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1、 污泥比阻的测定实验 仿真实验指导书 蔡 建 安 编著 安徽 工业大学 污泥过滤脱水 污泥比阻的测定实验 实验目的 ( 1)通过实验掌握污泥比阻的测定方法; ( 2)认识污泥比阻的物理意义,建立不同类型和来源污泥比阻的数量概念; ( 3)掌握污泥脱水前 调理预处理 的概念, 用布氏漏斗实验选择混凝剂,改变污泥 过滤性 能 (即 比阻值 ),从技术经济角度,确定污泥的最佳 混 凝剂投加量。 实验原理 基本概念和计算公式 污泥比阻是表示污泥过滤特性的综合性指标,它的物理意义是:单位质量的污泥在一定压力下过滤时在单位过滤面积上的阻力。求此值的作用是比较不 同的污泥 (或同一污泥加入不同量的混合剂后)
2、的过滤性能。污泥比阻愈大,过滤性能愈差。 过滤时滤液体积 V (m3)与推动力 P(过滤时的压强降 Pa (N/m2),过滤面积 A(m2),过滤时间 t(s)成正比,而与过滤阻力 R(m/m2),滤液 动力粘滞度, ( Ns/m2)成反比。 RPAtV (2-1) 过滤阻力 R(m/m2) 过滤阻力包括滤渣阻力 Rc 和过滤隔层阻力 Rm 两个组成部分 , R=Rc+Rm (2-2) 通常 过滤隔层阻力 Rm 要远小于 滤渣阻力 Rc; 而阻力滤渣 Rc 随滤渣层的厚度增加而增大,过滤速度则减少。由于滤渣层的厚度难以测量,所以用滤液的滤渣浓度求得 CV/A,因此: Rc = rCV/A (2
3、-3) 这里 r 是 污泥过滤比阻抗 m/kg; 由于在 过滤过程 中, 滤液体积和过滤阻力都是变化的, 以 微分形式 表达 成: )(2ARrC VPAdtdV m (2-4) 式中: dV/dt=过滤速度, m3/s; V=滤出液体积, m3; t=过滤时间, s; P=过滤压力, N/m2;A=过滤面积, m2; C=单位面积滤出液所得滤饼干重, kg/m3; r=污泥 过滤比阻抗, m/kg;Rm=过滤开始时单位过滤面积上过滤介质的阻力, m/m2; =滤出液的动力粘滞度,Ns/m2。当过滤压力 P 为 的 常数时, 略去 过滤隔层阻力 Rm 的影响 则可积分得: 22PArCVVt
4、(2- ) 在定压下,在积分界线,时间由 0 到 t,及 0 到 V 积分, t/V 与 V 成直线关系,其斜 率为: 22PArCb (2- ) 解出 CbKCPAbr 22.(2- ) 22PAK(2- ) 因此,为求得污泥比阻,需要在实验条件下求出 b及 C。 根据定义 b 是 t/V 与 V 的 斜率 ,可在定压下 (真空度保持不变 )通过测定一系列的 t V数据,对 t/V与 V 用线性回归法求得。 C 是单位体积 滤液 取得的 滤饼干重 , 根据定义 求 C值的方法,必须量测滤饼的厚度方可求得 ;但在实验过程中量测滤饼厚度是很困难的,且不易量准,故改用测滤饼含水比 或 滤饼固体浓度
5、 的方法求 C值: u duQCQQC )( 0 滤饼干重 (g/mL)滤液 (2- ) 式中: Q0:污泥量, ml; Qu:滤液量, ml; Cd:滤饼固体浓度, g/mL 基于 液体平衡有: Q0=Qu+Qd 基于 固体平衡有: Q0C0=QuCu+QdCd dudu CC CCQQ )( 00 (2-10) 代入 (2- )式,简化后得: g/ml00CCCCCdd (2-11) 式中: C0:污泥固体浓度, g/mL Cu:滤液固体浓度, g/mL Qd:滤饼量, ml。 如果使用 滤饼含水率 测定, C CC GC t 100100 10滤饼干量 (g/ml)滤液 (2-12) 式
