《水处理实验技术》指导书

《水处理实验技术》指导书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：0000)1(PSdPuuPE(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iitHU(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000011EPCCCCCiii(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0CCPii(3-4)则反映了ti时，未被去除之颗粒即ddi的颗粒所占的百分比。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，021020121CCCCCCCPPP(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iiuHuxuHux由于颗粒均匀分布，又为等速沉淀，故沉速和uαui的颗粒只有在x水深以内才能沉到池底。因此能沉至池底的这部分颗粒，占这种粒径的百分比为Hx，如图3-1所示，而iuuHx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0uuuuSi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0uuS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dPuuS0(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dPuuPS000故颗粒的去除率为dPuuPEPS0000)1((3-7)工程中常用下式计算00)1(uPuPES(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。I5．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)0C(mg/L)沉淀高度H(cm)0510203060120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%1000CCPii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smmtHuiIi/。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u0P01-P0ΔP0uPuS00)1(uPuPES00)1(uPuPES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%10000CCCEI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。2)1(18dSvgus（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8：008：018：028：058：158：309：0010：0012：0016：00沉淀距离h(10-2m)13.312.812.311.811.310.810.39.0平均沉速(10-2m/s)0.2130.1033.93×10-21.26×10-26×10-22.86×10-23.13×10-4沉淀过程中的平均水温℃20202020t℃时的v值(10-4m/s)0.01010.01010.01010.0101所取水样的最大粒径d(μm)49342111.98.25.71.9所取水样的浊度30.228.027.326.826.626.324.410.9小于该粒径颗粒所占的百分数（%）92.790.488.788.187.180.836.1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