《水处理实验技术》指导书.docx

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《水处理实验技术》指导书

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实验一颗粒自由沉淀实验

一、颗粒自由沉淀实验

颗粒自由沉淀实验是研究浓度较稀时的单颗颗粒的沉淀规律。

一般是通过沉淀柱静沉实验，获取颗粒沉淀曲线。

它不仅具有理论指导意义，而且也是给水排水处理工程中，某些构筑物如给水与污水的沉砂池设计的重要依据。

目的

1．加深对自由沉淀特点、基本概念及沉淀规律的理解。

2．掌握颗粒自由沉淀实验的方法，并能对实验数据进行分析、整理、计算和绘制颗粒自由沉淀曲线。

原理

浓度较稀的、粒状颗粒的沉淀属于自由沉淀，其特点是静沉过程中颗粒互不干扰、等速下沉，其沉速在层流区符合Stokes（斯笃克斯）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，因而沉淀效果、特性无法通过公式求得而是通过静沉实验确定。

由于自由沉淀时颗粒是等速下沉，下沉速度与沉淀高度无关，因而自由沉淀可在一般沉淀柱内进行，但其直径应足够大，一般应使D≥100mm以免颗粒沉淀受柱壁干扰。

具有大小不同颗粒的悬浮物静沉总去除率与截留速度U。

、颗粒重量百分率的关系如下：

（3-1）

此种计算方法也称为悬浮物去除率的累积曲线计算法。

设在一水深为H的沉淀柱内进行自由沉淀实验，如图3一且示。

实验开始，沉淀时间为0，此时沉淀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E＝0。

实验开始后，不同沉淀时间I；，颗粒最小沉淀速度U；相应为

（3-2）

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

样点处水样悬浮物浓度为Ci，而

（3-3）

此时去除率E0，表示具有沉速u≥ui（粒径d≥di）的颗粒去除率，而

（3-4）

则反映了ti时，未被去除之颗粒即d

实际上沉淀时间ti内，由水中沉至池底的颗粒是由两部分颗粒组成，即沉速u≥ui的那一部分颗粒能全部沉至池底。

除此之外，颗粒沉速us＜ui的那一部分颗粒，也有一部分能沉至池底。

这是因为，这部分颗粒虽然粒径很小，沉速us＜ui，但是这部分颗粒并不都在水面，而是均匀地分布在整个沉淀柱的高度内，因此，只要在水面下，它们下沉至池底所用的时间能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除去。

沉速us＜ui的那部分颗粒虽然有一部分能从水中去除，但其中也是粒径大的沉到池底的多，粒径小的沉到池底的少，各种粒径颗粒去除率并不相同。

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ti内能沉至池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us＜ui的那些颗粒的去除率，并相加后，即可得出这部分颗粒的去除率。

为了推求其计算式，我们首先绘制ui～P关系曲线，其横坐标为颗粒沉速u，纵坐标为未被去除颗粒的百分比P，如图3－2示。

由图中可见，

（3-5）

故ΔP是当选择的颗粒沉速由u1降至u2时，整个水中所能多去除的那部分颗粒的去除率，也就是所选择的要去除的颗粒粒径由d1减到d2时，此时水中所能多去除的，即粒径在d1～d2之间的那部分颗粒所占的百分比。

