A4-水污染控制工程实验指导书.doc

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1、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，而且也是水处理工程中某些构筑物如沉砂池、沉淀池设计的重要依据。一. 实验目的 1. 通过观察沉淀过程，加深对自由沉淀特点、基本概念及沉淀规律的理解。2. 初步掌握颗粒自由沉淀的实验方法，并能对实验数据进行分析、整理、计算。3. 进一步了解和掌握自由沉淀规律，根据实验结果绘制自由沉淀曲线，包括时间沉淀效率（tE）的关系曲线、颗粒沉速沉淀效率（uE）的关系曲线。二. 实验原理沉淀是指从液体中借重力作用去除固体颗粒的一种过程。根据液体中固体物质的浓度和性质，可将沉淀过

2、程分为自由沉淀、絮凝沉淀、成层沉淀和压缩沉淀等四类。当废水中的悬浮物浓度不高时，在静沉过程中颗粒之间互不干扰、碰撞，呈单颗粒状态下沉，这种沉淀属于自由沉淀。自由沉淀时颗粒是等速下沉，下沉速度与沉淀的高度无关，因而自由沉淀可在一般的沉淀柱内进行。为使沉淀颗粒不受器壁的干扰，沉淀柱的直径一般应不小于100mm。如果沉淀柱的有效水深为H，如图1-1所示，通过不同的沉淀时间t，可求得不同的沉速u，u=H/t。如沉淀时间为t，相应的沉速为u0，则颗粒的去除率由两部分构成：沉速uu0颗粒能全部去除，去除率为E1；所有沉速小于u0的颗粒能部分去除，去除率为E2，则E=E1+E2。设所有沉速小于u0的颗粒占总

3、颗粒数的百分数为P0，其中某一种沉速为ux的颗粒的去除百分数为ux/u0，则所有沉速小于u0的颗粒ux的去除百分数即E2=。沉速uu0颗粒所占的百分数为1P0，E1=1P0，则总去除率：E=（1P0）+但沉速小于u0的颗粒占总颗粒数的百分数P0不易统计，故E2较难计算。实验中可按以下方法进行去除率的计算。在t=0时，沉淀柱中任何一点的悬浮物浓度是一致的，等于C0。随着沉淀的进行，沉淀柱中悬浮物浓度不再是均匀的，其浓度随水深而增加，从沉淀柱下部取样测出的浓度将大于上部和中部的浓度，严格来说，经过沉淀时间t后，应将沉淀柱中有效水深内的水样全部取出，混匀后测出其浓度Ct，来计算沉淀时间为t的沉淀效率

4、Et。 Et=在不同的沉淀时间t1、t2、分别取样，可绘制出时间时间沉淀效率曲线、颗粒沉速沉淀效率曲线。上述实验的工作量太大。经研究，可以从有效水深内的上、中、下部取相同数量的水样混匀后求出有效水深内（污泥层以上）的平均悬浮物浓度。或者，为了简化，可以假定悬浮物浓度沿深度呈直线变化，这样，将取样口设在沉淀柱中部0.5H处，则该处水样的悬浮物浓度可近似地代表整个有效水深内的平均浓度，据此计算出沉淀时间为t时的沉淀效率。在不同的沉淀时间t1、t2、分别从中部取样，测出其悬浮物浓度C1、C2，并量出水深的变化H、H1（如沉淀柱直径足够大，则水深变化可忽略不计），可计算出u1、u2、（等于H/t1、H

5、1/t2），根据所测数据可绘制出时间沉淀效率（tE）曲线、颗粒沉速沉淀效率（uE）曲线。图1-1 沉淀柱示意图三. 主要实验设备1. 自由沉淀装置，如图1-2所示。2. 分析天平3. 称量瓶4. 烘箱5. 滤纸6. 漏斗7. 漏斗架8. 量筒9. 烧杯四. 实验水样可采用生活污水、浊度不太大的工业废水如造纸废水、轧钢废水等或用高岭土、硅藻土配制水样。五. 实验步骤1. 实验前将各阀门均关闭，将水样倒入低位水箱，用泵将水样送至高位水箱，开动搅拌装置，搅拌约10分钟，使水样中的悬浮物颗粒分布均匀。然后打开高位水箱放空阀取水样三次，测定水样的悬浮物浓度，其平均值即为初始浓度C0。每次取样后关闭放空阀

