CFD/PIV技术对絮体分形结构及水动力学过程的表征与应用

颗粒间的凝聚，絮凝过程对水体中有毒/有害颗粒物的迁移、转化与归宿起着十分重要的作用。然而这一过程的动力学描述仍然没有被科学的表述，尤其是关于颗粒碰撞效率函数。本申请通过研究分形孔隙结构特征的絮体颗粒的水动力学特性，对颗粒碰撞效率因子进行科学表述并提高现有的混凝絮凝理论。本申请主要从理论和实验两个部分进行研究。理论上，构建由初级簇团形成的具有分形孔隙的絮体颗粒。通过计算流体动力学（CFD）数值模拟絮体在流场中的行为，确定颗粒的渗透性与碰撞效率函数的本质关联。实验上，对制备的各种形态的絮体颗粒，采用高级的激光成像仪器-粒子图像测速仪（PIV）研究絮体颗粒沉降过程中的流线以及流体收集效率。通过实验研究与理论分析相结合的方式，以期在混凝动力学机理上得到突破，建立一个与真实情况更接近的混凝絮凝模型，优化水处理系统中的混凝工艺，并提升人们对天然水体中污染物迁移转化的规律。

本研究建立了粒子图像测速仪（PIV）针对混凝体系中各种典型的絮体碰撞的水动力学进行了原位观测，证实了絮体碰撞的曲线模型特性， PIV研究的结果显示目前的曲线模型对絮体之间的碰撞几率低估了一到二个数量级，发现了絮体的结构特性（分形维数以及孔隙率）对碰撞效率的影响较大，加强了絮体在凝聚过程中的生长速。并通过计算流体动力学（CFD）数值模拟絮体在流场中的行为，确定了颗粒的结构，特别是絮体的分形维数及孔隙率与碰撞效率之间的内在关联。此外，针对混凝-超滤“短流程”实际工程，明确了短流程工艺中混凝的作用机制，并发现有机污染与泥饼层的形态结构存在动态变化的过程，揭示了SMP与蛋白类的转化可能决定了膜污染的累积效应。进一步通过对腐植酸，蛋白，多糖这三类模型有机物进行有机物复合作用的研究，提出了三种天然有机物在泥饼层形成过程中的界面作用机制，并通过统计学的方法，发现分子量的分布以及溶液电位是决定膜污染的关键因子。通过上述研究，为混凝工艺的动力学优化以及混凝-超滤工艺中混凝絮体调控提供了应用方向，并对超滤膜污染的清洗工艺以及清洗周期的确定提供了理论基础。