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水污染控制工程实验指导
水处理工程实验指导
目录
实验一颗粒自由沉降实验
实验二絮凝沉降实验
实验三混凝剂的用量对色度去除的影响
实验四pH对硫酸铝去除分散染料的影响
实验五活性炭吸附实验
实验六城市污水处理厂性质的测定
实验七氯化铁的加药量对污泥脱水实验
实验八调节时间对氯化铁改善污泥脱水性能的影响
第一章序论
1对废水处理实验的观念
废水处理本身就不是纯理论学科,实验显得尤为重要。
研究、设计、运行管理都离不开实验。
从实验中得到规律性的认识、得到设计参数、得到运行管理的指导。
学生实验可分为几类:
验证性实验、综合性实验和探求未知实验。
从学生在实验中的作用来看可分为自我设计实验和被动完成实验。
本课程实验为了提高同学的实验能力,在实验安排上希望有所新意。
不管什么实验都有勇于探索的科学精神,严格的科学态度,仔细观察,真实记录,不马虎,讲卫生整洁。
实验中少说话,多思考多观察。
一个实验一般总是前后相关,如果前面没有做好后面就无法做好,因此需要大家每个实验之前有所准备。
2废水处理实验过程
(1)实验前的准备
学生进入实验室之前,要就实验所做的内容查相关的资料,写好实验设计报告,包括实验目的、实验原理、实验步骤、实验过程中应注意的事项、实验装置的设计。
作为指导老师关键是看学生的操作是否规范,是否科学,结果是否理想等。
学生在进入实验室前一个星期,必须提交他的实验设计报告给指导老师或助教,指导老师就他们的实验设计提出一些意见和建议,修改后,须经指导老师同意才能进入实验室做实验。
指导老师及助教在实验室里就学生实验中存在的操作上的问题及时进行纠正,回答学生实验中的问题。
每个实验既要有物质的准备,也要有理论准备。
对实验的目的和原理,如验证性实验,脑子里就要知道今天我是要验证什么规律或原理,本规律或原理不是没有局限的,适用的条件是什么。
有何意义。
实验方案的设计,包括:
方法、手段、步骤、可行性。
(2)实验设备、试剂、测试仪器的准备
有些是老师准备,有些是自己准备。
(3)实验过程
清楚实验步骤,有实验记录本,实验中少说话,多思考多观察,真实记录。
主动配合。
每次实验数据经实验指导老师签名方可。
每次取样,经测定后方可倒掉。
实验结束、离开实验室前必须清洁本组的实验台面、洗涤干净玻璃仪器、凡是本实验所用过的仪器必须复原并断电,共用仪器和场所由值日生完成清洁工作。
(4)实验数据的分析处理与实验报告
掌握每个实验数据的处理方法,画图做表,讨论,得出结论。
实验报告的格式:
实验名称
姓名班级学号
同组同学姓名成绩
实验目的
实验原理
实验装置、仪表、试剂
实验步骤
实验数据及分析整理
结果与讨论
结论
自我评估
3实验课和理论课的关系
目的实现,加深理论知识的理解,或探索未知。
4实验成绩的考评
实验是否参加,除非不能参加,否则没有参加本实验按零分计,每缺一次实验按每个实验所占成绩比例扣除。
如果学生缺做2~3个实验,实验课重修。
实验前的准备,预习,对实验目的、实验原理、实验装置、仪表、试剂、实验步骤的预习。
预习占本实验的10%。
实验过程,表现,如是否认真、动手、基本操作技能、观察和记录是否完整真实,40%,
实验创新能力10%,
实验报告的完整、规范、分析讨论、结果的优劣,图表,占40%。
以上成绩占实验总成绩的90%,期末考试占10%。
期末考试主是考查学生的综合实验设计能力、创新能力是否达到要求。
最后由指导老师给予综合评定,计入总分。
第二章实验数据处理和利用
实验一颗粒自由沉降实验
本实验用时4小时。
本次实验属于验证性实验。
颗粒自由沉降实验是研究溶液较稀时的单颗粒的沉降规律。
一般是通过沉降柱静沉实验,获取颗粒沉降曲线。
它不仅具有理论指导意义。
而且也是沉砂池设计的重要依据。
1目的
(1)加深对自由沉降特点、基本概念及规律的理解。
(2)掌握颗粒自由沉降实验的方法,并能对实验数据进行分析、整理、计算和绘制颗粒自由沉降曲线。
