黏性泥沙絮凝研究現(xiàn)狀與進展

李 杰，楊文俊，景思雨，陳 越

(1.長江科學院 河流研究所，武漢 430010；2.長江科學院，武漢 430010； 3.河海大學 水利水電學院，南京 210098)

1 研究背景

黏性泥沙顆粒在布朗運動、差速沉降、紊動剪切3種物理機制作用下聚集成團的過程稱為絮凝。泥沙顆粒的絮凝過程與水動力學特征、礦物組成成分、懸浮顆粒濃度、水體周圍環(huán)境等因素息息相關[1-6]。絮凝沉降會改變泥沙輸移規(guī)律，使得大量的細顆粒泥沙淤積，從而改變河口、海岸、航道的地貌特征[7-8]。因此，清晰認識泥沙絮凝的機理對河湖海岸保護、航道疏浚、懸移質(zhì)泥沙沉降輸移和污染物遷移的研究具有重要意義。

在微生物絮凝領域，微藻自絮凝概念最早由Golueke等[9]提出，Ummalyma等[10]進一步研究了微藻自絮凝效率對PH值的響應。微生物絮凝效率還與細菌濃度及其分泌的細胞外多糖(Exopoly Saccharides，EPS)有關[11]。對比分析生物絮凝、電絮凝、化學絮凝的絮凝效率可為微藻收集選擇最優(yōu)方法[12]。在疏浚領域，由于疏浚底泥含水率高且包含會造成二次污染的污染物。因此，許多研究通過復配絮凝劑使得疏浚底泥脫水及絮凝沉降效率最高[13-15]。在污水治理領域，由于排放污水未經(jīng)凈化以及排放污水量劇增導致凈化不徹底，需研究高效污水處理方法。不僅要研究厭氧-缺氧-好氧(AAO)工藝和絮凝沉淀混合工藝對廢水的處理效果[16]，也要研究有機高分子絮凝劑、無機絮凝劑、微生物絮凝劑等不同性質(zhì)絮凝劑對水體的凈化效果[17]。結(jié)果表明微生物絮凝劑相對其他絮凝劑在凈化水體過程中效率高、成本低，產(chǎn)生二次污染較少。綜上，在選礦[18]、污廢水處理等方面主要研究絮凝劑及助凝劑對細顆粒介質(zhì)及污染物絮凝沉降的效果。

盡管化工、污廢水處理、微生物絮凝等領域與泥沙絮凝的絮凝原理相同，但是前者注重于絮凝劑的絮凝效率研究，通過研發(fā)高效絮凝劑促進絮凝來達到礦物分選、污水治理、縮短絮凝時間、降低成本等目的。后者在天然情況中影響因素復雜，且泥沙絮團具有微小易碎的特點，以及缺乏精確測量泥沙絮凝沉降的設備，導致對泥沙絮團特性的分析還存在一定困難。研究絮凝機理，清晰泥沙淤積演變規(guī)律，減少污染物二次排放，可達到延長水庫、航道使用壽命的目的。目前國內(nèi)外學者設計了許多泥沙絮凝沉降的測量裝置，并結(jié)合室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬及現(xiàn)場觀測等手段開展了大量有關泥沙絮凝沉降機理的研究。本文在對已有的泥沙絮團測量裝置、研究方法和研究成果總結(jié)的基礎上，分析已有研究存在的不足，對進一步泥沙絮凝研究作出展望。

2 試驗設備及方法

隨著室內(nèi)試驗、現(xiàn)場觀測及數(shù)值模擬等手段使用的裝置及方法改進，泥沙絮凝形成機理得到更加廣泛和深入研究。

2.1 現(xiàn)場實驗

現(xiàn)場觀測主要采用一種安裝在河床上可實時測量泥沙絮團的原位沉速儀(In Situ Settling Velocity Instrument，INSSEV)觀測絮團，該裝置由取樣裝置、沉降柱以及水下攝影記錄系統(tǒng)構(gòu)成。將儀器放在河床底部，打開上室捕捉樣品，使樣品自由沉降到下室，通過水下攝像機測量的絮團尺寸和沉速來估計絮團的有效密度和質(zhì)量[19]。也有學者[20-22]在不干擾絮團的情況下，用LISST-100 X型激光原位散射透射儀測量原位絮凝物粒度分布、懸沙粒徑及體積濃度。該儀器基本原理是向水體中發(fā)射激光束，激光經(jīng)水體懸浮顆粒散射吸收后被環(huán)形探測器記錄和儲存，結(jié)合Mie散射理論反推散射數(shù)據(jù)，獲取水中顆粒物體積濃度和顆粒粒徑分布。結(jié)果表明，LISST-100 X能夠較好地獲得顆粒粒度及體積分布，但是不能測量高懸沙濃度下的泥沙粒徑。

