分层水库温度梯度对扬水曝气原位控藻效果的影响

基于计算流体力学(CFD)方法,数值模拟了不同温度梯度条件下扬水曝气器外围流场及藻类浓度场,并与实际工程运行数据进行对比.当水深为80m、水面下30m内的温度梯度从0.17℃/m增加到0.73℃/m时,核心控藻区域的半径从100m增加到150m,控藻区域百分比从25.16%增大到28.60%,藻类完全混合的时间分别从16d增加到24d.在稳定条件下,藻类在补偿点以下的停留时间均大于48h,基本不受温度梯度的影响,藻类生长受抑制.藻类浓度模拟结果与实际工程运行结果吻合良好.推荐水库中扬水曝气器合理设计间距为250m.     

扬水曝气器类型对分层水库藻类控制效果的影响

为优选扬水曝气器的类型以更经济有效地原位控藻,建立了基于Fluent软件的水库水动力与水质数值模拟方法,在不同温度梯度和水深条件下,预测了淹没式和非淹没式扬水曝气器对分层水库中藻类控制的效果. 以金盆水库扬水曝气水质改善工程为案例,对扬水曝气器外围流场和藻类混合迁移过程进行数值模拟. 结果显示,垂向流速和藻密度的模拟结果与实测数据吻合较好. 在典型的扬水曝气器运行条件下,水深分别为77.25、87.25和97.25 m时,淹没式和非淹没式扬水曝气器的外围流场均以顺时针环流为特征;淹没式扬水曝气器的环流发展较远,表层藻密度分别被削减了86.8%、88.2%、90.6%;扬水曝气器类型对藻密度削减率的影响不大. 采用淹没式扬水曝气器时,77.25、87.25和97.25 m水深下核心控藻区占整个流场区域的比例分别为39.71%、41.14%和42.73%,分别比非淹没式的高14.81%、8.95%和2.69%;藻类完全混合的时间分别为10、12和14 d,分别比非淹没式的少8、7和6 d. 不同季节和水深条件下的模拟结果表明,采用淹没式扬水曝气器,核心控藻区域较大,藻类混合较快.      

分层水库水深对扬水曝气原位控藻效果的影响

扬水曝气是分层水源水库原位藻类控制的有效技术.针对西安金盆水库扬水曝气水质改善工程典型设计工况,采用商业化Fluent软件模拟计算了不同水深条件下扬水曝气器的外围流场,分析了水深对扬水曝气控藻区域和效果的影响.结果表明,当扬水曝气器外围流场稳定时,进水口附近的顺时针环流和其他区域的逆时针环流共存,进水口顺时针环流范围和强度不受水深影响,水流速度沿扬水曝气器径向减小.当水深从50 m逐渐增加到110 m时,扬水曝气核心控藻区域的百分比从12.5%增大到30.6%,核心控藻区域半径从60 m增加到175 m,藻类完全混合的时间从16 d增加到30 d.当水深不浅于65 m时,藻类在补偿点以下的停留时间均大于48 h,且随水深的增加而延长.非核心控藻区域内的藻类随逆时针环流被动迁移至核心区域,最终悬浮并滞留在扬水曝气器底部附近.分层水库中扬水曝气器合理设计间距为水深的1.2~1.6倍.     

扬水造流技术控藻机制研究

围绕扬水造流技术的两个关键控藻参数Vmix(水体垂直混合速率)和Emix:Eu(混合深度与真光层深度之比),分别在实验室和现场围隔中开展模拟实验探讨藻类的时空分布.结果表明,实验开始20h后藻类垂直分布趋向动态平衡,Vmix31.08cm/min时2h内藻类未出现浮聚现象,Vmix31.35cm/min则能够长期(320h)遏制表面水华;根据20h平衡分布变异系数对光照和混合组合条件下的控藻效果进行了分类.藻类生消实验显示衰亡速率常数K与Emix:Eu呈正相关(R2=0.85,P<0.05,n=5),表明增大Emix:Eu在一定程度上有利于促进藻类衰亡.现场围隔实验结果表明,Emix:Eu对藻类生长消亡的显著影响,并认为在自然条件下,扬水造流技术要发挥控藻效用,Emix:Eu必须33:1.     

