颗粒自由沉淀实验报告之欧阳文创编.docx
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颗粒自由沉淀实验报告之欧阳文创编
建筑与测绘工程学院
时间:
2021.03.12
创作:
欧阳文
《水处理实验设计与技术》
实验报告
实验1颗粒自由沉淀实验
颗粒自由沉淀实验是研究浓度较低时的单颗粒的沉淀规律。
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沉砂池设计的重要依据。
一、实验目的
加深对自由沉淀特点、基本概念及沉淀规律的理解。
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。
二、实验原理
浓度较低的、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(斯托克斯)公式。
但是由于水中颗粒的复杂性,颗粒粒径、颗粒相对密度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,一般应使内径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η与截留沉速u0剩余颗粒重量百分率P的关系如下:
(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1所示。
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,不同沉淀时间ti,颗粒最小沉淀速度ui相应为:
(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)
此时去除率η0,表示u≥ui(d≥di)的颗粒除去率,而:
(4)
则反映了ti时,未被除去之颗粒即d<di的颗粒所占百分比。
图1颗粒自由沉淀示意
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us≥ui的那一部分颗粒能全部沉至柱底。
除此之外,颗粒沉速us<ui的那一部分颗粒,也有一部分能沉至柱底。
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柱的高度内,因此,只要在水面以下,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柱底的多,粒径小的沉到柱底的少,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us<ui的那些颗粒的去除率,并相加后,即可得这部分颗粒的去除率。
为了推导出其计算式,我们首先绘制P与u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2所示。
由图中可见:
(5)
故ΔP是当选择的颗粒沉速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的d1减到d2时,此时水中所能多去除的,即粒径在d1~d2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d1的某一粒径d占全部颗粒的百分比。
这些颗粒能沉至柱底的条件,应是由水中某一点沉至柱底所用的时间,必须等于或小于具有沉速为ui的颗粒由水面沉至柱底的时间,即应满足:
图2P与u关系曲线
由于颗粒均匀分布,又为等速沉淀,故沉速ux<ui的颗粒只有在x水深以内才能沉到柱底。
因此能沉至柱底的这部分颗粒,占这种粒径的百分比为
,如图4-1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(又称截留沉速);us=ux则有:
由上述分析可见,dPs反映了具有us的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:
(6)
正是反映了在设计沉速为u0时,具有沉速为us的颗粒所能被去除的部分占全部颗粒的比例。
利用积分求解这部分us<u0的颗粒的去除率,则为:
故颗粒的去除率为:
(7)
工程中常用下式计算:
(8)
三、实验设备及用具
(1)有机玻璃管沉淀柱一根,内径D≥100mm,高1.5m。
有效水深即由溢流口至取样口距离,共两种H1=0.9m,H2=1.2m。
每根沉淀柱上设溢流管、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、循环水和计量水深用标尺,如图3所示。
(3)计量水深用标尺,计时用秒表。
图3颗粒自由沉淀静沉实验装置
(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有万分之一天平、带盖称量瓶、干燥皿、烘
箱、抽滤装置、定量滤纸等。
(6)水样可用燃气洗涤污水,轧钢污水,天然河水或人工配制水样。
四、实验步骤及记录
(1)将实验用水倒人水池内,开启循环管路阀门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,记为C0值。
(2)开启阀门1、3,关闭循环阀门2,水经配水管进入沉淀柱内,当水上升到溢流口并流出后,关闭阀门。
(3)向沉淀柱内通人压缩空气将水样搅拌均匀。
(4)记录时间,沉淀实验开始,隔2、5、10、15、20、30、40、60min由取样口取样,记录沉淀柱内液面高度。
(5)观察悬浮颗粒沉淀特点、现象。
(6)测定水样悬浮物含量。
(7)实验记录用表见表1。
表1颗粒自由沉淀实验记录表
静沉时间(min)
滤纸编号
滤纸重(g)
取样体积(ml)
滤纸+SS重(g)
水样SS重(g)
C0(mg/L)
沉淀高度H0(cm)
0
1
1.1926
10.00
1.2202
0.0276
2760
1.200
2
2
1.2100
10.00
1.2362
0.0262
2620
1.185
5
3
1.2248
10.00
1.2442
0.0194
1940
1.170
10