在三峽庫區(qū)絮凝泥沙的臨界粒徑測量試驗[23]和長江中下游河段黏性細顆粒泥沙絮凝研究[24]中，采用聲學多普勒流速儀(Acoustic Doppler Velocimetry，ADV)和聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)測量流速，通過泥沙采樣法獲取含沙量。根據(jù)泥沙擴散理論和Stokes沉速公式計算沉速和絮團粒徑。該方法不足之處有兩點：①泥沙采樣計算含沙量的過程會破壞絮團結(jié)構(gòu)；②泥沙絮團存在大量充滿水和有機質(zhì)的孔隙，采用stokes公式反算絮團粒徑只能近似得到原始狀態(tài)的絮團粒徑。

2.2 室內(nèi)研究

為研究黏性細顆粒泥沙絮凝機理，一系列模擬紊流作用下泥沙絮凝的室內(nèi)實驗裝置應運而生，目前常用的實驗裝置簡圖見圖1。Huang等[25]在Couette-type絮凝器中研究水流剪切對絮團形成的影響，并在disk-type絮凝器中研究差速沉降對絮團形成的影響。在絮凝試驗中使用的儀器裝置還有各型號的玻璃沉降筒[26-29]。上述儀器均需用移液管獲取絮團，再使用粒度儀測定絮團級配，由渾清交界面高度隨時間變化過程推算流速。移液管取樣過程中會造成絮團破壞而不能得到準確的信息。

圖1 試驗常見裝置簡圖Fig.1 Schematic diagram of common experimental device

鑒于非原位觀測易造成絮體破壞，一些原位觀測泥沙絮凝的儀器及手段得以應用[6,30-34]。王軍[30]設計了一種由多層格柵振動產(chǎn)生各向均勻紊流的實驗裝置，細顆粒泥沙在紊流作用下相互碰撞粘結(jié)形成絮團，用高速相機連續(xù)拍攝絮團圖片并傳輸至電腦，結(jié)合基于MATLAB的粒子追蹤測速(PTV)程序[32]處理圖片獲取絮團顆粒大小和沉速，或使用開源圖像分析軟件Image J軟件[33-34]進行圖像粒子提取分析。為了對生物膜、有機質(zhì)作用下產(chǎn)生絮團的微觀結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)合電鏡掃描技術(shù)[34-37]獲取絮體的電鏡圖，從而計算孔隙形態(tài)參數(shù)，分析有機質(zhì)、微生物代謝物質(zhì)對絮團形成的影響。利用該方法可以較好地對絮團進行原位觀測，同時還能研究泥沙絮凝的影響因素，不足之處在于高濃度水體會影響圖片清晰度，從而影響絮團分析。

2.3 數(shù)值模擬

在天然河道水流中有機質(zhì)、電解質(zhì)、水流紊動等因素同時存在，而這些因素又會影響泥沙絮凝。受分析手段限制，利用室內(nèi)試驗模擬天然河道時，考慮所有影響因素在內(nèi)的泥沙絮凝研究存在困難。為了解不同影響因素對泥沙絮凝的影響程度，基于MATLAB平臺編程，建立了1 m×1 m×2.5 m的三維模擬區(qū)域，并以分形聚集生長模型為基礎，研究了考慮布朗運動、重力及紊流作用下的泥沙絮凝發(fā)育特點[38]。黃忠釗等[39]提出了改進的聚合模型模擬顆粒間分形機理，結(jié)果表明初始顆粒數(shù)量、絮團粒徑分布、最大分形維數(shù)出現(xiàn)時間均會隨分形維數(shù)的變化而變化。王龍等[40]引用無參數(shù)可解性的斯托克斯動力學方程，并將擴展的德亞蓋因-蘭多-弗韋-奧弗比克(Extended Derjaguin Landau Verwey Overbeek，XDLVO)理論作為顆粒間的物理化學模型，分析鹽度對泥沙顆粒聚集的影響。不同紊動條件對泥沙絮凝發(fā)育影響則建立三維格子玻爾茲曼數(shù)學模型實現(xiàn)[41]。在三維格子玻爾茲曼模型基礎上，引入XDLVO理論描述顆粒間作用力，并模擬差速沉降下的泥沙顆粒絮凝過程，分析不同礦物成分對絮凝影響[42]。