2原理
浓度较稀的、粒状颗粒的沉降属于自由沉降,其特点是静沉过程中颗粒互补干扰、等速下沉,其沉速在层流区符合Stokes公式。
但是由于水中颗粒的复杂性,颗粒粒径、颗粒比重很难或无法准确地测定,因而沉降效果、特性无法通过公式求得而是通过静沉实验确定。
由于自由沉降时颗粒是等速下沉,下沉速度和沉降柱高度无关,因而可在一般沉降柱内进行,但其直径应足够大,一般应使D≥100mm以免颗粒沉降受柱壁的干扰。
水中悬浮物在理想沉淀池中某一定时间下,能全部去除的颗粒物的最小沉降速度对应是u0,这时颗粒悬浮物总去除率η与截留速度、颗粒重量百分比的关系如下:
P0为速度小于u0的颗粒占总颗粒的比例;0 此种计算方法也称悬浮物去除率的累积曲线计算法。 设在一水深为H的沉降柱内进行自由沉降实验。 实验开始,沉降时间为0,此时沉降柱内悬浮物分布是均匀的,即每个断面上颗粒的数量与粒径的组成相同,悬浮物浓度为C0(mg/L),此时去除率η=0。 实验开始后,不同沉降时间ti,颗粒最小沉降速度ui相应为(这里的ui相当于上式η的计算式中的u0): 此即为ti时间内从水面下沉到池底(此处为取样点)的最小颗粒di所具有的沉速。 此时取样点处水样悬浮物为Ci,而 此时去除率η0,表示具有沉速u≥ui(粒径d≥di)的颗粒去除率,而: : 则反映了ti时,未被去除之颗粒即d≤di的颗粒所占的百分比。 实际上沉淀时间ti内,由水中沉至柱底的颗粒是由两部分颗粒组成,即沉速u≥ui的那部分颗粒能全部沉至柱底。 除此之外,颗粒沉速u≤ui的那部分颗粒,也有一部分沉至柱底。 这是因为,这部分颗粒虽然粒径很小,沉速u≤ui,但是这部分颗粒并不都在水面,而是均匀地分布在整个柱内,因此,只要在水面以下,它们下沉至池底所用的时间少于或等于具有沉速ui的颗粒由水面降至池底所用的时间ti,那么这部分颗粒也能从水中被去除。 颗粒沉速u≤ui的那部分颗粒虽然有一部分能从水中去除,但是也是粒径大的沉到柱底的多,粒径小的沉到柱底的少。 因此若能分别求出各种粒径的颗粒占全部颗粒的百分比,并求出该粒径在时间沉至柱底的颗粒占本粒径颗粒的百分比,则二者乘积即为此种粒径颗粒在全部颗粒中的去除率。 如此分别求出每个颗粒沉速u≤ui的那部分颗粒的去除率,并相加后,即可得这部分颗粒的去除率。 为了推出其计算式,我们首先绘制P-u关系曲线,横坐标为颗粒沉速u,纵坐标为未被去除颗粒的百分比P。 时间从tj到tj+1,对应的ΔP: 当ΔP→0,dP代表了小于di的某一粒径d占全部颗粒的百分比。 这些颗粒能沉到池底的条件是: x/ux≤H/ui 由于颗粒均匀分布,又为等速沉淀,故沉速u≤ui的每一颗粒只有分布在x以内的这一颗粒才能沉到池底,因此能沉到池底的这部分颗粒,占这一颗粒的百分比为x/H,而: 由上述分析可见,dP是具有us颗粒占全部颗粒的百分比,而us/u0则是在设计沉速为u0的前提下,具有沉速us≤u0的颗粒去除量占本颗粒总量的百分比,故us/u0dP的含义是沉速u≤ui的每一颗粒对沉降效率的贡献: 将上式在0-u0无穷加和即得沉速u≤ui的那部分颗粒的去除率。 又设P0是沉速u≤ui的那部分颗粒在全部颗粒中所占的比例,故颗粒的去除率为: 工程中常用条块加和的方法计算: [us=(uj+uj+1)/2] 3设备及用具 沉降柱,标尺,水箱,空气压缩机,万分之一的天平,带盖称量盒,干燥器,烘箱,过滤装置,定量滤纸等。 水样: 自配水样 4步骤及记录 (1)确定有效水深,量出柱内径,水温。 (2)通过自来水管将自来水送入沉降柱内至溢流口,同时加入一定量的悬浮物,使最后的悬浮物的浓度达指定值。 (3)向沉降柱通入压缩空气将水样搅拌均匀,同时取样测定悬浮物的浓度(如果有少量的颗粒沉到池底,不影响结果)。 如果从称量计算配制悬浮物的浓度,悬浮物一定要干燥恒重,而且一要定搅拌均匀。 (4)实验开始计时,每隔5、10、20、30、60、120分钟由取样口取50mL水样,记录取样前后沉降柱内液面的高度。 (5)观察悬浮物颗粒沉降的特点和现象。 (6)测定一定体积水样的悬浮物含量。 用下表,将有关数据记录。 表1-1实验记录表 静沉时间(min) 滤纸号 称量瓶号 称量瓶+滤纸恒重(g) 取样体积 (ml) 总重 (g) 水样SS重 (g) C0 (mg/L) 平均C (mg/L) 液面的平均高度(cm) 5 10 20 30 60 120 0 ※注意事项 (1)进水时进水速度不要太快也不要太慢,防止计时前有颗粒沉降。 (2)取样时要记录取样前后的液面高度。 (3)取样时先排出取样管内的水再取样。 (4)过滤时要把烧杯内的颗粒用去离子水洗净并过滤。 (5)滤纸要恒重。 (6)两组在一条柱同时取样,每次取样不多于200mL。 5数据处理 (1)将表1-1的数据按表1-2整理。 (2)沉降柱内未被去除的悬浮物的百分比Pi和ui的计算式: Pi=Ci/C0*100% ui=Hi/ti (3)以颗粒沉速ui和未被去除的悬浮物的百分比Pi作图。 (4)利用图解法列表1-3计算不同沉速时,悬浮物的去除率。 (5)以去除率η为纵坐标,分别以u和t为横坐标,绘制η-u和η-t关系曲线。 (6) 表1-2原始数据的整理 沉降高度(cm) 沉降时间(min) 实测水样SS(mg/L) 计算用SS(mg/L) 未被去除的颗粒百分比(%) 颗粒沉速 (mm/L) 表1-3悬浮物去除率η的计算 序号 u0 P0 ΔP 1-P0 us usΔP 6自我评价 从实验准备、实验操作、实验科学态度、数据结果和实验报告,对本实验给出自我评价,以后的实验中需要如何改进。 [思考题] 1沉降柱高度分别为H=1.2m,和H=0.9m,两组实验结果是否一致,为什么? 2利用上述实验数据,按下式计算去除率η: η=C0-Ci/C0*100% 在什么条件下可以这样计算。 实验二絮凝沉降实验 本实验用时4小时。 本实验是验证实验。 絮凝沉降实验是研究浓度一般的絮凝颗粒的沉降规律。 一般是通过几根沉降柱的静沉实验获取颗粒沉降曲线。 为污水处理工程某些构筑物的设计和生产运行提供重要依据。 1目的: (1)加深对絮凝沉降的特点、基本概念及沉降规律。 (2)掌握絮凝试验方法,并利用实验数据绘制絮凝沉降曲线。 2原理 絮凝沉降与自由沉降不同,去除率不仅与颗粒的沉速有关,而且与沉淀有效水深有关。 因此取样不但要考虑时间,而且要考虑取样的位置。 去除率随时间的延长而增加,随深度的加深而减小。 絮凝沉淀采用的方法是纵深分析法。 颗粒去除率按下式计算: (1)全部被去除的颗粒 这部分颗粒是指在给定的停留时间t0,与给定的沉淀有效水深时,两直线相交的等去除率线的 值,具有沉速 的颗粒能全部取出,其去除率为 。 (3)部分被去除的颗粒 取样口在 ,在 的某一水深,在满足条件即沉到池底所用时间 时,这部分颗粒也就被去除掉了。 这部分颗粒是指沉速u 其计算方法、原理与分散颗粒一样,这里是用 代替了分散颗粒中的 。 其中 所反映的就是颗粒沉速从u0降到us时,所能够去除的那些颗粒占全部颗粒的百分比。 这部分颗粒只有符合ts ,故有 。 工程上多采用等分 间的中点水深Hn代替hs,Hn/H0近似地代表了这部分颗粒中的所能沉到池底的颗粒所占的百分数。 由此推论可知,Hn/H0 就是沉速为us≤u 。 将不同水深和不同时间下的去除率标记于水深-时间坐标中,然后按等分法将15%、30%、45%、60%、75%的点标出,连接去除率相同的点,即得所谓等效曲线。 3设备及用具 有机玻璃柱、天平、压缩机、带盖称量瓶、干燥皿、烘箱、滤纸。 4步骤及记录 (1)确定有效水深,量出柱内径,水温。 (2)通过自来水管将自来水送入沉降柱内至溢流口,同时加入一定量的悬浮物,使最后的悬浮物的浓度达指定值。 (3)沉降柱通入压缩空气将水样搅拌均匀,同时取样50mL测定悬浮物的浓度(如果有少量的颗粒沉到池底,不影响结果)。 如果从称量计算配制悬浮物的浓度,悬浮物一定要干燥恒重,而且一要定搅拌均匀。 (4)实验开始计时,每隔20、40、60、80、120分钟,自上而下由每个取样口取样50mL,记录取样前后沉降柱内液面的高度。 (5)观察悬浮物颗粒沉降的特点和现象。 (6)测定一定体积水样的悬浮物含量。 用下表,将有关数据记录。 表2-1絮凝沉淀试验记录 20 1 2 3 4 40 1 2 3 4 60 1 2 3 4 80 1 2 3 4 120 1 2 3 4 0 1 2 3 5成果整理 (1)基本参数 日期水样 沉降柱高度直径 水温SS浓度 (2)实验数据整理 将表2-1实验数据进行整理,并计算各取样口的去除率 ,填入表2-2。 表2-2各取样点悬浮物去除率 值计算表 取样口 时间 1 2 3 4 20 40 60 80 120 (3)以深度为纵坐标,时间为横坐标,将各取样口的去除率填入各取样口的坐标上,如图2-3。 (4)用内插法,绘出等去除率曲线。 最好是以5%或10%为一间距,如25%、35%、45%或20%、25%、30%。 (5)选择某一有效水深H,过H做水平轴的平行线,与各去除率相交,再根据公式计算不同沉淀时间的总去除率。 (6)以沉淀时间t为横坐标, 为纵坐标,绘出不同有效水深H的 -t关系曲线,及 -u曲线。 思考题: 1两种不同性质的污水经絮凝沉淀实验后,所得同一去除率的曲线的曲率不同,试分析其原因,并加以讨论。 实验三混凝剂的用量对色度去除的影响 本实验是验证性实验。 本实验用时4小时。 1实验目的: (1)通过实验观察混凝剂的用量与色度去除的关系; (2)掌握混凝实验的操作 2实验原理: (略)参考理论课教学参考书 3实验仪器和药品 实验仪器: 摇床,分光光度计,pH计,电子天平,烘箱,比色管(50ml)每组10支,250ml的三角瓶6只,移液管0.1ml,0.2ml,0.5ml,1.0ml,2.0ml,5.0ml,10ml各1支,滴管两支,吸耳球一只,250ml烧杯2只,100ml量筒两支,玻璃棒3支。 仪器要注明型号和厂家。 药品: 硫酸铝(纯度,厂家),染料, 4实验操作: (1)称取分散染料,配制成浓度为50mg/L的染料水溶液,用自来水配制; (2)调整pH至6,用测定pH计测定pH,测标准曲线: (3)配制5%硫酸铝溶液; (4)配制1: 5和1: 10的盐酸溶液和1M氢氧化钠溶液和0.5M氢氧化钠溶液; (5)在6个250ml的三角瓶,加入150ml的分散染料水溶液, (6)加入不同体积的5%硫酸铝水溶液使6个150ml的分散染料水溶液中的硫酸铝的浓度分别为20mg/L、40mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L、800mg/L,调节pH=6,置于摇床快速摇动(250转/每分钟)1分钟,然后减速(60转/每分钟)摇动5分钟,静置30分钟,取上清液测定pH和残留的染料浓度。 5数据处理: (1)染料的标准曲线绘制 (2)残留的染料的浓度(mg/L)与硫酸铝的浓度(mg/L)之间的关系 残留的染料的浓度 (mg/L) 硫酸铝的浓度(mg/L) 图1残留的染料的浓度(mg/L)与硫酸铝的浓度(mg/L)之间的关系 注: (3)染料的去除率(%)与硫酸铝的浓度(mg/L)之间的关系 6结果与讨论: 对你的结果进行分析和评价 实验四pH对硫酸铝去除分散染料的影响 本实验是验证性实验。 本实验用时4小时。 1实验目的: (1)通过实验观察pH对硫酸铝去除分散染料的影响 (2)掌握混凝实验的操作 2实验原理: (略)参考理论课教学参考书 3实验仪器和药品 实验仪器: 摇床,分光光度计,pH计,电子天平,烘箱,比色管(50ml)每组10支,250ml的三角瓶8只,移液管0.1ml,0.2ml,0.5ml,1.0ml,2.0ml,5.0ml,10ml各1支,滴管两支,吸耳球一只,250ml烧杯2只,100ml量筒两支,玻璃棒3支。 仪器要注明型号和厂家。 