沿海电厂排水泡沫稳定性影响因素及溢流堰曝气模式研究

《Sustainability》：Study on the Factors Affecting the Stability of Drainage Foam in Coastal Power Plants and the Aeration Pattern of the Overflow Weir

　　

沿海电厂通过冷却水循环系统从开阔海洋抽取海水。冷却水在虹吸井内溢流堰跌落，卷入大量空气，并在排放入海时形成泡沫污染羽流。本研究结合物理模型实验与数值模拟，探究了控制泡沫稳定性的关键因素以及虹吸井溢流堰下游水体的曝气行为。主要结论如下：在实验室条件下测试的三个单因素变量——温度、盐度和贝肉悬浮液浓度——中，生物物质代理对泡沫稳定性的影响最强；当贝肉悬浮液浓度达到20%（基于质量/体积，独立配制）时，泡沫体积和半衰期分别比4%基线条件增加1.4倍和3.36倍。当无量纲曝气深度z/z₉₀ < 0.75时，空气浓度剖面随深度增加而缓慢上升，而当接近自由表面时则上升更快。在所研究的1.0–8.3 mPa·s粘度范围内（纯水对照为1.0 mPa·s，4%–20%贝肉悬浮液的实测粘度为1.5–8.3 mPa·s），截面平均空气浓度随液相粘度增加呈总体下降趋势，总气泡数密度相应减少。研究结果提供了实验室层面的机制指示，这些机制必须在物理消泡技术的发展中予以解决；还需通过现场排水进行验证。

**论文解读：沿海电厂排水泡沫稳定性影响因素及溢流堰曝气模式研究**

**1. 研究背景与问题**

沿海电厂普遍采用直流冷却方式，从海洋中抽取海水用于冷却系统。冷却水在虹吸井内的溢流堰处跌落，过程中会卷入大量空气，形成气泡。由于电厂取水过程中的卷吸效应，海水中含有大量海洋生物碎屑和表面活性颗粒，这些物质阻碍了气泡的破裂，导致大规模泡沫污染羽流的形成，造成视觉和嗅觉污染，影响沿海旅游业和休闲业的发展。目前，针对沿海电厂泡沫产生与稳定性的研究尚不充分，缺乏对泡沫持久存在原因的系统分析，尤其是海洋生物物质在其中的作用机制尚不明确。因此，开展这项研究旨在揭示影响排水泡沫稳定性的关键因素，并探究溢流堰下游曝气模式，为开发物理消泡技术提供理论基础。

**2. 研究内容与结论**

研究人员通过物理模型实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了沿海电厂排水泡沫稳定性及溢流堰曝气行为。首先，利用实验室气泡柱装置，在控制温度、盐度和海洋生物物质（采用贝肉悬浮液作为代理）条件下，测量泡沫层高度和半衰期，确定关键影响因素。其次，基于CFD-PBM（计算流体动力学-群体平衡模型）耦合模型，对虹吸井溢流堰下游的气液两相流动进行数值模拟，分析气泡尺寸分布和数密度，探讨液相粘度对曝气浓度和气泡分布的影响。研究发表在《Sustainability》期刊。

**3. 主要技术方法**

- **物理模型实验**：采用实验室气泡柱装置，使用从广州华润热电厂和珠江电厂附近狮子洋沙扎里水道采集的现场海水，并添加独立配制的贝肉悬浮液（4%–20%质量/体积浓度）作为海洋生物物质代理。实验控制温度（25–45°C）、盐度（0–40 g/kg）和生物物质浓度，测量泡沫层高度和半衰期，并以旋转粘度计（DV-II+ Pro, Brookfield）测量各悬浮液表观粘度（1.5–8.3 mPa·s）。
- **数值模拟**：建立CFD-PBM耦合气液两相流模型，采用RANS k-ε湍流模型和Luo模型描述气泡聚并与破碎，使用结构化六面体网格（约120万单元），边界条件包括速度入口、压力出口和无滑移壁面。模拟在ANSYS Fluent 2022 R1中执行，并利用自循环明渠水槽（溢流堰高0.30 m，宽0.30 m，下游坡度60°）的物理实验数据进行验证（流量2000 mL/s）。