上述數(shù)值模型中，分形聚集生長模型提出過多假設將天然河道理想化，并且僅模擬單個因素作用下的泥沙絮凝，不能完全反映天然絮凝。XDLVO理論可以直接模擬多粒度、多組分的混合物的絮凝，格子玻爾茲曼模型可以求解顆粒與流體全尺度作用問題，還能較好模擬顆粒間受力情況，但是顆粒運動路徑受限于格子網(wǎng)格線方向，自由度受到極大限制。

采用數(shù)學模型模擬天然河道環(huán)境能夠較好地分析絮凝規(guī)律，但是對計算機性能要求高。目前的數(shù)學模型也不能完全模擬天然河道中各絮凝影響因素相互作用及其隨周邊環(huán)境變化情況，因此需要進一步探究更合適的數(shù)學模型，并與室內(nèi)試驗和現(xiàn)場觀測結(jié)果對比研究。

3 研究成果

綜上，盡管不同研究者運用的試驗手段各有不同，但是在紊動剪切率、鹽度、礦物組成、懸沙濃度、有機質(zhì)、離子濃度等因素作用下，對泥沙絮團沉速、大小、分形維數(shù)等參數(shù)變化規(guī)律有一定共性認識。研究成果統(tǒng)計見表1。

表1 絮凝成果統(tǒng)計Table 1 Statistics of flocculation research results

天然河道、水庫水體并非靜止不動，因此，國內(nèi)外學者開展了大量關于水流紊動作用下的泥沙絮凝試驗。研究表明，水流紊動作用可以增大顆粒間的碰撞頻率，從而加快泥沙聚集成團，同時產(chǎn)生的強剪切力也會剪切破壞大而疏松的泥沙絮團。Winterwerp等[46]對比利時Scheldt河的絮團沉速進行現(xiàn)場觀測；郭超等[24]在洪枯季觀測長江中下游河段的絮團粒徑及體積濃度，指出流速<1 m/s時，隨著流速增加會促進絮凝形成；還指出顆粒粗細會影響絮凝程度，顆粒越細的泥沙絮凝程度越高。柴朝暉等[38]在MATLAB平臺上進行的絮凝數(shù)值模擬研究表明，紊流作用下的黏性泥沙絮凝沉降速度和平均絮團粒徑變化可分為加速、等速和減速3個階段。絮團分形維數(shù)在模擬區(qū)域下部最大，中部最小，并隨紊動增加呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，隨絮凝試驗時間的增加呈現(xiàn)先增后減規(guī)律。Safak等[20]提出近床處的強紊動會導致大絮團破裂。三維格子玻爾茲曼模型研究紊動剪切強度對泥沙絮團影響[41]表明，絮團生成時間隨紊動剪切率的增加而先減后增。臨界紊動剪切率為200 s-1，與Winterwerp等[46]在Tamar河口現(xiàn)場測定的臨界剪切應力0.2 N/m2換算后一致。綜上所述，以往研究多為紊動對絮團發(fā)育的定性分析，指出紊動剪切率對絮團發(fā)育的影響具有雙面性。關于紊動內(nèi)部結(jié)構(gòu)與絮團特性的定量分析還略顯不足。因此，紊動對絮凝影響還需進一步研究。

在黏性泥沙集中區(qū)域形成的絮團粒徑可達300 μm，表明絮團粒徑與懸浮泥沙濃度相關，懸沙濃度的增加促進顆粒間碰撞形成大絮團[20]。Chen等[47]根據(jù)等效周長和等效面積與最大長度的關系獲取一維分形維數(shù)(式(1))和二維分形維數(shù)(式(2))來表征絮團結(jié)構(gòu)幾何分形特征，并指出分形維數(shù)會隨著泥沙濃度的增加而增加。

P～lD1；

(1)

A～lD2。

(2)

式中：P為等效周長；A為等效面積；l為最大長度；D1為一維分形維數(shù)；D2為二維分形維數(shù)。

分形維數(shù)與絮團物理性質(zhì)相關，可表征絮團結(jié)構(gòu)分形特征[48]，F(xiàn)eder[49]由分形維數(shù)計算絮團密實度和絮團孔隙率(分別見式(3)和式(4))，Tang等[50]根據(jù)孔隙率進一步計算絮團臨界拉應力(見式(5))。

(3)

(4)

(5)

