筛分过滤实验

实验报告院（系）环境科学与工程学院学号审批专业环境工程实验人实验题目：筛分过滤实验2018年12月23日第1页，共9页一、实验目的1.测定天然河砂的颗粒级配；2.绘制筛分级配曲线，求d10、d80、K80；3.按设计要求对上述河砂进行再筛选；4.求定滤料孔隙率；5.过程熟悉普通快滤池过滤、冲洗的工作；6.加深对滤速、冲洗强度、滤层膨胀率、初滤水浊度的变化、冲洗强度与滤层膨胀率关系以及滤速与清洁滤层水头损失关系的理解。二、实验原理2.1滤料筛分实验滤料级配是指将不同大小粒径的滤料按一定比例加以组合，以取得良好的过滤效果。滤料是带棱角的颗粒，其粒径是指把滤料颗粒包围在内的球体直径（这是一个假想直径）。在生产中简单的筛分方法是用一套不同孔径的筛子筛分滤料试样，选取合适的粒径级配。我国现行规范是以筛孔孔径0.5mm及1.2mm两种规格的筛子过筛，取其中段。这虽然简便易行但不能反映滤料孔径的均匀程度，因此还应该考虑级配情况。能反映级配状况的指标是通过筛分级配曲线求得的有效粒径d10以及d80和不均匀系数K80。d10——通过滤料质量10%的筛孔孔径，它能反映滤料中细颗粒尺寸，即产生水头损失的“有效”部分尺寸；d80——过滤料质量80%的筛孔孔径，它能反映粗颗粒尺寸；K80——d80与d10之比，即K80=d80/d10。K80越大表示粗细颗粒尺寸相差越大，滤料粒径越不均匀，这样的滤料对过滤及反冲洗均不利。尤其是反冲时，为了满足滤料粗颗粒的膨胀要求就会使细颗粒因过大的反冲强度而被冲走；反之，若为满足细颗粒不被冲走的要求而减小反冲强度，粗颗粒可能因冲不起来而得不到充实验报告院（系）环境科学与工程学院学号审批专业环境工程实验人实验题目：筛分过滤实验2018年12月23日第2页，共9页分清洗。故滤料需经过筛分级配。2.2过滤实验（水头损失）快滤池滤料层能截留粒径远比滤料孔隙小的水中杂质，主要通过接触絮凝作用，其次为筛滤作用和沉淀作用。要想使过滤出水水质好，除了滤料组成需符合要求外，沉淀前或过滤前投加混凝剂也是必不可少的。当过滤水头损失达到最大允许水头损失时，滤池需进行冲洗。少数情况下，虽然水头未达到最大允许值，但如果滤池出水浊度超过规定要求，也需进行冲洗。冲洗强度需满足底部滤层恰好膨胀的要求。根据运行经验，冲洗排水浊度降至10~20度以下可以停止冲洗。快滤池冲洗停止时，池中水杂质较多且未投药，故初滤水浊度较高。滤池运行一段时间（约5～10min）后，出水浊度才符合要求。时间长短与原水浊度、出水浊度要求、药剂投量、滤速、水温以及冲洗情况有关。如初滤水历时短，初滤水浊度比要求的出水浊度高不了多少，或者说初滤水对滤池过滤周期出水平均浊度影响不大时，初滤水可以不排除。清洁滤层水头损失计算公式采用卡曼-康采尼（Carman-Kozony）公式ℎ0=180𝜈𝑔(1−ℰ0)2ℰ03(1𝜑⋅𝑑0)2𝐿0𝜐式中：ℎ0——水流通过清洁滤层水头损失，cm；𝜈——水的运动粘度，cm2/s；𝑔——重力加速度，981cm/s2；ℰ0——滤料孔隙率；𝑑0——与滤料体积相同的球体直径，cm；𝐿0——滤层厚度，cm；𝜐——滤速，cm/s；𝜑——滤料颗粒球度系数；天然滤料一般采用0.75~0.80。当滤速不高，清洁滤层水流属层流时，水头损失与滤速成正比，两者成直线关系；当滤实验报告院（系）环境科学与工程学院学号审批专业环境工程实验人实验题目：筛分过滤实验2018年12月23日第3页，共9页速较高时，上式计算结果偏低，即水头损失增加率超过滤速增长率。为了保证滤池出水水质，常规过滤的滤池进水浊度不宜超过10~15度。本实验采用投加混凝剂的直接过滤，进水浊度可以高达几十以至百度以上。因原水加药较少，混凝后不经反应直接进入滤池，形成的矾花粒度小，密度大，不易穿透，故允许进水浊度较高。