6、。2. 打开进水阀，使水样进入沉淀柱内，到达适当高度后关闭进水阀。同时开始记时，实验开始。3. 隔5、10、20、30、45、60、90min，由取样口取样，并记录沉淀柱内液面高度。注意取样前先排出取样管中的积水约10mL。4. 观察悬浮物沉淀特点和现象。5. 测定水样中悬浮物浓度，以mg/L计。测定每一沉淀时间的水样的悬浮物浓度方法如下：首先调烘箱至1051，叠好滤纸放入称量瓶，打开盖子，将其放入105烘箱中至恒重，称取重量，然后将恒重好的滤纸取出放在玻璃漏斗中，过滤水样，并用蒸馏水冲净，使滤纸上得到全部悬浮性固体。最后将带有滤渣的滤纸移入称量瓶中，称其悬浮物的重量（还要重复烘干至恒重的过程

7、）6. 每次取样体积要适当，如100mL或200mL。实验数据记录到表1-1中。图1-2 自由沉淀实验装置1-低位水箱，2-高位水箱，3-搅拌装置，4-放空阀，5-进水阀，6-沉淀柱，7-排水阀，8-取样口，9-泵表1-1 自由沉淀实验记录 水温：时间(min)取样体积(mL)称量瓶+滤纸共重(g)称量瓶+滤纸+SS共重(g)SS(g)C(mg/L)C平均(mg/L)沉淀高度H(cm)05102030456090注：除C0取三个水样外，其余均只取两个水样。六. 实验数据整理、计算及绘图1. 将实验原始数据按表1-2进行整理，以备分析之用。表1-2 实验数据整理沉淀高度(cm)沉淀时间(min）

8、颗粒沉速(mm/s)沉淀效率(%)2.分别以沉淀时间、颗粒沉速为横坐标，沉淀效率为纵坐标绘制tE曲线和uE曲线。七. 思考题1. 简述自由沉淀的特点。2. 绘制自由沉淀曲线的意义。3. 在层流区时，颗粒沉速可用什么公式描述？说明公式中各项变化对沉速的影响。4. 说明理想沉淀池的四个假设。5. 水中颗粒的比重为2.6，粒径为0.1mm，求它在水温10oC时的单颗粒沉降速度。混凝实验混凝实验是水处理的基础实验之一，被广泛应用于科研、生产中。分散在水中的胶体颗粒带有电荷，同时在布朗运动及其表面水化膜作用下，长期处于稳定分散状态，不能用自然沉淀法去除。向这种水中投加混凝剂后，可以使分散颗粒相互结合聚集

9、增大，从水中分离出来。由于各种原水有很大差别，混凝效果不尽相同。混凝剂的混凝效果不仅取决于混凝剂投加量，同时还取决于水的pH值、水流速度梯度等因素。通过混凝实验，不仅可以选择投加药剂种类、数量，还可确定混凝最佳条件。一. 实验目的 1. 学会求得某水样最佳混凝条件(包括pH值、投药量)的基本方法。2. 了解混凝的现象及过程，观察矾花的形成及混凝沉淀效果。3. 加深对混凝机理的理解。二. 实验原理化学混凝法是用来去除水中无机和有机的胶体颗粒。通常废水中的胶体颗粒的大小变化约在100埃到10微米之间，胶粒之间的静电斥力、胶粒的布朗运动及胶粒表面的水化作用，使胶粒具有分散稳定性，使胶粒靠自然沉淀不能

10、除去。混凝过程包括胶体的脱稳和颗粒增大的凝聚作用，随后这些大颗粒可用沉淀、气浮或过滤法去除。消除或降低胶体颗粒稳定因素的过程叫脱稳，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Zeta电位，或者是由于形成了带正电荷的含水氧化物而吸附胶体，或者是通过阴离子和阳离子高分子电解质的自然凝聚，或者是由于胶体被围在含水氧化物的矾花内等方式来完成的。混凝剂使胶体脱稳的主要作用是压缩双电层和吸附架桥。脱稳后的胶粒，在一定的水力条件下，能形成较大的絮凝体（俗称矾花），该过程称为凝聚。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

11、絮凝”。异向絮凝只对微小颗粒起作用，当粒径大于15微米时，布朗运动基本消失。从胶体颗粒变成较大的矾花是一连续过程，为了研究方便可划分为混合和反应两个阶段。混合阶段要求混凝剂和废水快速混合均匀，一般在几秒钟或一分钟内完成，该阶段只能产生肉眼难以看见的微絮凝体；反应阶段要求搅拌强度随矾花的增大而逐渐降低以免结大的矾花被打碎而影响混凝的效果，反应时间约1530min，该阶段微絮凝体形成较密实的大粒径矾花。三. 主要实验设备及药品1. 六联电动搅拌器；2. 浊度仪；3. 酸度计；4. 1000mL和200mL烧杯、移液管、温度计、100mL注射器、1000mL量筒若干个；5. 混凝剂（如硫酸铝、三氯化

