——名词解释

①混凝作用：包括混合和絮凝两个阶段。原水中细小颗粒（悬浮物和胶体）沉降很慢．需要投加各种混凝剂（凝聚剂），混合作用就是使混凝剂迅速均匀地扩散到水中．水解产生的大量正离子使胶体的负电性斥力降低，从而使杂质颗粒降低稳定性即“脱稳”的过程。絮凝作用是使混合阶段形成的细小絮体，通过相互碰撞，形成具有良好沉淀性能的较大絮凝体的过程。