三、实验设备与试剂表3-1实验中所用试剂及说明仪器（试剂）数量（说明）圆孔筛1套托盘天平1台（称量300g，感量0.1g）烘箱1台带拍摇筛机1台（如无则人工手摇）浅盘和刷（软、硬）各1个1000mL量筒1个过滤装置1套光电式浊度仪1台200mL烧杯2个（取水样测浊度用）20mL量筒1个秒表1个（测投药量用）实验报告院（系）环境科学与工程学院学号审批专业环境工程实验人实验题目：筛分过滤实验2018年12月23日第4页，共9页2m钢卷尺1个温度计1个四、实验步骤4.1滤料筛分实验1.取样。取天然河砂300g，取样时要先将取样部位的表层铲去，然后取样。将取样器的中的砂样洗净后放在浅盘中。2.称取砂样100g，选用一组筛子过筛。筛子按筛孔大小顺序排列，砂样放在最上面的一只筛（1.68mm筛）中。3.将该组套筛装入摇筛机，摇筛约5min，然后将筛套取出，再按筛孔大小顺序在洁净的浅盘上逐个进行手筛，直至每分钟的筛出量不超过试样总量的0.1%时为止。通过的砂颗粒并入下一筛号一起过筛，这样依次进行直至各筛号全部筛完。若无摇筛机，可直接用手筛。4.称量在各个筛上的筛余试样的质量（精确至0.1g）。所有各筛余质量与底盆中剩余试样质量之和与筛分前的试样总质量相比，其差值不应超过1%。5.将上述所得的各项数值填入表5-1中。4.2过滤实验（水头损失）将有关滤柱数据记入表5-2.作滤速与清洁滤层水头损失的关系实验。通入清水，测不同滤速（流量为60、80、100、140、200、260、320、400L/h，根据滤柱内平面面积计算滤速）时滤层顶部的测压管水位和滤层底部附近的测压管水位、测水温。将有关数据记入表5-3。停止冲洗，结束实验。实验报告院（系）环境科学与工程学院学号审批专业环境工程实验人实验题目：筛分过滤实验2018年12月23日第5页，共9页五、实验数据记录和整理1.滤料筛分试验表1滤料筛分实验筛孔大小/mm截留砂样质量/g通过筛孔的砂石质量/g通过筛孔砂样质量占总质量比值/%2.009.978189.690189.991.2512.404477.285777.540.5813.750563.535263.750.3036.339227.19627.290.1811.206215.989816.040.1512.79893.19093.200.130.00713.18383.190.101.57071.61311.620.0750.91660.69650.7000.696500.00初始称量的砂石质量m1=100.0064g；剩余试样质量之和m2=99.6682g前后差值=200000000100=0＜1符合所有各筛余质量与底盆中剩余试样质量之和与筛分前的试样总质量相比差值不超过1%的实验要求。由以上数据可作筛分级配曲线。实验报告院（系）环境科学与工程学院学号审批专业环境工程实验人实验题目：筛分过滤实验2018年12月23日第6页，共9页根据散点图的分布特点选择合适曲线模型进行拟合，拟合函数的相关参数如下图中所示，其中相关系数R2=0.98542，说明曲线的拟合效果较好，代入参数数值可得滤料筛分级配曲线的拟合方程为y=−11950()880当y=10时，解得d10=-0.379×(10−880)(−11950)=0.163当y=80时，解得d10=-0.379×(80−880)(−11950)=1.034故不均匀系数K80=d80/d10=0303=6.35，根据《滤池气水冲洗设计规程》（CECS50：1993），均质石英砂滤料的定义为“有效粒径较均匀的石英砂滤料，一般不均匀系数K80为1.3-1.4，不超过1.6。实验样品K80=8.481.6,不符合有效粒径较均匀的石英砂滤料规范，说明实验样品粒度分布极其不均匀。2.