6、中: C0: 100g 污泥中的干污泥量; C: 100g 滤饼中的干污泥量。 例如污泥含水比 97.7%, 滤饼含水率为 80% g / m l0260.048.38 120 201003.2 3.21001 C 不同 污泥比阻 和 调理 预处理 常见不同类型 污泥 的 比阻 如表 2-1 所示。 表 2-1 常见不同类型 污泥 的 比阻 污泥种类 比阻值( 1012m/kg) 初沉污泥 46 61 活性污泥 165283 消化污泥 124139 污泥机械脱水的要求 14 显然,一般污泥的比阻值都要远高于机械脱水所要求的比阻值。因此,机械脱水前需要采取必要的调理预处理措施降低污泥比阻。 投加
7、混凝剂可以改善污泥的脱水性能,使污泥的比阻减小。对于无机混凝剂如 FeCl3, Al2(SO4)3等投加量,一般为污泥干重的 5 10%; 高分子混凝剂如聚丙烯酰胺 +碱式氯化铝等,投加量一般为干污泥重的 1%。虽然通常增加 混凝剂 的投入量会 使污泥的比阻减小 , 改善污泥的脱水性能 ,但需要顾及 污泥 处理的运行成本,通过投入量的系列优化实验,寻找工艺操作中最适宜的 混凝剂 配方和用量也是 污泥比阻 测定实验的重要任务。 实验装置 、 试剂与 方法 进行 污泥比阻 测定实验需要 污泥比阻测试仪器以及相应的污泥浓度测试仪器等 ,包括 (1)基本 实验装置 ( 如 图 2-1); (2)秒表
8、, 滤纸; (3)烘箱 ; (4) 混凝剂 如 FeCl3、 A12(SO4)3; (5)布氏漏斗。 对于优化 混凝剂 配方和投入量的系列实验, 使用 单一 布氏漏斗的实验装置显然效率太低,因此可采用一套真空泵、吸滤瓶配多个布氏漏斗的组合式污泥比阻测定装置 进行实验 如 图 2-2 所示。 图 2-1 污泥 比阻 测定 实验装置图 1 真空泵; 2 吸滤瓶; 3 真空调节阀; 4 真空表; 5 布式漏斗; 6 吸滤垫; 7 计量管 图 2-2 污泥 比阻 测定 的 4 漏斗 装置 组合 图 污泥 比阻测定 实验的 方法 如下: 1.测定污泥的含水率,求出其固体浓度 C0; 2.配制 FeCl3
9、(2g/l)和 Al2(SO4)3(2g/l)混凝剂; 3.加入 FeCl3 混凝剂调节污泥 (每组加一种混凝剂量 ),加量分别为干污泥重的 0%(不加混凝剂 )2%, 4%, 6%, 8%, 10%。 4.在布氏漏斗上 (直径 65 80mm)放置滤纸,用水润湿,贴紧周底。 5.开动真空泵,调节真空压力,大约比实验压力小 1/3(实验时真空压力采用 266mmHg或 532mmHg)关掉真空泵。 6.加入 100ml需实验的污泥于布氏漏斗中,开动真空泵,调节真空压力至实验压力;达到此压力后,开始起动秒表,并记下开始时计量管内的滤液 V0。 7.间隔一定时间 (开始过滤时可每 隔 10或 15
10、秒,滤速减慢后可隔 30或 60秒 )记下计量管内相应的滤液量。 8.一直过滤至真空破坏,如真空长时间不破坏,则过滤 20分钟后即可停止。 9.关闭阀门取下滤饼放入称量瓶内烘干称重。 10.称重后的滤饼于 105的烘柜内烘干称重。 11.计算出滤饼的含水比,求出单位体积滤液的固体量 C; 12.另取加 Al2(SO4)3混凝剂的污泥 (每组的加量与 FeCl3相同 )及不加混凝剂的污泥,按实验步骤211分别进行实验。 如 图 2-1 虚拟仪器测量界面与使用方法 一套配 备了 4 个布氏漏斗的 “ 组合式污泥比阻测定 ” 虚拟仪器 装置 工作界面 如 图 2-3 所示,界面中各个控件的功能和具体