12、铁、聚合氯化铝、聚丙烯酰胺等）、NaOH、盐酸等。四. 实验步骤混凝实验分为最佳投药量、最佳pH值两部分在进行最佳投药量实验时，先选定一种搅拌速度变化方式和pH值，求出最佳投药量。然后按照最佳投药量求出混凝最佳pH值。在混凝实验中所用的实验药剂可参考下列浓度进行配制：1 精制硫酸铝Al2(SO4)318H2O，浓度10g/L（一）最佳投药量实验步骤1确定原水特征，即测定原水水样混浊度、pH值、温度。如有条件，测定胶体颗粒的Zeta电位。2确定形成矾花所用的最小混凝剂量。方法是通过慢速搅拌(100r/min或50r/min)烧杯中200mL原水，并每次增加0.5mL或1mL混凝剂投加量，直至出现

13、矾花为止。这时的混凝剂量作为形成矾花的最小投加量。3用6个1000mL的烧杯，分别放入1000mL原水，置实验搅拌机平台上。4确定实验时的混凝剂投加量。根据步骤2得出的形成矾花最小混凝剂投加量，取其14作为1号烧杯的混凝剂投加量，取其2倍作为6号烧杯的混凝剂投加量，用依次增加混凝剂投加量相等的方法求出2-5号烧杯混凝剂投加量。5启动搅拌机，转速约300500r/min，把混凝剂分别加入16号烧杯中，快速搅拌半分钟、：中速搅拌5分钟左右，转速约100r/min；慢速搅拌510分钟、转速约5080r/min。如果用污水进行混凝实验，污水胶体颗粒比较脆弱，搅拌速度可适当放慢。6关闭搅拌机、抬起搅拌桨

14、、静止沉淀515分钟，用50mL注射针筒抽出烧杯中的上清液(共抽三次约100mL)放入200mL烧杯内，立即用浊度仪测定浊度，(每杯水样测定三次)，记入表2-1中。图2-1 六联电动搅拌器1-变速电动机，2-搅拌叶片，3-传动装置（二）最佳pH值实验步骤1取6个1000mL烧杯分别放入1000mL原水，置于实验搅拌机平台上。2确定原水特征，测定原水浑浊度、pH值，温度。本实验所用原水和最佳投药量实验时相同。3调整原水pH值，用盐酸和氢氧化钠溶液将原水pH值分别调整为4、5、6、7、8、9。启动搅拌机，快速搅拌半分钟，转速约300r/min。随后从各烧杯中分别取出50mL水样放入锥形瓶，用pH仪

15、测定各水样pH值记入表2-2中。测定后将水样倒回烧杯。4启动搅拌机，转速约300500r/min，把最佳投药量的混凝剂分别加入16号烧杯中，快速搅拌半分钟、：中速搅拌5分钟左右，转速约100r/min；慢速搅拌510分钟、转速约5080r/min。5关闭搅拌机，静置515分钟，用50mL注射针筒抽出烧杯中的上清液(共抽三次约100mL放入200mL烧杯中，立即用浊度仪测定浊度(每杯水样测三次)，记入表2-2中。五. 实验数据整理原水温度: 原水浊度: 原水PH: 混凝剂: 混凝剂浓度: 最小混凝剂量(mL): 相当于(mg/L):表2-1 最佳混凝剂投加量水样编号123456投药量mL投药量m

16、g/L初矾花时间min剩余浊度最佳投药量mg/L快速搅拌 min 转速 r/min中速搅拌 min 转速 r/min慢速搅拌 min 转速 r/min沉淀时间 min六. 思考题1. 混凝对水力条件有何要求？2. 简述混凝机理。3. 简述高分子混凝剂的作用。4. 铝盐混凝剂的作用过程有哪些？5. 为什么最大加药量时，混凝效果并不是最好？过量的混凝剂可以使混凝效果更好吗？活性炭吸附实验活性炭处理工艺是运用吸附的方法来脱色、去除异味、某些离子以及难以进行生物降解的有机污染物。在吸附过程中，活性炭比表面积起着主要作用。同时，被吸附物质在溶剂中的溶解度也直接影响吸附的速度。此外，pH的高低、温度的变化

