有机物影响下细颗粒泥沙絮凝模式与机理实验研究

Flocculation is a key process in the fine sediment dynamics, which plays an important role in the transportation and sedimentation of suspended sediment and adherent contaminant. Flocculation processes are influenced by physical processes and biochemical factors etc. There have been numerous achievements regarding physicochemical factors, but the effects of various biological factors on flocculation are not well known yet. This project is devoted to systematically investigate the flocculation pattern and mechanism of fine sediment under the influence of organic matter (OM). A series of experiments using three typical OMs and natural fine sediment will be carried out in a large-volume laboratory flocculation study device, and floc properties will be obtained by high-magnification camera system. It aims to figure out the effects of OM types and quantities as well as the combined effects of varied types of OMs on the development of floc size and floc structure during the flocculation processes. Moreover, the role of OM in floc aggregation and break-up processes will be evaluated and discussed. This project will contribute to improve the understanding of fine sediment dynamics, and facilitate the researches on reservoir, port and waterway sedimentation and pollutant transportation etc.

絮凝是细颗粒泥沙输移动力过程的一个关键环节，对悬浮泥沙及其携带污染物的输运沉降起重要作用。影响絮凝的因素包括物理过程和生化要素等，关于水沙物理化学因素的作用已有众多成果，但对种类丰富、特性各异的生物要素影响下絮团发育规律及机理的精细化研究还相对缺乏。本项目聚焦于细颗粒泥沙有机絮凝这一科学命题，系统研究典型有机物影响下细颗粒泥沙絮凝模式与机理。将利用大体积絮凝沉降装置开展实验研究，以三种具有代表性的有机物对天然沙絮凝影响为切入点，使用高倍摄像系统获取絮团形态和结构特征等参数，研究不同类型和浓度有机物单独作用以及不同类型有机物共同作用下絮团粒径及结构的变化特征和规律；结合絮凝理论分析，解析有机物对絮凝聚合及分散过程的影响，揭示有机絮凝的作用机理。由此丰富和完善对细颗粒泥沙输移关键过程的认识，为相关的水库与港口航道淤积和污染物输运转移等研究提供重要的理论基础。

絮凝是黏性泥沙的重要特性之一，也是黏性泥沙运动特性研究的重点和难点。泥沙絮凝过程受到有机因素和无机因素影响，絮凝也会对水体污染物存在形式及分布特征产生影响。国内外学者主要关注无机因素影响下的絮体粒径和沉速变化，而有机质以及多因素耦合作用下的泥沙絮凝研究相对不足，对絮体形状及形态变化规律认识相对薄弱。因此，开展有机质及多因素耦合作用下的泥沙絮凝研究，在完善泥沙运动基础理论以及解决黏性泥沙及其携带污染物引起的水库和航道淤积、水生生态环境等问题方面具有重要的理论和实际意义。.本项目使用横向振动格栅装置模拟水体紊流环境，结合非侵入性高速摄像机观测了天然混合黏性泥沙在泥沙浓度、紊动剪切率、有机质浓度、有机质类型以及耦合因素影响下的絮凝发育，使用图像分析程序获取絮体大小、形状和形态参数，并使用粒子匹配程序分析了絮体沉速。得到以下结论：.(1)泥沙浓度、紊动剪切率以及有机质浓度均会影响泥沙絮凝发育，但是影响因素存在临界值。随着泥沙浓度、紊动剪切率以及有机质浓度的增大，泥沙絮体粒径呈现先增大后减小的趋势。紊动剪切率、泥沙浓度、瓜尔胶和黄原胶浓度临界值分别为18 s-1、50 mg/L、5 mg/L和2 mg/L。.(2)絮体形态、形状和密实度会受到絮体粒径影响，同时有机质以及混合有机质均对絮体结构特性有控制作用，但是不同类型的有机质以及不同比例的混合有机质对絮体结构特性的影响程度不同。研究发现絮体粒径与椭圆离心率成正比、与凸出度成反比，絮体有效密度随着粒径的增加而衰减。在有机质的作用下有效密度衰减速率更快，并且衰减速率随着有机质浓度的增加呈现先减小再增大的趋势。.（3）对比不同类型的有机质影响结果可以得到，在瓜尔胶的作用下小絮体可进一步聚集为大絮体，说明非离子亲水聚合物瓜尔胶促进絮凝的能力明显强于阴离子亲水性多糖聚合物黄原胶。当瓜尔胶与黄原胶混合比例为2：8时，絮体粒径最大、絮体有效密度衰减速率最大，絮体结构也较为疏松。