式中:λ為絮團密實度；ε為絮團孔隙率；σT為絮團臨界拉應力；DF為分形維數(shù)；F為絮凝因子；df、d0分別為絮團等效粒徑和初始顆粒粒徑。

目前，眾多學者采用等效面積和等效周長計算不同影響因素作用下的絮團分形維數(shù)，對絮團結(jié)構(gòu)的研究也局限于二維結(jié)構(gòu)。為準確了解絮團強度、孔隙率、分形特征、顆粒間搭接方式，需加強三維結(jié)構(gòu)觀測和進一步研究絮團分形維數(shù)的計算方法。

Lau[51]試驗指出溫度升高會降低水體黏度而加快顆粒間碰撞，促進絮凝發(fā)育，同時也會增加顆粒間排斥力抑制絮凝發(fā)育。喬光全等[42]利用引入XDLVO后的三維格子玻爾茲曼模型研究不同礦物泥沙形成絮團的難易程度，得出絮凝發(fā)生從易到難依次為伊利土、高嶺土、蒙脫土。喬光全等[45]用多層振動格柵進行試驗，得出相同紊動條件下，鹽水中的絮團體積含量多于淡水。王龍等[40]通過數(shù)值模擬方法闡述鹽度存在會加快泥沙顆粒絮凝。Xia等[22]在珠江口觀測泥沙絮凝發(fā)現(xiàn)垂直分層的鹽度會促進大絮團形成。湯德意等[26]在疏浚底泥中加入絮凝劑研究淤泥絮凝沉降速率，發(fā)現(xiàn)Fe3+、Al3+可以顯著改善上清液濁度。造成這一現(xiàn)象原因可能是金屬陽離子與泥沙顆粒表面負電荷結(jié)合而減小了顆粒間排斥力，促進絮凝沉降。用有機質(zhì)培養(yǎng)顆粒發(fā)現(xiàn)隨有機質(zhì)含量增加，絮團粒徑呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律[36]。趙慧明等[37]發(fā)現(xiàn)微生物及代謝產(chǎn)物會充斥于顆?？紫堕g橋聯(lián)顆粒，也會包裹單個顆粒促進絮凝。針對有機質(zhì)和離子濃度對絮凝的影響程度，相關學者進行了分析[52-53]，他們認為有機質(zhì)影響程度大于離子濃度，但是同時考慮有機質(zhì)和離子濃度的研究還相對較少，需要進一步試驗加以驗證。

現(xiàn)有研究得出各因素影響下的泥沙顆粒絮凝機理主要有以下幾點： ①泥沙顆粒表面存在大量負電荷， 根據(jù)電荷同性相斥異性相吸原理， 加入不同類型電解質(zhì)及電解質(zhì)濃度中和顆粒表面負電荷后可減小顆粒間排斥力， 進一步促進泥沙絮凝[53]； ②生物有機質(zhì)提供纖維結(jié)構(gòu)， 增強泥沙顆粒間的粘結(jié)， 同時有機質(zhì)也吸附在顆粒表面改變表面電荷， 促進絮凝[36-37，54-55]； ③弱水流紊動促進顆粒相互碰撞形成絮團， 強水流紊動導致絮團破裂， 抑制泥沙絮凝。 當水流紊動減弱時， 破碎的絮團又重新聚集成團。 各因素作用下泥沙顆粒絮凝可由圖2直觀表示。

圖2 絮凝發(fā)育示意圖Fig.2 Schematic diagram of flocculation development

4 不足與展望

4.1 不 足

盡管對黏性泥沙絮凝研究已經(jīng)開展許多試驗，但是仍然存在一些不足：

(1)取樣觀測的試驗裝置會破壞絮團，然而原位觀測的試驗裝置又不能觀測高濃度水體絮凝。數(shù)值模擬方法也只能模擬小尺度泥沙絮凝。

(2)天然河流泥沙絮凝受多因素共同影響，而上述試驗研究多為單因素試驗研究。

(3)缺乏絮團結(jié)構(gòu)與水流結(jié)構(gòu)之間的定量分析試驗。

(4)絮團特性分析均是基于二維圖像，缺少三維絮團研究。

4.2 展 望

針對現(xiàn)有試驗存在不足，未來應加強以下幾方面的試驗研究。

(1)改進現(xiàn)有試驗設備，使其能原位觀測高濃度水體的絮凝；構(gòu)建能模擬大尺度、多因素共同影響泥沙絮凝的數(shù)值模型。

(2)加強水流紊動、懸沙濃度、溫度、鹽度等多因素作用下的絮團研究。

(3)加強水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)與絮團特性變化規(guī)律的定量研究。例如渦旋大小與絮團大小、分形維數(shù)的對應關系。

(4)加強三維絮團結(jié)構(gòu)觀測研究。