17、和被吸附物质的分散程度也对吸附速度有一定影响。一. 实验目的1. 加深理解吸附的基本原理。2. 验证Freundlich公式及Langmuir公式。3. 掌握活性炭吸附公式中常数的确定方法。二. 实验原理活性炭对水中所含杂质的吸附既有物理吸附现象，也有化学吸着作用。有一些被吸附物质先在活性炭表面上积聚浓缩，继而进入固体晶格原子或分子之间被吸附，还有一些特殊物质则与活性炭分子结合而被吸着。当活性炭对水中所含杂质吸附时，水中的溶解性杂质在活性炭表面积聚而被吸附，同时也有一些被吸附物质由于分子的运动而离开活性炭表面，重新进入水中即同时发生解吸现象。当吸附和解吸处于动态平衡状态时，称为吸附平衡。这时活

18、性炭和水(即固相和液相)之间的溶质浓度，具有一定的分布比值。如果在一定压力和温度条件下，用m克活性炭吸附溶液中的溶质，被吸附的溶质为毫克，则单位重量的活性炭吸附溶质的数量qe，即吸附容量可按下式计算： (1)式中：V，溶液体积，L； C0、Ce，分别为溶质的初始浓度和平衡浓度，mg/L； m，活性炭质量，g。qe的大小除了决定于活性炭的品种之外，还与被吸附物质的性质、浓度、水的温度及pH值有关。一般说来，当被吸附的物质能够与活性炭发生结合反应、被吸附物质又不容易溶解于水而受到水的排斥作用，且活性炭对被吸附物质的亲和作用力强、被吸附物质的浓度又较大时，qe值就比较大。常用的描述吸附容量qe与吸附

19、平衡时溶液浓度Ce的关系有Fruendlieh和Langmuir吸附等温式。在水和污水处理中通常用Fruendlich表达式来比较不同温度和不同溶液浓度时的活性炭的吸附容量，即： (2)式中：qe吸附容量(mg/g)； K与吸附比表面积、温度有关的系数； n与温度有关的常数，n1； Ce吸附平衡时的溶液浓度(mg/L)。这是一个经验公式，通常用图解方法求出K，n的值为了方便易解，往往将式(2)变换成线性对数关系式 (3)由实验数据按上式作图得一直线（如图4-1），其斜率为，截距等于lgK。一般认为，值介于0.10.5，则易于吸附；2时，难以吸附。利用K和两个常数，可以比较不同吸附剂的特性。图4

20、-1 Fruendlich模型根据Langmuir单分子层吸附理论导出公式如下： qe= (4)由（4）式得 (5) (6)根据吸附实验数据，按上式作图，可求a、b值(如图4-2)。式（6）适用于Ce值小于1的情况，式（5）则适用于Ce较大的情况，因为这样便于作图。由式（4）可知，当吸附量很少时，bCe远小于1，此时qe=abCe，即qe与Ce成正比，等温线近似于一直线；当吸附量很大时，bCe远大于1，此时qea，即平衡吸附量接近于定值，等温线趋向水平。图4-2 Langmuir模型 三. 主要实验设备及药品1. 振荡器；2. 250mL磨口玻塞锥形瓶；3. 漏斗；4. 移液管5. 比色管6.

21、 活性炭7. 罗丹明B溶液（200mg/L）四. 实验步骤1. 绘制罗丹明B标准曲线。取100mL比色管5个，进行编号，按表1中给出的数据进行定容。表1比色管号12345200mg/L罗丹明B溶液（mL）0.51.01.52.02.5定容后罗丹明B浓度（mg/L）12345用分光光度计测定定容后各溶液的吸光度，以横轴为吸光度，纵轴为浓度绘制标准曲线。罗丹明B的最大吸收波长为554nm。1. 取5个洗净烘干的磨口玻塞锥形瓶编号，每瓶中各称量约0.10-0.15g活性炭（精确至mg）。2. 按照表2要求，配制各瓶中罗丹明B溶液。3. 各瓶用磨口塞塞好，振荡3h，使吸附达到平衡。4. 将各瓶的溶液用

22、洗净的漏斗进行过滤。5. 用分光光度计测定滤液的吸光度，根据标准曲线得出各滤液的浓度。表2瓶号12345200mg/L罗丹明B溶液（mL）5040302010蒸馏水（mL）010203040五. 实验数据整理1.将实验数据记录在表4-2中。2.作lgqelgCe曲线，并由斜率和截距求出n和K。3.作1/qe1/Ce曲线和Ce/qeCe曲线，比较实验数据更接近哪个公式，求出a、b值。表4-2 活性炭吸附实验数据记录及整理1标准曲线：吸光度浓度(mg/L)012345罗丹明B标准曲线:2活性炭吸附实验数据记录及整理温度 oC瓶号用量(g)稀释倍数吸光度计算浓度mg/L真实浓度mg/L12345项目

