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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:
