分层水库等温层曝气动力学模型

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1、分层水库等温层曝气动力学模型1绪论1.1课题研究背景及意义湖泊、水库等水资源的开发利用与人类的生产和社会活动紧密相连。近年来，随着我国社会经济的高速发展以及城市化进程的加速，湖泊、水库等水资源的开发利用不断加快，人类的社会活动已在不同程度上破坏了湖泊、水库等正常的生态系统，将进一步危及中国城市的饮用水安全。根据2012年中国环境状况公报[1]，62个国家重点控制湖泊（水库）中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的湖泊（水库）比例分别为61.3%、27.4%和11.3%，主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数；除密云

2、水库和班公错外，中度富营养状态、轻度富营养状态、中营养状态、贫营养状态比例分别为6.7%、18.3%、61.7%、13.3%。在我国27个重要水库中，25个水质为优良；尼尔基水库和莲花水库为轻度污染，主要污染指标均为总磷。26个重要水库的营养状态评价结果表明，崂山水库为轻度富营养状态，其他水库均为中营养或贫营养状态。地下水资源的超量开采已经引起了地下水水量减少、地面沉降等一系列生态环境问题，地下水资源的水质污染问题也日益突出，目前国内各大、中城市已经或正逐步把湖泊、水库作为生活饮用水和生产用水水源。湖泊、水库水体的水

3、质也有逐年下降的趋势，一方面是由于遭受城市生活污水、工业废水等点源及农业生产、水土流失等面源的外源污染，另一方面是由于湖泊、水库水体内部及底泥污染物释放等导致的内源污染[2,3]。近年来，随着我国政府在水资源保护力度的加大，特别是对深水型湖泊、水库等水源的保护，湖泊、水库水体的外源污染已得到有效的控制，水体内源污染正逐渐演变成为影响湖泊水库水质的主导因素之一。湖泊水库等水源水质的恶化不仅影响城市供水安全，而且会大大提高给水厂水处理的综合成本，以确保出厂水水质稳定达到国家《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)

4、。.1.2分层湖泊水库内源污染控制技术现状湖泊水库水体污染主要来自外源污染和内源污染两大类；外源污染主要是指通过各种渠道从外界进入湖泊、水库水体的污染源引起的水体污染，包括生活污水、工业废水、受污染的支流汇入、农业及其他地表径流、物种入侵；内源污染主要是由于湖泊和水库内部沉积物中污染物的释放等引起的水体污染[4]。目前，湖泊水库的外源污染已经或者正逐步得到控制，湖泊水库的内源污染正在或将会成为湖库水体污染的主要因素。分层湖泊水库一般水深较大，地形较为复杂、水体容积大、流速缓慢，夏冬季节表层水体与底部水体存在较大的温度

5、差别，常产生水体自然水温分层现象[5]，自上而下依次形成不同温度和密度的三个水团层，即水温变化较小的变温层、温度梯度较大的跃温层和水温相对恒定的等温层[6]。跃温层常存在于强光照、低营养的表层水体与弱光照、高营养的底部水体之间，它阻碍了上下层水体之间的物质及能量的交换，从而对湖库水体的水质演变和生态进程产生重要影响[7]。水体分层后，跃温层阻碍了表层富氧水体的向下传递，底层水体中生物的呼吸作用和底泥中大量还原性物质的氧化作用造成底部水体溶解氧的逐渐减少，使底部水体处于缺氧、厌氧状态，从而加速了内部营养盐循环和络合金属

6、物质的溶解释放[4]。当底部水体溶解氧浓度低于2mg/L时，底泥中的氮、磷、有机质、铁和锰等污染物向底部水体释放溶解[3]。在春秋季节，当湖泊水库底部与表层水体水温差别较小时，湖泊、水库将发生翻库现象，导致整个水体受到污染，进在翻库混合作用下大量污染物质从底部水体被转移到水体表层，污染整个湖泊水库水质，使表层水体获得足够的营养盐而加速发生富营养化进程，从而引起水体水质的进一步恶化。.2等温层曝气水动力学模型构建及验证2.1水动力学模型的构建方法等温层曝气器可分为升流区、下降区、气液分离区和出流区四部分，其功能类似于气

7、升式外环流反应器。当曝气室底部曝气时，由于气泡的存在引起升流区与下降区液体的密度差，从而推动曝气室内液体源源不断的循环流动。曝气室内气液运动的驱动力来自气体释放器释放出的气体的膨胀输入能量，等效于曝气室内外水体密度差产生的有效作用水头；曝气室内气液两相流运动的总能量损失主要包括曝气室顶部、边壁、进出口及气泡尾涡产生的能量损失。曝气室内流体的能量平衡如方程（2-1）所示[36]。PI表示气体等温膨胀输入的能量，PT、PE、Pdash;20％，曝气量Qg越低其所占比值越大[36]。能否准确表征尾涡能量损失Pn;30％左右

8、，所以对涡流能量损失表达式的研究很有必要。现以三种形式能量平衡方程，即分别基于经验涡流能量表达式、本文给定的涡流能量表达式、忽略涡流能量表达式，利用公布的相关实验数据简单探讨下三种能量平衡方程得适用性和准确性。.3等温层曝气水动力学模型的应用..........233.1小试装置及方法..........233.2等温层曝气器小试结果与分析..