曝气诱导内波破坏水库水温分层的过程与效果

针对传统的水库破坏分层技术的低效率、高能耗等普遍问题,研制了能模拟基于自然对流而形成水温分层的中试模型水库,研究了曝气诱导形成内波混合破坏水温分层的可行性,过程和效果.扬水曝气产生的周期性出流能作为扰动源,在分层水环境中诱导形成内波.内波频率及波幅与曝气量有关.在曝气量0.07~0.28m3/(m2·h),跃温层温度梯度0.29~0.48℃/m的中试条件下,内波破坏分层过程主要以减小表层和底层水温差别、驱使跃温层下潜、等温层变薄为特征,破坏分层的速度与曝气量正相关、与温度梯度负相关.内波通过垂向振荡和横向传播,促进不同温度的水层之间的热交换.相对传统的循环水流混合,在温度梯度约0.32℃/m和0.46℃/m的条件下,当曝气量从0.07m3/(m2·h)逐渐增加到0.28m3/(m2·h)时,内波混合可分别将破坏分层效率提高25.0%~40.0%和41.2%~60.0%.     

扬水曝气器对水源水库水质改善及沉积物控制

研究了分层型深水水库(金盆水库)水体和沉积物的耗氧速率及沉积物原位释放状况,以及扬水曝气系统运行对水体和沉积物的原位改善效果.原位测定结果表明,金盆水库水体和沉积物耗氧速率处于较高水平分别为0.106~0.132mg/(L·d)和0.358~0.410mg/(L·d).在480h内,主库区沉积物Fe、TOC、TN和TP最大释放浓度达到2.3~2.7,4.4~5.2、3.0~3.3和0.165~0.224mg/L.扬水曝气系统运行时期,对作用区域水质和沉积物原位改善结果表明,水体中Fe、TOC、TN和TP浓度削减率分别达到78.6%、22.9%、47.8%和66.7%,其在沉积物中的浓度削减率分别为8.7%、17.4%、18.0%和17.4%.Biolog测定结果表明扬水曝气系统运行过程中,水体和表层沉积物的微生物活性都得到了增强.扬水曝气器系统是深水水库水质和沉积物原位改善的有效技术,且其现场应用已取得显著效果.     

周村水库藻类在混合胁迫条件下的生长衰亡规律

为了探明表层藻类被混合到下层水体中受到环境条件胁迫作用后的生长衰亡规律,并为混合控藻技术提供技术依据,通过实验室模拟和现场实验研究了周村水库藻类在不同水深条件下,受光照、温度、压力等胁迫条件影响后的生长衰亡规律.结果表明,以蓝绿藻为主的周村水库藻类,在光强为32500 lx时生产速率最大,约对应于水库水深1~2 m处;温度在26℃左右比较适合藻类生长;当光照和温度一定时,随着压力的增大,藻类生长受到抑制,压力超过0.2 MPa时,藻类衰亡加速.综合水库不同水深条件下的光照、温度和压力,藻类在2.5 m水深以上净增长,2.5 m水深以下负增长,6 m水深处负增长最大,12 m水深以下负增长减小.     

人工强制混合对金盆水库水体藻类群落结构时空演替的影响

为探明人工强制混合过程对水体藻类群落演替的作用影响机制,本研究利用扬水曝气系统对金盆水库主库区水体进行原位人工强制混合,对系统运行过程中水库水体理化参数及藻类进行原位定点监测.结果表明,金盆水库水体藻类共6门28属51种,扬水曝气系统的人工强制混合作用可显著抑制水体藻类的生长,并对其群落结构产生显著影响:扬水曝气系统运行前,藻类主要分布在表层水体,其中以小球藻(Chlorella vulgaris)为优势种属;扬水曝气系统运行后,表层水体藻密度大幅降低,藻密度垂向分布趋于均匀,优势种属有向小环藻属(Cyclotella sp.)演替的趋势.本研究利用冗余分析(RDA)方法,结合临界层理论(critical depth theory)和藻类生长特性,分析了人工强制混合过程中金盆水库水体藻类群落结构时空演替和主要理化参数变化之间的关系.分析结果表明,扬水曝气系统的人工强制混合作用主要通过迅速破坏水体热分层稳定性和显著增加水体混合深度(Z_(mix))来影响藻类群落结构的时空演替.     