因此当ΔP间隔无限小时，则dP代表了小于di的某一粒径d占全部颗粒的百分比。

这些颗粒能沉至池底的条件，应是由水中某一点沉至池底所的用的时间，必须等于或小于具有沉速为ui的颗粒由水面沉至池底所用的时间，即应满足

由于颗粒均匀分布，又为等速沉淀，故沉速和uα

因此能沉至池底的这部分颗粒，占这种粒径的百分比为

，如图3-1所示，而

此即为同一粒径颗粒的去除率。

取u0=ui，且为设计选用的颗粒沉速；us＝uα，则有

由上述分析可见，dPS。

反映了具有沉速uS颗粒占全部颗粒的百分比，而

则反映了在设计沉速为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

（3-6）

正是反映了在设计沉速为u0时，具有沉速为uS的颗粒所能去除的部分占全部颗粒的比率。

利用积分求解这部分U。

M。

。

的颗粒的去除率，则为

故颗粒的去除率为

（3-7）

工程中常用下式计算

（3-8）

设备及用具

1．有机玻璃管沉淀柱一根，内径D≥100mm，高1.5m。

工作水深即由溢流口至取样口距离，共两种，H1＝0.9m,H2＝1.2m。

每根沉降往上设溢流管，取样管，进水及放空管。

2．配水及投配系统包括钢板水池，搅拌装置，水泵、配水管，循环水管和计量水深用标尺、如图3－3示。

3．计量水深用标尺，计时用秒表或手等。

4．玻璃烧杯，移液管，玻璃棒，瓷盘等。

5．悬浮物定量分析所需设备万分之一天平，带盖称量瓶，干燥皿、烘箱、抽滤装置、定量滤纸等。

6．水样可用煤气洗涤污水，轧钢污水，天然河水或人工配制水样。

步骤及记录

1．将实验用水倒入水池内，开启循环管路闸门2，用泵循环或机械搅拌装置搅拌，待池内水质均匀后，从池内取样，测定悬浮物浓度，此即为C0值。

2．开启闸门1、3，关几扣闸门2，水经配水管进入沉淀管内，当水上升到溢流口，并流出后，关闭闸门3、停泵。

记录时间，沉淀实验开始。

3．隔5、10、20、30、60、120min由取样口取样，记录沉淀柱内液面高度。

4．观察悬浮颗粒沉淀特点、现象。

I

5．测定水样悬浮物含量。

6．实验记录用表，如表3-1所示。

表3-1颗粒自由沉淀实验记录

日期：

水样：

静沉时间（min）

滤纸编号﹟

称量瓶号﹟

称量瓶+滤纸重（g）

取样体积（mL

瓶纸+SS重（g）

水样SS重（g）

C0

（mg/L）

（mg/L）

沉淀高度H（cm）

0

5

10

20

30

60

120

注意事项

1．向沉淀柱内进水时，速度要适中，既要较快完成进水，以防进水中一些较重颗粒沉淀，又要防止速度过快造成柱内水体紊动，影响静沉实验效果。

2．取样前，一定要记录管中水面至取样口距离H0（以cm计）。

3．取样时，先排除管中积水而后取样，每次约取300～400mL。

