《水质工程学》实验指导书Word格式.docx
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2、绘制沉淀曲线,即n~t、n~u和h~t等关系曲线,以此提供沉淀的设计参数。
二、实验原理
沉淀是水处理中去除悬浮物的基本方法。
当悬浮物的重力超过作用于它们的惯性力和粘滞力时,这些悬浮物就沉淀下来。
根据悬浮物的浓度和性质沉淀通常可分为四类,即
(1)自由沉淀,在沉淀过程中,颗粒互不干扰,并且其大小、形状和密度均保持不变;
(2)絮凝沉淀,絮凝性颗粒在沉淀过程中互相碰撞、絮凝,结合成更大的颗粒,颗粒粒径逐渐增大,因此其比重和沉淀速度随深度而发生变化;
(3)成层沉淀,凝聚后的悬浮物形成网毯状绒体,成层沉淀,而且在沉淀过程中显示出一个明显的泥水界面;
(4)压缩,当悬浮物浓度极高,颗粒之间的距离很小,形成互相接触,互相支承,在污泥上层颗粒的重力作用下,迫使下层颗粒的间隙水被挤压出来,从而使下层颗粒层被浓缩压密。
一般来说,自由沉淀描述了沙砾等的沉淀,絮凝沉淀描述了废水中有机悬浮物的沉淀,而成层沉淀描述了浓集的化学污泥和活性污泥的沉淀,压缩则描述了储泥斗和污泥浓缩池内的沉降形式。
本实验主要研究自由沉淀和絮凝沉淀的规律。
(可以一部分同学做自由沉淀,另一部分同学做絮凝沉淀)。
在含有分散颗粒的废水的静置沉淀过程中,设实验筒内有效水深为h,在t时间内沉到h深度的颗粒,其沉降速度为
。
对于给定的沉淀时间t0。
可求得颗粒的沉速为u0。
凡是沉速u<
u0得颗粒只有一部分被去除,比例为u/u0,若以P0表示沉速小于u0得颗粒所占得重量百分数,于是在悬浮颗粒总量中,完全去除得颗粒比率为(1—P0),部分去除得颗粒(u<
u0得各种颗粒)比率为:
则总去除率为
(1)
式中末项为图2中阴影部分的面积,常用图解积分法确定。
三、实验装置与设备
1、沉淀筒;
2、水位标尺,计时秒表,取样瓶;
3、水样:
泥浆水或工业废水。
四、实验步骤
1、将水样倒入原水箱中,搅拌5分钟左右,使水样中悬浮物分布均匀。
2、向沉淀筒中输水,同时取原水样两次,每次约100毫升,其平均浓度即为C0。
3、当水样水位到达一定高度时,关闭所有阀门,开始计时。
4、观察水静置沉淀现象。
5、取样:
当时间为5,10,20,40,60,90,120分钟时,分别从各个取样口同时取样50ml,当进行自由沉淀实验时,每次只从下部取样即可。
取样前,记录筒中水面至取样口距离h,以厘米计。
取样时,先排出取样管中的积水约10ml左右,再取样。
6、测定各水样中悬浮物浓度。
分析器材:
分析天平、玻璃漏斗、滤纸、表面皿。
步骤:
(1)将滤纸及表面皿在103~105℃烘至恒重,称重得W1(g);
(2)剧烈振摇水样,迅速用量筒取V毫升水样,并使之全部通过滤纸;
(3)将过滤后的滤纸及残渣在103~105℃烘干(至少一小时),放入干燥器中冷却并称重。
重复烘干至恒重(两次称重之差小于0.4mg为止),得W2(g)。
则悬浮物浓度C(mg/l)为:
为使本实验顺利进行,要求同学预习分析天平的操作方法,称重时要小心、快速,以免烘干的样品及滤纸再吸收水,影响称重的准确性。
一般来说,无色的悬浮液的浓度与浑浊度或吸光度成比例,因此可用测定悬浊液浊度来间接确定悬浮物浓度。
这种方法快速简便,适用于学生实验及大量试样的场合。
本实验即采用这种方法。
7、实验完毕。
五、实验记录及结果整理
1、实验记录
静置沉淀实验记录表
实验时间水样水温沉淀筒直径
时间(分)
5
10
20
40
60
90
120
水深(cm)
取样口悬浮物浓度(吸光度表征)
1
2
3
4
2、实验结果整理
(1)自由沉淀实验组。