**4. 研究结果**

**4.1 温度对泡沫稳定性的影响**
通过设置5个温度水平（25–45°C，盐度30 g/kg、生物物质浓度4%恒定）进行实验，发现泡沫层高度和半衰期均随温度升高而下降（25°C时高度25 cm、半衰期78 s；45°C时高度16 cm、半衰期48 s）。温度升高增加了发泡剂溶解度，降低了液相粘度，加速液膜排液，从而削弱泡沫稳定性。

**4.2 盐度对泡沫稳定性的影响**
采用人工海盐控制盐度（0、10、20、30、40 g/kg，温度25°C、生物物质浓度4%恒定），结果显示泡沫体积和半衰期随盐度升高而增大，40 g/kg时分别为0 g/kg时的1.19倍和2.00倍。盐度增加提高了表面活性物质的临界堆积参数（CPP），增强表面弹性和粘度，抑制气泡聚并。小气泡（直径<2 mm）受盐度影响更为显著。

**4.3 海洋生物物质浓度对泡沫稳定性的影响**
使用不同浓度（4%–20%）贝肉悬浮液（温度25°C、盐度30 g/kg恒定），泡沫体积和半衰期随浓度显著增加，20%浓度时泡沫体积和半衰期分别为4%基线条件的1.4倍和3.36倍。悬浮液表观粘度从1.5 mPa·s（4%）升至8.3 mPa·s（20%），表明生物物质通过增加液相粘度和蛋白质吸附增强液膜强度，从而稳定泡沫。

**4.4 清水案例溢流堰曝气模拟结果**
对清水（自来水）在2000 mL/s流量下进行模拟，结果表明：当无量纲曝气深度z/z₉₀ < 0.75时，空气浓度随深度增加缓慢上升；接近自由表面时上升加快。四个截面的曝气浓度剖面几乎重合，表明流动达到均匀流状态，底部曝气浓度约为6.8%。气泡尺寸分布显示，水面上方空气中小气泡（1–2 mm）占主导，而溢流堰面及下游流面附近大气泡数量增加。

**4.5 液相粘度对曝气的影响**
以贝肉悬浮液实测粘度（1.5–8.3 mPa·s）及纯水对照（1.0 mPa·s）作为输入，模拟结果显示：截面平均空气浓度随液相粘度增加呈总体下降趋势（约8–15%），总气泡数密度下降约4%。Sauter平均直径（d₃₂）随粘度增加而增大，大气泡数量比例上升，小气泡比例下降，因高粘度降低气泡破碎率并加速聚并。

**5. 讨论与结论**

研究结论指出：（1）在实验室条件下，海洋生物物质浓度对泡沫稳定性的影响强于温度和盐度，表明生物源大分子有机组分（蛋白质、多糖）可能是沿海电厂排水泡沫持久存在的关键因素，但贝肉悬浮液为简化代理，需通过现场水质表征验证。（2）CFD-PBM模型能有效再现溢流堰下游流态和曝气演变，可进行多组对比研究。（3）溢流堰下游曝气浓度呈两阶段分布：小相对水深时缓慢增加，接近自由表面时快速上升。（4）液相粘度增加导致平均曝气浓度下降、总气泡数密度减少、平均气泡直径增大。实际意义：泡沫对生物物质浓度的高度依赖性提示生物负荷管理（如优化取水口位置、增设拦污栅）可能比温度或盐度调控更有效；两阶段曝气剖面表明可针对近表面区域进行泡沫拦截；粘度对气泡尺寸的影响暗示针对1–2 mm气泡的化学消泡剂可能更高效。局限性包括：贝肉悬浮液为简化代理，未考虑实际排水中溶解有机物、悬浮泥沙、油类及余氯氧化产物；实验仅采用单一气量和时长；CFD-PBM采用均匀初始气泡尺寸分布和五个离散粒径组；模型验证限于单流量和两种水质；单因素实验未探索温度、盐度与生物物质的交互作用。未来研究方向包括：开展多因子交互实验、实际排水有机物表征、高速成像测量初始气泡尺寸分布、扩展CFD-PBM验证、以及测试消泡策略。