4．测定悬浮物时，因颗粒较重，从烧杯取样要边搅边吸，以保证两平行水样的均匀性。

贴于移液管壁上的细小颗粒一定要用蒸馏水洗净。

数据整理

1．实验基本参数整理

实验日期：

水样性质及来源：

沉淀柱直径d=柱高H=

水温：

℃原水悬浮物浓度C0（mg／L）

绘制沉淀柱草图及管路连接图

2．实验数据整理

将实验原始数据按表3－2整理，以备计算分析之用。

表中不同沉淀时间ti时，沉淀管内未被移除的悬浮物的百分比及颗粒沉速分别按下式计算

未被移除悬浮物的百分比

扣C0——原水中SS浓度值，mg／L；

Ci——某沉淀时间后，水样中SS浓度值，mg／L。

H。

相应颗粒沉速

。

4．以颗粒沉速u为横坐标，以P为纵坐标，在普通格纸上绘制u～P关系曲线。

5．利用图解法列表（表3-3）计算不同沉速时，悬浮物的去除率。

表3－2实验原始数据整理表

沉淀高度（cm）

沉淀时间（mln）

实测水样SS（mg/L）

计算用SS（mg／L）

未被移除颗粒百分比Pi

颗粒沉速u（mm/s）

表3－3悬浮物去除率E的计算

序号

u0

P0

1-P0

ΔP

6．根据上述计算结果，以E为纵坐标，分别以u及t为横坐标，绘制u～E，t～E关系曲线。

思考题

1．自由沉淀中颗粒沉速与絮凝沉淀中颗粒沉速有何区别。

2．绘制自由沉淀静沉曲线的方法及意义。

3．沉淀柱高分别为H＝1.2m，H＝0.9m，两组实验成果是否一样，为什么？

4．利用上述实验资料，按

计算不同沉淀时间t的沉淀效率E，绘制E～t，E～u静沉曲线，并和上述整理结果加以对照与分析，指出上述两种整理方法结果的适用条件。

二、原水颗粒分析实验

原水颗粒分析实验主要测定水中颗粒粒径的分布情况。

水中悬浮颗粒的去除不仅与原水悬浮物数量或浊度大小有关，而且还与原水颗粒粒径的分布有关。

粒径越小，越不易去除，因此颗粒分析实验对选择给水处理构筑物及投药量都是十分重要的。

目的

1．学会一种用一般设备测定颗粒粒径分布的方法。

2．加深对自由沉淀及stokes（斯笃克斯）公式的理解。

原理

100μm以下的泥沙颗粒沉降时雷诺数小于1，已知水温、沉速，可用stokes公式求出粒径。

（3-9）

式中u——颗粒沉速，m／s；

v—一水的运动粘度，m2／s；

Ss——颗粒的比重，无单位；

g——重力加速度，9．81m／S2；

d——粒径，m。

玻璃瓶中装待测颗粒分析的浑水（浊度已知），摇匀后，用虹吸管在瓶中某一固定位置每隔一定时间取一个水样，取样点处颗粒最大粒径是逐渐减小的，因此浊度也是逐渐降低的。

根据沉淀时间及沉淀距离可以求出沉速U，已知水温、沉速，可以求出取样点处的颗粒最大粒径。

取样时，粒径大于该最大粒径的颗粒都已沉至取样点下面，小于该最大粒径的颗粒每单位体积的颗粒数与沉淀开始相比，基本不变（因粒径一定，水温相同则沉速5不变，沉下去的颗粒可由上面沉下来的补充）。

