水处理试验技术项目设置.docx
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水处理试验技术项目设置
四、水处理实验技术项目设置
开设的实验项目包括基础型、提高性、研究创新性实验教学项目。
基础型实验教学项目占实验总数的50%左右，共8项。
其中验证性实验包括：
颗粒自由沉淀实验；验证性实验包括活性炭吸附试验、离子交换软化实验、曝气设备充氧能力测定、混凝实验、过滤实验、污泥比阻测定实验、污泥沉降比和污泥指数测定实验。
数据处理项目实验数据分析处理及实验设计。
提高性实验教学项目占实验总数的30%左右，共3项。
包括膜法水处理实验、食品废水中酵母的分离培养与核酸提取、有机废水处理好氧优势菌的分离、纯化及属的鉴定。
研究创新性实验教学项目占实验总数的20%左右，共2项，实验项目为污水厌氧处理实验、完全混合生化反应器处理校园生活污水，设计多种工艺路线处理生活污水。
详细见表4-1。
表4-1实验项目一览表
实验项目一览表
序号
实验（实训）项目名称
项目类型
计划课时
备注
1
活性炭吸附实验
验证性
2
必做
2
离子交换软化实验
验证性
2
必做
3
曝气设备充氧能力测定实验
验证性
2
必做
4
混凝实验
验证性
2
必做
5
颗粒自由沉淀实验
验证性
2
必做
6
过滤实验
验证性
2
必做
7
污泥比阻测定实验
验证性
2
必做
8
污泥沉降比和污泥指数（SVI）的测定实验
验证性
2
必做
9
膜法水处理实验
设计性
2
必做
10
食品废水中酵母的分离培养与核酸提取
设计性
2
选做
11
有机废水处理好氧优势菌的分离、纯化及属的鉴定
设计性
4
必做
12
污水厌氧处理实验
研究创新性
2
选做
13
完全混合生化反应器处理校园生活污水
研究创新性
4
必做
合 计
实验一活性炭吸附实验
活性炭吸附是目前国内外应用较多的一种水处理工艺，由于活性炭种类多、可去除物质复杂，因此掌握“间歇”法与“连续淤法确定活性炭吸附工艺设计参数的方法，对水处理工程技术人员至关重要。
目的
1．通过实验进一步了解活性炭的吸附工艺及性能，并熟悉整个实验过程的操作。
2．掌握用“间歇”法、“连续流”法确定活性炭处理污水的设计参数的方法。
原理
活性炭吸附是目前国内外应用较多的一种水处理手段。
由于活性炭对水中大部分污染物都有较好的吸附作用，因此活性炭吸附应用于水处理时往往具有出水水质稳定，适用于多种污水的优点。
活性炭吸附常用来处理某些工业污水，在有些特殊情况下也用于给水处理。
比如当给水水源中含有某些不易去除而且含量较少的污染物时；当某些偏远小居住区尚无自来水厂需临时安装一小型自来水生产装置时，往往使用活性炭吸附装置。
但由于活性炭的造价较高，再生过程较复杂，所以活性炭吸附的应用尚具有一定的局限性。
活性炭吸附就是利用活性炭的固体表面对水中一种或多种物质的吸附作用，以达到净化水质的目的。
活性炭的吸附作用产生于两个方面，一是由于活性炭内部分子在各个方向都受着同等大小的力而在表面的分子则受到不平衡的力，这就使其它分子吸附于其表面上，此为物理吸附；另一个是由于活性炭与被吸附物质之间的化学作用，此为化学吸附。
活性炭的吸附是上述二种吸附综合作用的结果。
当活性炭在溶液中的吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内活性炭吸附的数量等于解吸的数量时，此时被吸附物质在溶液中的浓度和在活性炭表面的浓度均不再变化，而达到了平衡，此时的动平衡称为活性炭吸附平衡，而此时被吸附物质在溶液中的浓度称为平衡浓度。
活性炭的吸附能力以吸附量q表示。
（3-105）
式中q——活性炭吸附量，即单位重量的吸附剂所吸附的物质重，g/g；
V——污水体积，L；
C0、C——分别为吸附前原水及吸附平衡时污水中的物质浓度，g/L；
X——被吸附物质重量，g；
M——活性炭投加量，g；
在温度一定的条件下；活性炭的吸附量随被吸附物质平衡浓度的提高而提高，两者之间的变化曲线称为吸附等温线，通常用费兰德利希经验式加以表达。
（3-106）
式中q——活供发吸附量，g/g；
C——被吸附物质平衡浓度g/L；