4
1.1925
10.00
1.2062
0.0137
1370
1.155
15
5
1.2073
10.00
1.2172
0.0099
990
1.140
20
6
1.2041
10.00
1.2102
0.0061
610
1.125
30
7
1.2246
10.00
1.2292
0.0046
460
1.110
40
8
1.2024
10.00
1.2062
0.0038
380
1.095
60
9
1.3381
10.00
1.3402
0.0021
210
1.080
(1)向沉淀柱内进水时,速度要适中,既要较快完成进水,以防进水中一些转重颗粒沉淀,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,一定要记录柱中水面至取样口距离H0(以cm计)。
(3)取回时,先排除取样管中积水再取样,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。
五、成果整理
(1)实验基本参数整理
实验日期:
2017.4.15水样性质及来源污水厂
沉淀柱直径D=14mm柱高H=2.00m
水温:
20℃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2整理,以备计算分析之用。
表2实验原始数据整理表
沉淀高度(cm)
1.200
1.185
1.170
1.155
1.140
1.125
1.110
1.095
1.08
沉淀时间(min)
0
2
5
10
15
20
30
40
60
实测水样SS(mg/L)
2760
2620
1940
1370
990
610
460
380
210
计算用SS(mg/L)
2760
2620
1940
1370
990
610
460
380
210
未被去除颗粒百分比Pi
1
0.9493
0.7029
0.4964
0.3587
0.2210
0.1667
0.1377
0.0761
去除颗粒百分比
0.0000
0.0507
0.2971
0.5036
0.6413
0.7790
0.8333
0.8623
0.9239
颗粒沉速ui(mm/s)
10.0000
3.9500
1.9500
1.2833
0.9500
0.6250
0.4625
0.3042
表中不同沉淀时间ti时,沉淀柱内未被去除的悬浮物的百分比及颗粒沉速分别桉下式计算,未被去除悬浮物的百分比:
式中,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)
(3)相应颗粒流速
(mm/s)。
(4)以颗粒沉速u为横坐标,以P为纵坐标,在普通直角坐标纸上绘制P
与u关系曲线。
(5)利用图解法列表(表4-3)计算不同沉速时,悬浮物的去除率。
表3颗粒去除率η计算
序号
u0
P0
1-P0
△P
us
us·△P
∑(us·△P)
∑(us·△P)/u0
η=(1-P0)+∑(us·△P)/u0
1
1.0000
0.0000
2
10.0000
0.9493
0.0507
0.0507
10.0000
0.5072
3.2935
0.3293
0.3801
3
3.9500
0.7029
0.2971
0.2464
6.9750
1.7185
2.7862
0.2786
0.5757
4
1.9500
0.4964
0.5036
0.2065
2.9500
0.6092
1.0677
0.1068
0.6104
5
1.2833
0.3587
0.6413
0.1377
1.6167
0.2226
0.4585
0.0458
0.6872
6
0.9500
0.2210
0.7790
0.1377
1.1167
0.1537
0.2359
0.0236
0.8026
7
0.6250
0.1667
0.8333
0.0543
0.7875
0.0428
0.0822
0.0082
0.8416
8
0.4625
0.1377
0.8623
0.0290
0.5438
0.0158
0.0394
0.0039
0.8663
9
0.3042
0.0761
0.9239
0.0616
0.3833
0.0236
0.0236
0.0024
0.9263
(6)根据上述计算结果,以η为纵坐标,分别以u及t为横坐标,绘制η与u、η与t关系曲线。
见图3,4,5。
六、思考题
(1)自由沉淀中颗粒沉速与絮凝中沉淀颗粒沉速有何区别?
自由沉淀和絮凝沉淀的沉淀条件不同,以致他们的沉速存在区别。
自由沉淀过程中,颗粒彼此没有干扰,只受到颗粒本身在水中的重力和水流阻力的作用,匀速下沉,下沉速度与沉淀高度无关且沉淀过程颗粒的物理性质(如颗粒大小、间隔等)不发生改变。
絮凝沉淀过程中,颗粒由于相互接触絮凝而改变大小、形状和密度,沉淀过程中轨迹呈曲线。
(2)绘制自由沉淀静沉曲线的方法及意义。
本实验通过测量不同沉淀时间所对应的悬浮物浓度和沉淀柱高度,算出每个沉淀时间所对应的颗粒沉速u和未被去除颗粒百分比P,绘制P-u关系曲线图。
由P-u关系曲线图算出积分
再通过公式
求得悬浮物去除率η,从而可以绘制η-u、η-t关系曲线图。
通过绘制自由沉降曲线,可以了解颗粒自由沉淀的自由沉淀规律和特点,沉淀效果,认识颗粒自由沉淀过程中沉淀时间、颗粒沉速及悬浮物去除率之间的关系,为实际工程应用中沉淀池的设计作理论指导。
(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?
因为自由沉淀的沉速与沉淀高度无关,因此,沉淀柱高度不同,所得实验结果是一样的。
(4)利用上述实验资料,按下式计算去除率η:
计算不同沉淀时间t的沉淀效率η,绘制η与t、η与u静沉关系曲线,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。
图3P与u关系曲线
图4η与u关系曲线
图5η与t关系曲线
时间:
2021.03.12
创作:
欧阳文
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