11、用法说明如下: 图 2-3 组合式污泥比阻测定 ( 配 备 4 套 布氏漏斗 ) 虚拟仪器 工作界面 1. 真空泵 的 真空压力 控制 调节 旋钮,顺时针旋转使 真空压力 加大; 2. 真空压力 表,单位为 10kPa, 调节真空泵 控制旋钮 可观察 压力 表读数的变化; 3. 实验温度设定,由于不再另外测量 滤液的动力黏度,使用同温度下水的黏度进行计算; 4. 吸滤瓶 一端连接真空泵,一端连接计量筒,起稳定压力和隔离液体的作用; 5. 滤液 计量筒,接纳和对 滤出液进行 计量; 6. 4 个 真空 阀 分别连接一套 布氏漏斗 与计量筒装置,任意关闭 其中一组,会自动拆除本套 布氏漏斗 装置,
12、而不影响其他 布氏漏斗 装置的测量; 7. 布氏漏斗 及其密封塞;点击后显示 布氏漏斗 内部 液 面 ,并 弹出 “过滤 设置 ” 窗口 ; 8. 布氏漏斗内部结构和设定过滤参数:包括污泥来源、混凝剂选择和投量、污泥体积,污泥含水率和布氏漏斗直径; 12345678910111716151413129. 与“过滤设置”弹出窗口同时出现一个“显示过滤参数”按钮,按下按钮弹出“过滤参数”窗口; 10. “过滤参数”窗口包括布氏漏斗中滤纸的“过滤面积 cm2”,根据污泥含水率换算获得的“污泥浓度( g/L)”,“滤饼含水率 %”和“滤饼的固体浓度 Cd( g/L)”,以及 “单位体 积滤液取得的滤饼
13、干重 C( g/ml)”和当前温度下的“滤液黏度”; 11. 连接吸滤瓶的真空阀总阀,总阀开关用来隔断 4 套装置的吸滤压力,以便实行同步计时; 12. “计时秒表”,大表为秒表,内部数字为分钟; 13. 三个控制按钮,分别用于开始和停止“计时”,“暂停”和“复位”操作; 14. 为了提高虚拟仪器的工作效率,仿真操作时使用“加速”调节旋钮加快时间进程; 15. 每点击一次“纪录”按钮便在“纪录表”中留下一组数据纪录; 16. “数据纪录表”,记载点击“纪录”按钮的时间和每套计量筒中滤出液的实时数据; 17. 操作结束后按下“ stop”键返回。 五、整理 实验结果 1.测定并记录实验基本参数:
14、 2.将布氏漏斗实验所得数据按表 1 记录并计算。 3.以 t/V 为纵坐标, V 为横坐标作图,求 b。 4.根据原污泥的含水率及滤饼的含水率求出 C。 5.列表计算比阻值 (表 2 比阻值计算表 ) 6.以比阻为纵坐标混凝剂投加量为横坐标作图求出最佳投加量。 实验报告记载及数据处理 (1)测定并记录实验基本参数 实验日期 原污泥的含水率及固体浓度 C0 实验真空度 /mmHg 不加混凝剂的滤饼的含水率 加混凝剂滤饼的含水率 (2) 将布氏漏斗实验所得数据按表 2-1 记录并计算。 表 2-1 布氏测斗实验所得数据 滤液量 V=V-V0/mL /(s/mL) 备注 (3) 以 t V 为纵坐
15、标, V 为横坐标作图,求 b。 (4) 根据原污泥的含水率及滤饼的含水率求出 C。 (5) 列表计算比阻值 (表 6-2 比阻值计算表 )。 (6) 以比阻为纵坐标,混凝剂投加量为横坐标,作图求出最佳投加量。 表 2-2 比阻值计算表 污泥含水比/% 污 泥 固 体 浓 度/(g/cm3) 混凝剂用量/% Lg2 = =b /(s/cm6) 皿滤纸量 /g 皿滤纸滤饼湿重 /g 皿滤纸滤饼干重 /g 滤饼含水比 /% 单位面积滤液的固体量 C /(g/cm3) 比阻值 /(s2/g) 布 氏 漏 斗 d /cm 过 滤 面 积 F /cm2 面 积 平 方 F2 /cm4 滤液黏度 /g/(cm.s) 真空压力 p /(g/cm2) K 值 /(s.cm3) 注意事项 (1) 检查计量管与布氏漏斗之间是否漏气。 (2) 滤纸称量烘干,放到布氏漏斗内,要先用蒸馏水湿润,而后再用真空泵抽吸一下,滤纸要贴紧不能漏气。 (3) 污泥倒入布氏漏斗内时,有部