作出P~u曲线,η~u曲线和η~t曲线。
絮凝沉淀实验组。
作出h~t曲线,η~t曲线。
(2)推荐的等去除率曲线作图法:
①计算不同时间不同深度处的去除率,在同一图上作出每一深度的η~t曲线;
②给定一组去除率(一般间隔为10%),从η~t曲线上找出各深度对应的沉淀时间t;
③在h~t图上作出等去除率曲线。
六、实验结果讨论
1、实际沉淀池由于水流、污泥、温度和其他因素的影响,其沉淀效果与实验值有一定差距,因此用实验值进行设计时,必须进行修正。
试分析实验沉淀装置于实际沉淀池的异同。
2、由于停止搅拌后,沉淀筒内各断面浓度不均匀,越往下浓度越大,所以可以在水面和取样口的中点取样作为其平均值。
试将两种沉淀曲线作一比较。
3、自由沉淀实验也可用六根沉淀筒来完成。
开始将六根沉淀筒注入等量的悬浮液,以后每隔一定时间安每次从一根沉淀筒内取样,保证每次取样的沉淀水深相同。
实验二、混凝实验
一、实验目的
1、了解混凝的现象及过程,净水作用及影响混凝的主要因素;
2、确定混凝剂的最佳用量及其相应的PH值。
混凝是用来去除水中无机和有机的胶体悬浮物。
通常在废水中所见到的胶体颗粒其大小变化约在100纳米~10微米之间,而其τ电位在15~20毫伏之间。
胶体悬浮物的稳定性是由于高τ电位引起的斥力,或者是由于在亲水的胶体上吸附了一层亲水分子形成的水化膜,或者是由于胶体悬浮物上吸附了一层非离子的聚合物所造成的。
混凝过程包括胶体悬浮物的脱稳和接着发生的使颗粒增大的凝聚作用。
随后这些大颗粒可以用沉淀、浮选和过滤等方法去除。
脱稳是通过投加强的阳离子电解质如Al3+、Fe3+或阳离子高分子电解质来降低τ电位,或者由于形成了带正电荷的含水氧化物如Alx(OH)Y+而吸附于胶体上,或者是通过阴离子和阳离子高分子电解质的自然凝聚,或是由于胶体悬浮物被围于含水氧化物的矾花内等方式来完成的。
形成矾花最佳的条件是要求PH值在等电离点或接近等电离点(对于铝来说,要求PH值得范围为5.0~7.0),同混凝剂的反应必须有足够的碱度,对于碱度不够的废水应投加Na2CO3、NaOH或石灰。
最有效的脱稳是使胶体颗粒同小的带正电荷含水氧化物的微小矾花接触,这种含水氧化物的微小矾花是在小于0.1秒的时间内产生的,因此要在短时间内剧烈的搅拌,在脱稳之后,凝聚促使矾花增大,从而使矾花能从水中去除。
铝和铁的矾花在搅拌时较容易破碎和离散。
投加2~5ml/L活性硅有可能提高矾花的强度。
在凝聚阶段将近结束时,投加0.2~1.0ml/L长链阴离子或非离子聚合物,通过桥联吸附作用,有助于矾花的聚集和长大。
所需混凝剂的投量将由于盐和阴离子表面活性剂的存在而增加。
脱稳也能通过投加阳离子聚合物来完成。
混凝的通常顺序是:
1、将混凝剂与水迅速剧烈地搅拌。
如果水中碱度不够,则要在快速搅拌之前投加碱性助凝剂。
2、如果使用活性硅和阳离子高分子电解质,则它们应在快速搅拌将近结束时投加。
使用阴离子高分子电解质,应在凝聚阶段的中期投加。
3、需要20~30分钟的凝聚时间,以促进大矾花的产生,在这一过程中,要使矾花之间相互接触,增进矾花的凝集,但是搅拌的速度要使矾花不受剪切。
本实验用烧杯搅拌试验来确定最佳混凝剂投量和PH值。
1、混凝搅拌器(无极调速25~150转/分)
2、1000毫升烧杯六支
3、PH计(或精密PH试纸);
温度计;
25ml小量筒;
本实验采用AL2(SO4)3混凝脱色。
1、熟悉混凝搅拌器的操作。
2、测定原水样的水温,PH和色度。
3、确定近似最小混凝剂量。
近似最小混凝剂投量可以通过慢慢搅拌烧杯中200毫升水样,并且每次增加1毫升的混凝剂投加量,直到出现矾花为止来得到。