由沉淀过程中取样点浊度的变化，即可求出小于某一粒径的颗粒重量所占全部颗粒重量的百分数。

［设备及用具】

1．实验装置见图3－4。

2．10L玻璃瓶1个、200mL烧杯一只。

3．虹吸取样管、吸耳球各一个。

4．水位尺、秒表、温度表各一只。

5．光电式浑浊度仪一台。

步骤及记录

1．将已知浊度的浑水装入10L玻璃瓶中，水面接近玻璃瓶直壁的顶部。

2．将玻璃瓶中的水摇匀，立即将瓶塞盖好。

虹吸取样管及温度表固定在瓶塞上，盖好凭塞的同时，取样点的位置也就确定了。

3．盖好瓶塞后，每隔一定时间用虹吸管取水样，即1、2、5、15min、1、2、4、8h（时间都从开始沉淀算起）时取水样，测浊度。

4．每次取样前记录水面至取样点的距离，记水温。

原水颗粒分析记录见表3-4。

注意事项

1．配制浑水浊度宜小于100度。

不必用蒸馏水稀释。

浊度仪一次就能量出浊度。

2．虹吸管取样时，应先放掉虹吸管内的少量存水（约20mL），然后取样。

每次取水

样的体积，够测浊度即可。

3．取样点离瓶底距离不要小于10cm，以免取样时将瓶底沉泥吸取，也不要大于15cm。

大于15cm时，可能满足不了多次取水样的需要。

4．用洗耳球吸取虹吸管内的空气时，只能吸气，不能把空气鼓人瓶中，把沉淀水搅

浑。

成果整理

1．计算每次取样时的平均沉速U。

2．计算自沉淀开始至每次取样这段时间的平均水温。

3．查七℃时水的运动粘度V。

4．求每次所取水样的最大粒径d。

5．计算每次取样时粒径小于该最大粒径的颗粒的重量占原水中全部颗粒重量的百分

数％。

6．以对数格粒径d（＃m）为横坐标，以普通格小于某一粒径颗粒重量百分数为纵坐

标，绘颗粒分析曲线。

表3－4原水颗粒分析记录表（表格中的数字系某水样的实验数据）

静沉时间

0（min）

1（min）

2（min）

5（min）

15（min）

30（min）

1（h）

2（h）

4（h）

8（h）

取水样时间

8：

00

8：

01

8：

02

8：

05

8：

15

8：

30

9：

00

10：

00

12：

00

16：

00

沉淀距离h（10-2m）

13.3

12.8

12.3

11.8

11.3

10.8

10.3

9.0

平均沉速（10-2m/s）

0.213

0.103

3.93×10-2

1.26×10-2

6×10-2

2.86×10-2

3.13×10-4

沉淀过程中的平均水温℃

20

20

20

20

t℃时的v值（10-4m/s）

0.0101

0.0101

0.0101

0.0101

所取水样的最大粒径d（μm）

49

34

21

11.9

8.2

5.7

1.9

所取水样的浊度

30.2

28.0

27.3

26.8

26.6

26.3

24.4

10.9

小于该粒径颗粒所占的百分数（%）

92.7

90.4

88.7

88.1

87.1

80.8

36.1

思考题

1．小于IPI的颗粒，能否用这种方法测粒径？

浑水浊度为10000度时能否用这种方法

测粒径？

2．对本实验有何改进意见？

实验二絮凝沉淀实验

絮凝沉淀实验是研究浓度一般的絮状颗粒的沉淀规律。

一般是通过几根沉淀柱的静沉实验，获取颗粒沉淀曲线。

不仅可借此进行沉淀性能对比、分析，而且也可作为污水处理工程中某些构筑物的设计和生产运行的重要依据。

目的

1．加深对絮凝沉淀的特点，基本概念及沉淀规律的理解。

2．掌握絮凝实验方法，并能利用实验数据绘制絮凝沉淀静沉曲线。

原理

悬浮物浓度不太高，一般在600～700mg/L以下的絮状颗粒的沉淀属于絮凝沉淀，如给水工程中混凝沉淀，污水处理中初沉池内的悬浮物沉淀均属此类。

沉淀过程中由于颗粒相互碰撞，凝聚变大，沉速不断加大，因此颗粒沉速实际上是一变速。

我们所说的絮凝沉淀颗粒沉速，是指颗粒沉淀平均速度。

在平流沉淀池中，颗粒沉淀轨迹是一曲线，而不同于自由沉淀的直线运动。

在沉淀池内颗粒去除率不仅与颗粒沉速有关，而且与沉淀有效水深有关。

因此沉淀柱不仅要考虑器壁对悬浮物沉淀的影响，还要考虑柱高对沉淀效率的影响。

静沉中絮凝沉淀颗粒去除率的计算基本思想与自由沉淀一致，但方法有所不同。

自由沉淀采用累积曲线计算法，而絮凝沉淀采用的是纵深分析法，颗粒去除率按下式计算。

（3-10）

计算如图3-5示。

去除率同分散颗粒一样，也分成两部分：

（1）全部被去除的颗粒部分。

这部分颗粒是指在给定的停留时间（如图中T1），与给定的沉淀池有效水深（如图中H=Z0）时，两首线相交点的等去除率线的E值，如图中的E＝E2。

即在沉淀时间t=T1，，沉降有效水深H=Z0时具有沉速

的那些颗粒能全部被去除．其去除率家为E2。

（2）部分被去除的颗粒部分

同自由沉淀一样，悬浮物在沉淀时虽说有些颗粒较小，沉速较小，不可能从池顶沉到池底，但是在池体中某一深度下的颗粒，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。