药品: 硫酸铝(纯度,厂家),染料, 4实验操作: (7)称取分散染料,配制成浓度为50mg/L的染料水溶液,用自来水配制; (8)调整pH至6,用测定pH计测定pH,测标准曲线: (9)配制5%硫酸铝溶液; (10)配制1: 5和1: 10的盐酸溶液和1M氢氧化钠溶液和0.5M氢氧化钠溶液; (11)在6个250ml的三角瓶,加入150ml的分散染料水溶液, (12)加入相同体积的5%硫酸铝水溶液使6个150ml的分散染料水溶液中的硫酸铝的浓度相同,浓度大小从你的实验一的结果所得。 调节pH分别为pH=1、2、4、5、6、7、8、10,置于摇床快速摇动(250转/每分钟)1分钟,然后减速(60转/每分钟)摇动5分钟,静置30分钟,取上清液测定pH和残留的染料浓度。 5数据处理: (1)染料的标准曲线绘制 (2)残留的染料的浓度(mg/L)与pH之间的关系 残留的染料的浓度 (mg/L) pH 图1残留的染料的浓度(mg/L)与pH之间的关系 注: (3)染料的去除率(%)与pH之间的关系 6结果与讨论: 对你的结果进行分析和评价 附加实验: 改用活性染料做相同实验,观察混凝效果 实验五活性炭吸附苯酚实验 本实验是验证性实验。 本实验用时6小时。 活性炭是水处理中使用历史最长、最广泛的一种吸附剂,现在对活性炭的研究仍然呈现活跃,如活性炭的制造、碳纤维。 活性炭是一种优良的吸附剂,能吸附许多污染物,如重金属、有机物,吸附能力强等许多的优点。 1目的 (1)掌握吸附实验方法和数据处理; (2)对活性炭吸附苯酚的性能有所了解; 2原理 活性炭吸附是由于其表面的基团受到不平衡的力。 根据不同的吸附质,可能有物理吸附或化学吸附。 当水与吸附剂充分接触后,一方面吸附质被吸附剂吸附,另一方面,一部分被吸附的吸附质,由于热运动结果,能够脱离吸附剂的表面,又回到水中,称为解吸过程。 当吸附速度=解吸过程时,达到平衡,此时吸附质在水中的浓度称为平衡浓度。 活性炭吸附的吸附质的量即为平衡吸附量qe,指单位重量吸附剂对吸附质的吸附量。 qe大,吸附周期长。 吸附量应由实验确定。 用公式表示如下: qe=V(ρ0-ρe)/M ρo(g/l)-吸附质的初始浓度为; W(g)-投加活性碳的重量; ρe(g/l)-当达到吸附平衡时,废水中剩余的吸附质浓度。 在温度一定的条件下,把吸附量随平衡浓度的变化曲线称为吸附等温线。 废水处理中吸附剂的吸附量与污染物平衡浓度的两种关系: (1) Langmuir吸附等温式 对上式变形,得: 从直线的相关系数可判断吸附剂适用Langmuir吸附等温式的优劣。 从直线的斜率和截距求出有关常数。 (2)适用Freundlich吸附等温式 对上式取对数: 从直线的相关系数可判断吸附剂适用Freundlich吸附等温式的优劣。 从直线的斜率和截距求出有关常数。 活性炭的吸附等温线可能用其中一种描述,也许可用两种描述。 本实验就是要测定活性炭吸附苯酚的吸附等温式。 苯酚的Ka=1.0×10-10(20℃),从下式: 可计算一定浓度的苯酚溶液的pH,由于苯酚是弱酸,在弱酸条件下苯酚主要以C6H5-OH形式存在,活性炭对该形态的苯酚有很好的吸附能力。 3实验仪器和药品 分光光度计,pH计,摇床等。 自配的含酚水。 测定酚的浓度的有关试剂。 4实验步骤 (1)平衡时间确定, qt T 本实验平衡时间取1小时。 (2)温度的选定。 温度选30℃ (3)摇床的摇速确定。 摇速选120r/min。 (4)在六个500ml的三角瓶中分别投加干燥恒重的活性炭0、200、400、600、800、1000mg,再分别加入含苯酚0.1g/L的水150mL(修改),测pH。 瓶口用硫酸纸包扎,摇床摇速120r/min,1小时后取出过滤,滤液留待分析苯酚的浓度。 (5)取一定体积滤液稀释到50mL,按苯酚的测定方法测定滤液中苯酚的平衡浓度。 参考稀释倍数01002004006008001000 100502510511 (6)计算活性炭吸附
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