UV-C辐照对延滞期6种微藻生长抑制效果

藻类季节性暴发生长是许多地区水源管理中的难题,亟待研发安全高效的控藻方法。该文以我国水源6种典型藻株为研究对象,包括蓝藻铜绿微囊藻、浮游颤藻、水华鱼腥藻,绿藻普通小球藻、斜生栅藻,硅藻针杆藻,采用准平行光束仪进行50~100 m J/cm2UV-C辐照,研究对于延滞期、低初始生物量的藻类生长抑制效果,分析藻种敏感性差异。结果表明,50~100 m J/cm2UV-C剂量对于铜绿微囊藻、水华鱼腥藻和针杆藻具有2~4 d生长抑制效果,100 m J/cm2剂量组9 d后Chl a浓度减量37%~60%,对于普通小球藻和斜生栅藻仅有1~2 d生长抑制效果,100 m J/cm2剂量组9 d后Chl a浓度减量16%~33%,对于浮游颤藻无抑制效果且会加速其生长。在生长能力和光合活性两方面,硅藻(针杆藻)和蓝藻(铜绿微囊藻和水华鱼腥藻)的敏感性均显著高于绿藻(斜生栅藻和普通小球藻)和蓝藻浮游颤藻藻株。     

淀山湖水质富营养化和微囊藻毒素污染水平

研究淀山湖不同季节水体中总磷(TP)、总氮(TN)、pH、水温、透明度(SD)、叶绿素a(Chl-a)含量和优势藻种等富营养化相关指标;在培养条件下,研究不同温度、光照、氮磷浓度对铜绿微囊藻的生长及微囊藻毒素LR(MC-LR)产生的影响;研究藻细胞密度和微囊藻毒素LR浓度的相关关系.结果表明:淀山湖水质已呈富营养化状态,春末和夏季水质和水文条件适合藻类生长.湖水TN和TP年平均值分别达1.93mg/L和0.18mg/L,TN和TP的年超标率达93.5%和92.2%.TP的高峰期比施肥的高峰期延迟出现约一个月,说明沿湖农业对富营养化指标的影响较大.淀山湖常年生长的藻类分别是蓝绿藻、硅藻、隐藻和裸藻等,夏季水华中可见污染指示藻如微囊藻、鱼腥藻和针杆藻等产毒藻.培养条件下,铜绿微囊藻在25℃和3000lx时生长最快,但产毒量却分别在20℃和5000lx时达到最大值;合适其生长和产毒的氮、磷浓度分别为650μmol/L和6.5μmol/L.现场和实验室条件下,均发现磷为藻类生长的限制因子,微囊藻毒素-LR浓度与藻细胞密度或铜绿微囊藻细胞密度之间存在正相关关系,提示可以用藻细胞密度来估算水中毒素的浓度.     

Fluent软件在地表水源热泵系统温排水数值模拟中的运用

运用Fluent软件对重庆市嘉陵江化龙桥段瑞安新天地江水水源热泵系统尾水排入受纳水域的过程进行二维数值模拟,选取Fluent中非耦合、隐式求解器对模型内的定常流动进行求解,得出受纳水域受水源热泵系统温排水影响后的温升面积和温度梯度。结果表明:在温排水流量为2.0×103 m3/h、温差为4℃的条件下,计算该水域沿水流方向温升超过1℃的最大影响距离为150.4 m,温升超过1℃的水域面积约为1 525 m2,为模拟江水面积的8.59%。选取1℃温升值作为温升带的边界控制值,并在热泵系统最大负荷工况下,根据W=Q×ΔT计算研究水域热环境容量为19.402 m3.℃/s,剩余热环境容量为17.736 m3.℃/s。根据地表水环境质量标准,该工程温排水量小于受纳水域的热承载力,不会对受纳水域生态环境造成热污染。     

基于地表水源热泵尾水排放的江河热环境容量研究

运用FLUENT软件对重庆市洪崖洞水源热泵系统尾水排入受纳水域的过程进行二维数值模拟,选取FLUENT中非耦合、隐式求解器对模型内的定常流动进行求解,得出受纳水域受水源热泵系统温排水影响后的温度梯度和温升面积。在温排水流量为4 500 m3/h、温差为6℃的条件下,得出受纳水域温升值超过1℃的水域面积约为1 600 m2,为模拟江河水域面积的2.0%。选取1℃温升值作为温升带边界控制值,在热泵系统最大负荷工况下,计算得出受纳水域的热环境容量为312.5(m.3℃)/s,剩余热环境容量为306.25(m.3℃)/s。根据地表水环境质量标准,该工程温排水量小于受纳水域的热承载力,不会对受纳水域生态环境造成热污染。     

分层水环境曝气诱导形成内波的过程与特性

采用分层水库模型,在平均温度梯度为0.37℃/cm条件下,开展了系统的曝气诱导内波的中试研究.分析了曝气诱导形成内波的过程,探究了曝气诱导形成内波的类型,重点揭示了曝气扰动源形式和跃温层厚度对内波形成过程和特性的影响.实验结果表明：扬水曝气产生的气水两相流是一种非定常的周期性扰动源,气水两相流的尾迹带动整个模型水体上下振动,这种振动在分层水体跃温层处诱导形成内波.从激发源角度上说,它是一种尾迹效应波.气弹释放周期在44.06～58.69s之间时,内波波高达到最大,当气弹释放周期达到180s时不能形成连续的内波;曝气器出流口增大,内波波高、周期呈增大趋势.分层水体的跃温层厚度也影响内波的形成,相同温度梯度条件下,随着跃温层厚度的增加,内波的波高、周期随之增大.     