过滤实验相关参数：滤池直径D=12.09cm滤层厚度L=94cm水温t=20℃实验报告院（系）环境科学与工程学院学号审批专业环境工程实验人实验题目：筛分过滤实验2018年12月23日第7页，共9页表2过滤实验数据记录表流量(L/h)滤速（mm/s）滤层顶部测压管水位hb(cm)滤层底部测压管水位ha(cm)水头损失△h（cm)500.38131.0109.022.0600.46116.189.926.2750.57128.997.831.1800.61117.882.435.41300.99126.072.054.01401.06128.868.660.21601.22128.061.266.82001.52128.046.082.0实验开始前，我们首先进行反冲洗巩固厚实致密滤料层，保证其内部空隙率基本不变，使滤料成为一个统一成体。实验过程中，我们控制阀门保证进入滤料的液体流量等于流出滤料的液体流量，通过观察和控制滤料上层的液面高度及测压管水头恒定来保证进液流速等于过滤速度等于出液流速。通过记录进液流量的大小和滤池直径，算得每个实验的进液流速，进而得到每个实验的过滤速度。通过测量滤层顶部和底部恒定不变的测压管水位，得到每个过滤速度下所对应的水头损失△h。由以上数据可作滤速和水头损失的关系曲线。实验报告院（系）环境科学与工程学院学号审批专业环境工程实验人实验题目：筛分过滤实验2018年12月23日第8页，共9页通过线性拟合我们知道R2=0.9981，实验数据说明过滤速度和水头损失之间呈现良好的线性关系。符合曼-康采尼（Carman-Kozony）公式ℎ0=180𝜈𝑔(1−ℰ0)2ℰ03(1𝜑⋅𝑑0)2𝐿0𝜐六、思考与讨论1.滤料筛分试验A.用筛子筛分滤料时不能用力拍打筛子，只在过筛结束时轻拍一次或用小刷刷下，使夹在筛孔中的滤料脱离，放入烧杯中与为过筛面的颗粒一同称重；B.拟合曲线过程中发现0.15-2.00mm筛孔大小与过筛砂样质量占总质量比值关系曲线上凸，可用所选曲线模型拟合；而0-0.13mm对应关系曲线下凹，不能满足所得拟合方程，推测可能原因是实验过程中存在部分细小颗粒夹在筛子壁与筛网的交接处无法脱落，影响实验结果，尤其是微小粒径颗粒实验数据受到了较大的影响，因为颗粒越小，筛分过程中经过的夹缝越多，越容易夹在这些缝隙中，导致称量结果偏小，对应质量比值偏小；筛孔大小变化梯度过小，也是这几个点数据出实验报告院（系）环境科学与工程学院学号审批专业环境工程实验人实验题目：筛分过滤实验2018年12月23日第9页，共9页现误差的原因。C.将砂样转移到烧杯时，可能有一部分颗粒未能顺利倒入烧杯，从而使实验称量结果偏小。D.实验样品K80=8.48远大于1.6,不符合有效粒径较均匀的石英砂滤料，如需用它作为滤料进行过滤，需要进一步根据筛分级配曲线方程求得的数值再筛选，使不均匀系数K80在标准范围内。2.过滤实验A.实验开始前滤柱中无水，大量空气存在滤料颗粒之间，我们在对滤料进行了多次反冲洗，但滤料柱中仍存在一定量气泡，实验过程中时而有气泡向上逸出，滤层有气泡时会减小滤层的空隙率，使水头损失加大，过滤周期延长，滤层截污容量减小，还可能使滤层产生裂缝，产生水流短路，降低出水质量，且减小了反冲洗时颗粒之间的摩擦力，降低反冲洗效果。B.读取测压管水位高度时，个别水位超过我们身高，这些数值可能由于视线无法完全与水面平齐而导致读数不准。C.水流从滤层顶端到滤层最下端需要一定时间，故调节好流量后需要等待一段时间使上下测压管水面稳定，滤速越慢，所需的时间越长，过早读数测压管液面尚未稳定，由于我们是从小到大调节流量，因此会使下端测压管读数偏大，最终计算所得水头损失偏小。D.反冲冼时应适当调节进水流速，避免强度过大，强度过大时会导致滤层膨胀过高，单位体积流化床内的滤料颗粒数减少，从而降低碰撞机会，反洗效果变差，同时也容易造成滤料流失和冲洗水的浪费。E.为了准确测出滤层厚度，应当等滤层稳定，基本无气泡逸出之后再测量。