当然，这部分颗粒是指沉速

的那些颗粒，这些颗粒的沉淀效率也不相同．也是颗粒大的沉淀快，去除率大些。

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

式中，

所反映的就是把颗粒沉速由u0降到us时，所能多去除的那些颗粒占全部颗粒的百分比。

这些颗粒，在沉淀时间t0时，并不能全部沉到池底，而只有符合条件ts≤t0的那部分颗粒能沉到池底，

，故有

。

同自由分散沉淀一样，由于us为未知数，故采用近似计算法，用

在来代替

，工程上多采用等分

间的中点水深Zi代替hi，则

近似地代表了这部分颗粒中能沉到池底的颗粒所占的百分数。

由上推论可知，

就是沉速为us≤u≤u0的这些颗粒的去除量所占全部颗粒的百分比，以次类推，式

就是的全部颗粒的去除率。

设备及用具

1．沉淀柱：

有机玻璃沉淀柱，内径D≥100mm，高H=3.6m，沿不同高度设有取样口，如图3-6所示。

管最上为溢流孔，管下为进水孔，共五套。

2．配水及投配系统：

钢板水池、搅拌装置、水泵、配水管。

3．定时钟、烧杯、移液管、瓷盘等。

4．悬浮物定量分析所需设备及用具：

万分之一分析天平，带盖称量瓶、干燥皿、烘箱、滤抽装置、定量滤纸等。

5．

水样：

城市污水、制革污水、造纸污水或人工配制水样等。

表3-5絮凝沉淀实验记录表

实验日期水样

柱号（号）

沉淀时间（min）

取样点编号（号）

SS（mg/L）

SS平均值（mg/L）

取样点有效水深（m）

备注

1

20

1-1

1-2

1-3

1-4

1-5

2

40

2-1

2-2

2-3

2-4

2-5

3

60

3-1

3-2

3-3

3-4

3-5

4

80

4-1

4-2

4-3

4-4

4-5

5

120

5-1

5-2

5-3

5-4

5-5

步骤及记录

1．将欲测水样倒入水池进行搅拌，待搅匀后取样测定原水悬浮物浓度SS值。

2．开启水泵，打开水泵的上水闸门和各沉淀柱上水管闸门。

3．放掉存水后，关闭放空管闸门，打开沉淀柱上水管闸门。

4．依次向l—5沉淀往内进水，当水位达到溢流孔时，关闭进水闸门，同时记录沉淀时间。

5根沉淀柱的沉淀时间分别为20、40、60、80、120min。

5．当达到各柱的沉淀时间时，在每根柱上，自上而下地依次取样，测定水样悬浮物的浓度。

6．记录见表3-5。

注意事项

1．向沉淀柱进水时，速度要适中，既要防止悬浮物由于进水速度过慢而絮凝沉淀．又要防止由于进水速度过快，沉淀开始后柱内还存在紊流，影响沉淀效果。

2．由于同时要由每个柱的5个取样口取样，故人员分工、烧杯编号等准备工作要做好，以便能在较短的时间内，从上至下准确地取出水样。

3．测定悬浮物浓度时，一定要注意两平行水样的均匀性。

4．注意观察、描述颗粒沉淀过程中自然絮凝作用及沉速的变化。

整数据理

1．实验基本参数整理

实验日期水样性质及来源

沉淀柱直径d=柱高H=

水温℃原水悬浮物浓度SS0（mg／L）

绘制沉淀柱及管路连接图

2．实验数据整理

将表3－5实验数据进行整理，并计算各取样点的去除率E，列成表了3-6。

表3－6各取样点悬浮物去除率E值计算

沉淀时间（min）

取样深度（m）

1

2

3

4

5

20

40

60

80

120

0.6

1.2

1.8

2.4

3.0

3．以沉淀时间t为横坐标，以深度为纵坐标，将各取样点的去除率填在各取样点的坐标上，如图3－7所示。

4．在上述基础上，用内插法，绘出等去除率曲线。

E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x轴平行线，与各去除率线相交，再根据公式（3-10）计算不同沉淀时间的总去除率。

