【摘 要】
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藻水分离是处理蓝藻水华和微藻采收的必要工艺单元,混凝沉降是常用的技术之一。但是传统混凝沉降技术存在分离效率低和沉降耗时长等问题。梯级流化床是一种新型的混凝装置,在煤泥水、高岭土等领域的混凝实验表明其具有混凝速度快、絮体密实易沉降等优点,本研究依据固体流态化特性和混凝动力学理论构建了多级速度梯度流化床混凝装置（MGF）用于微囊藻的连续采收,并与单级速度梯度流化床混凝装置（SGF）机械搅拌混凝（MSC
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藻水分离是处理蓝藻水华和微藻采收的必要工艺单元,混凝沉降是常用的技术之一。但是传统混凝沉降技术存在分离效率低和沉降耗时长等问题。梯级流化床是一种新型的混凝装置,在煤泥水、高岭土等领域的混凝实验表明其具有混凝速度快、絮体密实易沉降等优点,本研究依据固体流态化特性和混凝动力学理论构建了多级速度梯度流化床混凝装置（MGF）用于微囊藻的连续采收,并与单级速度梯度流化床混凝装置（SGF）机械搅拌混凝（MSC）进行了比较。讨论了混凝控制指标G、T值以及微涡旋的变化对混凝效率的影响,并且初步研究了反应的动力学特征,最终基于絮体结构特性对Stokes沉降公式进行了初步修正,以期为流化床混凝沉降技术在水华蓝藻大规模连续高效收获中的应用从流体动力的角度提供理论基础和数据支撑,为设计高效的流化床混凝装置提供科学指导。具体研究内容和成果如下:探究了不同药剂制度和混凝操作参数对微囊藻混凝效果的影响。确定了最佳加药制度即每升藻液中加入30 mg L-1的Fe Cl3和2 mg L-1的阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）。表观流速的变化可同时改变速度梯度G值和混凝停留时间T,而初始充填高度主要改变的是混凝时间T,此外颗粒性质对速度梯度G有显著影响。单级流化时最适的G值范围为148.7s-1-248.9s-1。停留时间T的最适范围是11.5 s-26.0 s;混凝效率基本随着GT值的增大而增大,但当GT值超过10000时则可能会造成絮体破碎产生造成混凝效率一定程度的下降。随着絮体的生长,应当调控流场,使流场中的速度梯度逐渐降低（涡尺度增加）,以实现在较高的碰撞和粘附的同时降低絮体的破碎。通过逐级优化的方式构建了MGF,确定了的最佳颗粒充填制度,当速度梯度与停留时间配比为G1=351.1 s-1、G2=216.1 s-1、G3=123.8 s-1、T1=12.5 s、T2=8.5s、T3=6.1s时MGF的内的混凝效果最佳,在表观流速为16.7 mm s-1时可达97.6%的收获效率。对比MGF与SGF和MSC在处理水华微囊藻时的混凝收获效果和混凝机制。结果表明,MGF相比SGF混凝效率提高7%-20%,絮体具有更大的尺寸（662μm）,更高的分形维数（1.799）,由MGF生成的絮体平均沉降速率是SGF的2倍以上,进而提高了混凝效率（97.6%）。与MSC相比,MGF产生的絮体虽然平均粒径相近,但分形维数较大,絮体结构紧实,沉降性能有较大提升。当絮体分形维数Df＞1.63,絮体相对较致密时,分形维数对沉降速率的影响要小于絮体粒径,而当分形维数Df＜1.63时,絮体沉降速率主要受分形维数影响。借鉴已有的絮体碰撞模型,探讨了MGF中絮体的碰撞速度、平均距离的变化规律。结果表明,絮体间的碰撞主要为非粘性碰撞,絮体平均距离沿床高不断增加,絮体密度和碰撞速率则沿床高呈下降趋势。推导了2种基于絮体结构特征的修正斯托克斯沉降速度方程,并通过实际数据验证了该模型计算出的沉降速度更接近实际值。该论文有图66幅,表8个,参考文献113篇。
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