4、在六只烧杯中各注入混合均匀的水样1000毫升,放入搅拌器,注意叶片在水中的相对位置应相同。
5、根据水样的性质,选择各人烧杯的加药量,使它们的浓度变化为步骤3所确定的浓度的25~200%,并量入小量筒中准备投加。
6、按混合搅拌转速(120~150转/分)开动搅拌器,待搅拌正常后即同时,在各烧杯中倒入混凝剂溶液,从倒入时刻开始计时,当预定的混合时间(1~2分钟)到达后,立即按预定的反应搅拌转速(25~40转/分),将搅拌器转速降低在预定的反应时间到达后,即停止搅拌。
7、在反应搅拌开始后,就注意观察各个烧杯中有无矾花产生、矾花大小及松散密实程度。
8、反应搅拌结束后,轻轻提起搅拌叶片(注意不要再搅动水样),进行静置沉淀30分钟,观察矾花的沉淀情况。
9、沉淀时间到达后,同时取出各烧杯中的澄清水样测定其PH值和色度,从而确定最佳投药量及相应的PH值,或者推荐的投药量(水质虽非最佳,但从经济考虑已可满足生产的需要)及相应的PH值,并估计最佳或推荐投药量时的污泥沉降比。
10、如果所得结果不太理想而有必要调整PH值时,可在第9步所选定的投药量的基础上进行不同PH值得实验,从而求得较好的PH值。
配制一组各为1000毫升的水样,用NaOH或H2SO4调整六个试样的PH值,使PH值从4到9,每个试样的PH值增量为1个PH值单位。
最佳混凝剂投量采用第9步结果。
重复上述第5~第9步骤,从而确定较好的PH值。
对结果进行综合考虑,得出最佳投药量和PH值。
11、如果由一组实验的结果得不出混凝剂用量的结论,或者需要更准确地求出混凝剂用量或PH值,则应根据对实验结果的分析,对混凝剂用量或PH值的变化方向作一判断,变化或缩小投量范围,进行另一组混凝实验。
12、如有必要,可作各种混凝剂的实验,以确定最优的混凝剂及其用量和相应的PH值。
五、注意事项
1、配水样时,必须把水样混合均匀,以保证各个烧杯中的水样性质一样。
取澄清水样时,应避免搅动已沉淀的矾花,且尽量使各烧杯水样取在同一清水层。
2、注意避免某些烧杯中的水样受到热或冷的影响,各烧杯中水样温度差<
0.5℃。
3、注意保证各搅拌轴放在烧杯中心处,叶片在杯中的高低位置应一样,且满足约定的比例关系。
4、测定水样时选用同一套仪器进行。
例如,当PH计不止一套时,由于仪器精密度可能不一致,故应只选用同一套。
六、实验结果整理
混凝实验记录
混合时间分搅拌速度转/分
反应时间分搅拌速度转/分
沉淀时间分水温摄氏度
(1)混凝剂最佳投量实验
混凝剂溶液浓度%
每1000ml水样中投加1ml混凝剂溶液合mg/L
助凝剂溶液浓度%
每1000ml水样中投加1ml助凝剂溶液合mg/L
烧杯号
原水
6
投药量(mg/L)
混凝剂
助凝剂
PH值
色度(消光值)
出现矾花时间(分)
30分钟沉降比(%)
(2)最佳PH值实验
NaOH(或H2SO4)溶液浓度%
每1000ml水样中投加1mlNaOH(或H2SO4)溶液合mg/L
(1)作出出水色度~混凝剂投量或脱色率~混凝剂投量曲线,找出最佳混凝剂投量。
(2)作出出水色度(或脱色率)~PH值曲线,找出最佳PH值。
3、按下列公式计算搅拌实验的水力参数G、GT值及雷诺数Re。
式中:
Cd——阻力系数,对Re>
1000的平板桨,当长宽比为1,5,20,∞时,Cd分别为1.16,1.2,1.5和1.9;
A——桨板在旋转方向的面积;
ρ——水密度
u——水和桨板之间的相对速度,约为桨板线速度的0.75;
V——水的体积;
μ——水的绝对粘度。
GT=G×
反应池的停留时间。
n——搅拌叶片的转速(转/分)
α——搅拌叶片的长度(米)
七、实验结果讨论
1、根据最佳投药量实验曲线,分析沉淀水浊度与混凝剂投加量的关系。
2、本实验与水处理实际情况有哪些差别?
