粘土絮凝有害藻华中絮体分形生长的实验研究与数值模拟

The aim of this research is to measure the characteristics of fractal floc growth, analyze the changes of flocculation mechanism in flocculation of harmful algal bloom (HAB) organisms by clays, eatablish the flocculation kinetic model, and reveal the key factors influencing removal efficiencies（RE）of HAB organisms through experimental study and numerical simulation. In this research, microfluidic chips with surface-specific modification will be prepared and used for the observation of a single fractal floc growth through a microscope. Factors influcencing fractal floc growth, such as HAB species, flocculants, environmental conditions, etc., will be incorporated in modeling the fractal floc growth kinetics. The kinetic expressions of fragmentation in turbulent shear will be appropriated. Based on the fractal floc growth kinetics model, the kinetic expressions of fragmentation, CFS (coalesced fractal sphere) model, the flocculation kinetic model will be established. Based on the sectional method, the program will be compiled, and the numerical simulation will be carried. The key factors influencing RE will be evaluated according to simulation results. Combined with experimental results and numerical simulation, a prospective study is carried for the quantification of the key factors influencing RE. This research will provide technical guidance for efficient flocculation of HAB organisms and be an important scientific problem.

本项目旨在测定粘土絮凝有害藻华生物过程中絮体分形生长特征，分析絮凝机制的变化，建立絮凝动力学模型，最终通过实验研究和数值模拟，揭示影响藻华生物细胞去除效率的关键因子。本项目将制备具有表面特异性修饰的微流控芯片，利用显微镜观测单个絮体的分形生长过程；研究藻华生物、絮凝剂、环境等絮凝条件对絮体分形生长的影响，建立絮体分形生长动力学模型；拟合絮体破碎动力学方程；基于絮体分形生长动力学模型、絮体破碎动力学方程、CFS模型，建立絮凝动力学模型；利用分段法，编写程序并进行数值模拟；根据模拟结果，评估关键因子对絮凝效率的影响。本项目结合实验结果和数值模拟两种手段，定量研究关键因子对藻华生物细胞絮凝效率的影响，为有害藻华的高效絮凝治理提供技术指导，具有重要的科学意义。

项目背景：.粘土絮凝有害藻华具有成本低、无二次污染、操作简单等特点，在中国、韩国、美国等已得到广泛应用。粘土絮凝法是有害藻华应用处理的主要方法，但实际应用中仍存有粘土用量大、凝聚藻细胞能力低等问题。因此，提高粘土的絮凝能力、增加藻细胞的去除效率是粘土矿物絮凝法的研究重点之一。本项目旨在测定粘土絮凝有害藻华生物过程中絮体分形生长特征，建立絮凝动力学模型，最终通过实验研究和数值模拟，揭示影响藻华生物细胞去除效率的关键因子。..主要内容、关键数据和科学意义：.（1）实验分析了粘土理化特征、粘土用量等关键因子对藻华生物絮凝去除效率的影响。研究结果表明，中肋骨条藻的去除率随粘土浓度增加而增大；中肋骨条藻的去除率与粘土的表面电位、比表面积正相关，而与粘土的硅铝比负相关；关联度分析表明，粘土比表面积是去除率的主要影响因子，而硅铝比影响较小。.（2）测定粘土和改性粘土对三种有害藻华生物，赤潮异弯藻、亚历山大藻和中肋骨条藻的去除动力学，计算了不同浓度时有害藻华生物的絮凝去除效率；利用图像法和颗粒计数器—图像法，测定了粘土絮体和粘土颗粒―藻华细胞絮体的分形维数。研究表明，PACl（polyaluminum chloride）减少了粘土颗粒之间的排斥力，从而降低了絮体的分形维数；藻细胞的结构、粒径和表面积/体积比，可影响絮体的分形维数和藻细胞的絮凝去除效率。.（3）基于Smoluchowski传统絮凝扩散理论和分形理论（fractal theory），建立粘土-藻华生物细胞的分形絮凝模型；考虑多种影响参数，编写Fortran程序模拟絮凝过程；模拟研究了粘土的浓度、分形维数，藻细胞的浓度、分形维数，粘土―粘土、粘土―藻细胞的有效碰撞系数，水流切应速度等因素对藻细胞去除率、粘土沉降效率、絮体粒径的影响。研究表明，粘土―藻细胞有效碰撞效率、粘土浓度的增加可以增大藻细胞絮凝效率，粘土―粘土有效碰撞效率、粘土分形维数、藻细胞浓度的降低可以增加藻细胞絮凝效率，适度的切应速度和藻细胞分形维数可以增加藻细胞絮凝效率。粘土―藻细胞有效碰撞效率和粘土分形维数变化对藻细胞絮凝效率影响较大。PACl改性粘土可以增加粘土―藻细胞有效碰撞效率，降低粘土分形维数，从而增大藻细胞絮凝效率。..主要结果：.项目共发布论文4篇（SCI/EI共3篇），申请发明专利4项（3项已授权）。