水温和营养盐增加对太湖冬、春季节藻类生长的影响

为探讨水温和营养盐增加对冬、春季节太湖藻类生长和群落演替的影响,研究了不同水温(不增温、12.0、14.0、16.0、18.0、20.0℃)和不同营养盐浓度(低、中、高营养盐浓度)下藻类的生长及优势种群变化. 结果表明:藻类∑ρ(Chla)〔蓝藻、绿藻及硅藻中ρ(Chla)总量,下同〕随着水温的升高呈增加趋势,在20.0℃下∑ρ(Chla)为0.19~12.94μg/L,显著高于其他水温试验组(0.01~6.83μg/L);与较低水温(不增温、12.0、14.0℃)相比,较高水温(16.0、18.0、20.0℃)更能显著促进藻类对氮、磷营养盐的吸收利用. 添加营养盐后,硅藻、绿藻ρ(Chla)的日均值分别为0.52~4.07、0.17~0.52μg/L;湖水中∑ρ(Chla)呈增长趋势,并且浮游植物群落结构的优势种由绿藻转变为硅藻,硅藻ρ(Chla)所占比例从试验初始的50%升至75%~98%, 说明营养盐增加可加大硅藻的竞争优势;而绿藻的生长则可能同时受水温和营养盐共同作用的影响,因此太湖冬、春季节藻类的演替同时受到水温和营养盐的影响.      

基于病毒防护的填埋场隔离距离研究

为研究渗滤液中致病性病毒对填埋场隔离距离的影响,提出一种基于系统健康风险目标的建模方法,用于确定地下水梯度、水力传导系数和包气带厚度对隔离距离的影响,基于线性剂量-效应模型和可接受的感染风险[<10^-4/（人·a）]推导确定了饮用水肠道病毒浓度限值,通过耦合渗漏源强模型-以及水流和病毒在包气带中的纵向迁移转化和含水层中的水平迁移转化模型,构建了污染物泄露-迁移-降解的解析模型,并基于Monte-Carlo模拟表征解析模型中参数的不确定性.选择某典型生活垃圾填埋场开展案例研究,结果表明,在砂含水层中为44~564m,在砾石含水层中为91m~2.39km,在粗砾石含水层中为1.74~27.29km;地下水梯度从0.001变化到0.05,导致最高梯度处的隔离距离比最低梯度大10~20倍;当包气带厚度从1m增加到10m时,隔离距离可缩短到10m以内.隔离距离的确定需根据具体的安全防护要求和水文地质条件确定.     

有机污染土壤堆式热脱附过程中热湿迁移试验及数值模拟

堆式燃气热脱附技术因具有二次污染小、污染物去除率高和处理周期短等优势而得到快速发展. 土壤中的水分是影响堆体热修复过程中土壤升温的关键因素,然而其热湿迁移机理尚不明晰,工程设计主要依赖于实践经验. 该研究以山东省某污染场地的砂质壤土开展堆体热湿迁移试验,结合COMSOL仿真模拟,系统分析加热过程中土壤温度和湿度在竖直及水平方向上的变化规律. 结果表明:热源附近土壤水分呈逐渐升高并出现短暂峰值(高于初始值10.9%)后再下降的趋势,水分峰值随温度提高而升高;热源温度越高,土壤中水汽的对流和扩散作用愈加明显,当热源温度由50.0 ℃升至100 ℃时,监测点体积含水量下降率由4.50%升至27.2%,且水汽的浓度扩散机制在水分迁移过程中占主导作用;对于相同热源作用下,初始体积含水量较高的土壤具有相对较高的温度变化,温升过程中对流传热以及热传导的作用更显著,当初始体积含水量由0.0700 m3/m3升至0.160 m3/m3时,监测点的温度由37.1 ℃升至40.0 ℃,其中多孔基体间的热传导作用占主导. 研究显示,堆体热脱附过程中土壤水分迁移规律与土壤体积含水量、距热源的距离、热源温度有关,且多孔基体间的热传导是引起土壤升温的主要机制.