如何改进?
实验三、清水充氧实验
1、进一步掌握曝气装置的充氧机理。
2、测定不同曝气装置的氧总转移系KLa。
3、评价不同曝气装置的充氧能力或动力
空气中的氧气向水中传递的过程,一般用双膜理论来解释。
当气水两相相对运动时,气水两相接触界面的两侧分别存在着气体边界层(气膜)和水边界层(水膜)。
气水膜均属层流,如图所示,氧从气相主体内以对流扩散方式迁移到达气膜后,以分子扩散方式通过气膜和水膜,最后又以对流方式转移到水流主体。
由于分子扩散速率远小于对流扩散速率,所以其传质阻力主要集中在双膜上。
对难溶于水的氧来说,氧转移速率又主要取决于液膜中的分子扩散速率。
根据传质原理,氧向水中传递速率与水中亏氧量及水气接触界面成正比。
即:
——单位容积内氧传递速率(mg/l*分)
KL——氧传递系数(m/分),表示单位界面面积在单位推动力作用下,单位时间传递的氧量;
A——单位体积水中气水接触面积(m2/m3);
CS——在实验的温度和压力下,清水中饱和溶解氧浓度(mg/l),由气相氧分压通过亨利定律预测而得;
C——t时刻水的实际溶解氧浓度(mg/l)。
由于KL和A都难以计量,实用上将两项合并为总传质系数KLa(1/分),以KLa表示总的氧传递率(即总阻力的倒数)。
因此当氧传递阻力较大时,KLa较小,反之亦然。
在废水处理中影响氧传递速率的因素包括氧的饱和浓度、温度、废水特性和水流紊动强度等。
对上式积分,如果在t=0时,Ct=C0,则有:
上式表明,在半对数坐标图上
与t之间为线性关系,其斜率为
。
因此充氧量就可用下式计算:
式中,V——液体总体积(l);
C0——初始溶解氧浓度,对脱氧清水C0=0。
对于鼓风曝气,池底扩散装置出口氧分压最大,Cs值也最大,但随气泡上升到水面,气体压力逐渐减少,气泡不断减压长大,直到等于大气压。
而同时气泡中一部分氧也逐渐转移到水中,逸出气体中氧所占地百分比有所下降。
因此鼓风曝气的Csm应以扩散装置出口和曝气池液面内外饱和溶解氧的平均值计算:
Csm=Cs(Pb/2.066+Qt/42)
式中,Csm——曝气池饱和溶解氧的平均值(mg/l);
Cs——大气压下的饱和溶解氧(mg/l);
Pb——扩散装置出口处的绝对压力(Kg/cm2);
Pb=Pa+r*H
Pa——大气压,1.033Kg/cm2;
r——水容量;
H——扩散装置的浸没深度。
Qt——气泡离开水面时含氧的百分数;
EA——扩散装置的氧传递效率,一般在5%~10%之间。
氧吸收率按下式计算:
式中,Q——鼓风气量(m2/时);
0.298——在标准状态下,1m2空气含氧0.298kg。
动力效率按下式计算:
式中,H——输入功率(KW)。
评价曝气设备的性能,应以氧吸收率和动力效率两项指标综合衡量,一般多用氧吸收率反映鼓风曝气设备的充氧能力,而用动力效率反映机械曝气设备的充氧能力。
1、曝气设备。
2、无油空压机。
3、秒表。
4、溶解氧测定仪。
5、无水压硫酸钠、氯化钴。
给曝气池注入一定量(V升)清水,其水量应使曝气设备能在45分钟内把池子内的水充氧达到90%饱和。
调节表面曝气叶轮浸没深度,使上顶板距水面20~40mm。
测量扩散曝气设备的浸没深度。
进行不稳定状态的曝气实验。
1、测定清水溶解氧。
2、投入还原剂亚硫酸钠及催化剂氯化钴脱氧,其化学反应如下:
按照这个反应,每去除1mg/l的溶解氧需要投加7.9mg的Na2SO3。
根据步骤2测定的清水溶解氧浓度,则可以算出Na2SO3的需要量(使用10~20%的超量),投入的氯化钴应足够维持池中的最低钴离子浓度为1.5mg/l。