6．以沉淀时间t为横坐标，E为纵坐标，绘制不同有效水深H的E～t关系曲线，及E～u曲线。

思考题

1．观察絮凝沉淀现象，并叙述与自由沉淀现象有何不同，实验方法有何区别。

2．两种不同性质之污水经絮凝实验后，所得同一去除率的曲线之曲率不同，试分析其原因．并加以讨论。

4．实际工程中，哪些沉淀属于絮凝沉淀。

实验三混凝沉淀实验

混凝沉淀实验是给水处理的基础实验之一，被广泛地用于科研、教学和生产中。

通过混凝沉淀实验，不仅可以选择投加药剂种类，数量，还可确定其它混凝最佳条件。

目的

1．通过本实验，确定某水样的最佳投药量。

2．观察矾花的形成过程及混凝沉淀效果。

原理

天然水中存在大量胶体颗粒，是使水产生浑浊的一个重要原因，胶体颗粒靠自然沉淀是不能除去的。

水中的胶体颗粒，主要是带负电的粘土颗粒。

胶粒间的静电斥力，胶粒的布朗运动及胶粒表面的水化作用，使得胶粘具有分散稳定性，三者中以静电斥力影响最大。

向水中投加混凝剂能提供大量的正离子，压缩胶团的扩散层，使ξ电位降低，静电斥力减小。

此时，布朗运动由稳定因素转变为不稳定因素，也有利于胶粒的吸附凝聚。

水化膜中的水分子与胶粒有固定联系，具有弹性和较高的粘度，把这些水分子排挤出去需要克服特殊的阻力，阻碍胶粒直接接触。

有些水化膜的存在决定于双电层状态，投加混凝剂降低ξ电位。

有可能使水化作用减弱。

混凝剂水解后形成的高分子物质或直接加入水中的高分子物质一般具有链状结构在胶粒与胶粒间起吸附架桥作用，即使ξ电位没有降低或降低不多，胶粒不能相互接触，通过高分子链状物吸附胶粒，也能形成絮凝体。

消除或降低胶体颗粒稳定因素的过程叫做脱稳。

脱稳后的胶粒，在一定的水力条件下，才能形成较大的絮凝体，俗称矾花。

直径较大且较密实的矾花容易下沉。

自投加混凝剂直至形成较大矾花的过程叫混凝。

混凝离不开投混凝剂。

混凝过程见表3-8。

表3-8

阶段

凝聚

絮凝

过程

混合

脱稳

异向絮凝为主

同向絮凝为主

作用

药剂扩散

混凝剂水解

杂质胶体脱稳

脱稳胶体聚集

微絮凝体的进一步碰撞聚集

动力

质量迁移

溶解平衡

各种脱稳机理

分子热运动（布朗扩散）

液体流动的能量消耗

处理构筑物

混合设备

反应设备

胶体状态

原始胶体脱稳胶体絮凝胶体矾花

胶体粒径

0.01～0.001μm约5～10μm0.5～2mm

由于布朗运动造成的颗粒碰撞絮凝，叫“异向絮凝”。

由机械运动或液体流动造成的颗粒碰撞絮凝，叫“同向絮凝”。

异向絮凝只对微小颗粒起作用，当粒径大于1～5μm时。

布朗运动基本消失。

从胶体颗粒变成较大的矾花是一连续的过程，为了研究的方便可划分为混合和反应两个阶段。

混合阶段要求浑水和混凝剂快速均匀混合，一般说来，该阶段只能产生用眼睛难以看见的微絮凝体；反应阶段则要求将微絮凝体形成较密实的大粒径矾花。

混合和反应均需消耗能量，而速度梯度G值能反映单位时间单位体积水耗能值的大小，混合的G值应大于300～500S-1，时间一般不超过30S，G值大时混合时间宜短。

水泵混合是一种较好的混合方式，本实验水量小