23、瓶号12345C0（mg/g）活性炭（g）平衡浓度Ce(mg/L)平衡吸附量qe(mg/g)lgqelgCe1/qe1/CeCe/qeLangmuir拟合曲线公式:Fruendlich拟合曲线公式:六. 思考题1. 吸附作用与哪些因素有关？2. 试举出几种吸附剂。3. 吸附剂表面的吸附力有哪几种？4. 活性炭再生的方法有哪些？5. 简述吸附在水处理中的应用？活性污泥性质的测定活性污泥是活性污泥法中最重要的组成部分之一，活性污泥的质量直接影响处理效果。故活性污泥的一些性质是要经常进行测定的。同时，通过活性污泥的某些性质的变化可以指导活性污泥法的运行。一. 实验目的 1. 加深对活性污泥的理解。2

24、. 掌握几种污泥性质的测定方法。二. 实验原理活性污泥是人工培养的生物絮凝体，它是由好氧和兼氧微生物及其吸附的有机物和无机物组成的。活性污泥具有吸附和分解废水中有机物的能力，显示出生物化学活性。在活性污泥法处理系统的运行和管理中，除用显微镜观察外，SV、MLSS、MLVSS、SVI等指标是经常要进行测定的。这些指标反映了污泥的活性，它们与剩余污泥排放量及处理效果等都有密切关系。三. 主要实验设备及药品1. 高温炉；2. 过滤装置；3. 分析天平；4. 100mL量筒、500mL烧杯、玻璃棒等若干个；5. 烘箱四. 实验步骤1污泥沉降比SV（%）：曝气池中的混合液在沉降柱内静置30分钟后所形成的

25、沉淀污泥容积占原混合液容积的百分比，称污泥沉降比。根据污泥沉降比可用于控制剩余污泥的排放，还可及早发现污泥膨胀等异常现象。对于城市污水，SV常在1530左右。实验时取100mL混合液置于100mL量筒中，静置30min后，观察沉降的污泥占整个混合液的比例，记下结果（表6-1）。2污泥浓度（MLSS）：又称混合液悬浮固体浓度，即在单位容积混合液中所有活性污泥固体物质的总质量（干重）g/L或mg/L。测定方法：1）将滤纸放在105oC烘箱内干燥至恒重，称量并记录（W1）（表6-1）。2）将测定沉降比的100mL量筒内的污泥进行过滤（用水冲净量筒，并将冲洗水也倒入漏斗进行过滤），将载有污泥的滤纸放入

26、105oC烘箱内烘干恒重，称量并记录（W2）。3）计算：污泥浓度MLSS（g/L）=（W2W1）10。3污泥指数（SVI）：污泥指数全称为“污泥容积指数”，指曝气池混合液经30min静沉后，1g干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积。(mL/g)SVI值的表示单位为mL/g，但一般都只称数字，把单位简化。SVI值反应出活性污泥的凝聚沉淀性能，一般城市污水的SVI值介于50150之间。SVI值过低说明泥粒细小，无机物含量高，缺乏活性；SVI值过高，说明污泥沉降性能不好，可能已产生膨胀。不同废水水质SVI值不同，若废水中溶解性有机物含量高，正常的SVI值可能偏高；若废水中无机物含量高，正常的SVI值可能

27、偏低。4混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）：指混合液中活性污泥中有机性固体物质浓度，它包括微生物和有机物。干污泥经灼烧（600oC）后剩下的灰分称为污泥灰分。测定方法：1）先将已知恒重的瓷坩埚称量并记录（W3），再将测定过污泥干重的滤纸和干污泥一起放入瓷坩埚中，先在普通电炉上加热炭化，然后放入高温炉（600oC）中灼烧40min，取出放入干燥器内冷却，称量（W4）。2）计算：污泥灰分=（W4W3）/（W2W1）MLVSS=（g/L）在一般情况下，MLVSSMLSS的比值是相对稳定的，对处理生活污水的曝气池内的活性污泥来说，其比值常在0.75左右。五. 实验数据整理表6-1 活性污泥性能测定表项目123平均100mL混合液30min沉淀后污泥体积(mL)SV（%）W1（g）W2（g）W2W1（g）W3（g）W4（g）W4W3（g）MLSS（g/L）MLVSS（g/L）SVI（mL/g）六. 思考题1. 活性污泥去除有机物的过程大致分为哪两个阶段？每个阶段有何特征？2. 活性污泥沉降性能测定的意义是什么？3. 活性污泥微生物增长分为哪几个阶段？对指导活性污泥系统的运行有何意义？