在使用时,先将化学药剂进行溶解和预先混合,然后将这种溶液直接投入曝气池曝气叶轮处,促使其迅速扩散。
亚硫酸盐离子与溶解氧浓度接近于零,一般约需1~2分钟。
3、待清水中溶解氧及亚硫酸根离子全部除去后,开始计时,继续曝气,并用溶解氧测定仪每隔1分钟测定1次溶解氧。
测氧探头应置于水半深处。
曝气至溶解氧不再明显增加为止,即认为接近饱和。
数据记入表中。
4、采用如下运行参数:
穿孔管鼓风曝气强度2~5m3/m2;
叶轮表面曝气的叶轮圆周线速度2~5米/秒,叶轮浸深2~4cm。
5、实验结束。
6、注:
穿孔管鼓风曝气与叶轮表面曝气的步骤相似,只有步骤4采用的曝气装置不一样。
五、实验结果记录与整理
记录表格见后。
(1)对两种曝气装置的充氧试验分别以时间t为横坐标,以水中溶解氧浓度为纵坐标绘制充氧曲线,任取两点计算KLa。
(2)对两种曝气装置的充氧试验分别作出lg(CS-C)~t曲线,由此确定KLa。
并与第1种方法的结果比较。
(3)分别计算两曝气设备的充氧量、氧吸收率和动力效率,并比较之。
1、清水充氧的原理及其影响因素是什么?
2、测定氧总传质系数KLa有何意义?
你能否根据这个实验设计一个求常数α、β的实验方案?
3、比较两种曝气装置各有什么优缺点。
叶轮表面曝气充氧实验记录
序号
水槽
运行条件
饱和溶解氧
水槽中水的溶解氧的变化(mg/l)
KLa
充氧量kg/h
氧利用系数
备注
直径m
水深m
容积m3
叶轮直径m
转速转/分
线速度m/s
浸深cm
水温℃
理论mg/l
实测mg/l
充氧过程(分)
7
8
9
11
12
13
14
15
穿孔管鼓风曝气充氧实验记录
穿孔管
水槽中溶解氧变化(mg/l)
管径mm
孔径mm
孔数个
风量m3/h
风压kg/cm2
曝气强度m3/m2h
实验四、污泥比阻的测定
1、进一步加深理解污泥比阻的概念。
2、通过测定污泥比阻评价污泥脱水性能。
3、通过化学调理污泥絮凝,测定混凝剂的最佳投量。
污泥比阻是衡量污泥过滤特性的综合性指标,其物理意义是:
单位重量的污泥在一定压力下过滤时,单位过滤面积上的阻力,求此值得作用是比较不同的污泥(或同一种污泥加入不同量的混凝剂后)的过滤性能。
污泥比阻愈大,过滤性能愈差。
由泊塞-达西(Pliselles-Darcys)定律得出的过滤基本方程为:
V-滤过液体积(cm3)
T-过滤时间(秒)
P-真空度(g/cm2)
A-过滤面积(cm2)
C-单位体积滤液所得干固体重量(g/cm3)
r-污泥比阻抗(cm/g)
Rm-过滤介质的初始阻抗()
μ-滤液浓度(g/(cm×
s));
当忽略滤液固体浓度时,有
(g/cm3)
C0-原污泥固体浓度(g/cm3)
Cb-泥饼固体浓度(g/cm3)
方程中
代表滤饼层产生的阻力;
代表过滤介质产生的阻力。
在定压条件下过滤,当t=0,V=0,当t=t,V=V时,将上式积分,可得:
采用布式漏斗真空过滤实验所得数据绘制t/V~V关系曲线,可得一直线。
由直线斜率K可求得污泥比阻:
因此在污泥过滤过程中,过滤速度明显地受到污泥化学组成、颗粒形状、大小以及液相成分的影响。
所以一般污泥在过滤前需要投加混凝剂以凝聚小的颗粒和减少细小颗粒的移动,细小颗粒的移动可以使过滤介质和泥饼紧结,致使过滤速率明显地降低。
所用混凝剂常有氯化铁,石灰或高分子电解质。
混凝剂的投加方式和最佳投量均可通过测定污泥比阻来确定。
凝聚效果越好,污泥比阻就越小。
一般混凝剂投量与比阻之间具有下图的关
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