K、h一一是与溶液的温度，pH值以及吸附剂和被吸附物质的性质有关的常数。
K、h值求法如下：
通过间歇式活性炭吸附实验测得q、C一一相应之值，将式（3-106）取对数后变为下式：
（3-107）
将q、C相宜值点绘在双对数坐标纸上，所的直线的斜率为
截距则为k。
如图（3-69）所示。
由于间歇式静态吸附法处理能力低、设备多，故在工程中多采用连续流活性炭吸附法，即活性炭动态吸附法。
采用连续流方式的活性炭层吸附性能可用勃哈特（Bohart）和亚当斯（Adams）所提出的关系式来表达。
（3-108）
（3-109）
式中t——工作时间，h；
V——流速，m/h；
D——活性炭层厚度，m；
K——速度常数，L/mg·h；
N0——吸附容量、即达到饱和时被吸附物质的吸附量，mg//L；
C0——进水中被吸附物质浓度，mg/L；
CB——允许出水溶质浓度，mg/L。
当工作时间t=0时，能使出水浓度小于CB的炭层理论深度称为活性炭层的临界深度，其值由上式t=0推出
（3-110）
炭柱的吸附容量（N）和速度常数（K），可通过连续流活性炭吸附实验并利用式（3-109）t～D线形关系回归或作图法求出。
设备及用具
1．间歇式活性炭吸附实验装置如图3-67所示；
2．连续流活性炭吸附实验装置如图3-68所示；
3．间歇与连续流实验所需设备及用具：
（1）康氏振荡器一台。
（2）500mL三角烧杯6个；
（3）烘箱；
（4）COD、SS等测定分析装置，玻璃器皿、滤纸等。
（5）有机玻璃炭柱d＝20～30mm，H＝1.0m；
（6）活性炭；
（7）配水及投配系统。
步骤及记录
1．间歇式活性炭吸附实验
（1）将某污水用滤布过滤，去除水中悬浮物，或自配污水，测定该污水的COD、pH、SS等值。
（2）将活性炭放在蒸馏水中浸24小时，然后放在105℃烘箱内烘至恒重，再将烘干后的活性炭压碎，使其成为能通过200目以下筛孔的粉状炭。
因为粒状活性炭要达到吸附平衡耗时太长，往往需数日或数周，为了使实验能在短时间内结束，所以多用粉状炭。
（3）在六个500mL的三角烧瓶中分别投加0、100、200、300、4D0、500mg粉状活性炭。
（4）在每个三角烧瓶中投加同体积的过滤后的污水，使每个烧瓶中的COD浓度与
活性炭浓度的比值在0.05～5.0之间（没有投加活性炭的烧瓶除外）。
（5）测定水温，将三角烧瓶放在振荡器上振荡，当达到吸附平衡（时间延至滤出液的有机物浓度COD值不再改变）时即可停止振荡。
（振荡时间一般为30min以上）。
（6）过滤各三角烧瓶中的污水，测定其剩余COD值，求出吸附量x。
实验记录如表3-66示。
表3-66活性发间歇吸附实验记录
序号
原污水
出水
污水体积（mL）或（L）
活性炭投加量（mg）或（g）
COD去除率（%）
备注
COD（mg/L）
PH值
水温℃
SS（mg/L）
COD（mg/L）
pH
SS（mg/L）
2．连续流活性炭吸附实验
（1）将某污水过滤或配制一种污水，测定该污水的COD、pH、SS、水温等各项指标并记人表3-67。
（2）在内径为20～30mm，高为1000mm的有机玻璃管或玻璃管中装人500～750mm高的经水洗烘干后的活性炭。
表3-67连续流炭柱吸附实验记录
原水COD浓度（mg/L）允许出水浓度CB（mg/L））=
水温T（℃）=pH=SS=（mg/L）
进流率q（m3/m2·h）=滤速V（m/h）=
炭柱厚D1=D2=D3=
工作时间
出水水质
t（h）
柱1
柱2
柱3
（3）以每分钟40mL～200mL的流量（具体可参考水质条件而定），按升流或降流的方式运行（运行时炭层中不应有空气气泡）。
本实验装置为降流式。
实验至少要用三种以上的不同流速V进行。
（4）在每一流速运行稳定后，每隔10～30min由各炭柱取样，测定出水COD值，至出水中COD浓度达到进水中COD浓度的0.9～0.95为止。
并将结果记于表3-67中。
成果整理
1．间歇式活性炭吸附实验
（1）按表3-66记录的原始数据进行计算。
（2）按（3-105）式计算吸附量q。
（3）利用q～c相应数据和式（3-106），经回归分析求出K、n值或利用作图法，将C和相应的q值在双对数坐标纸上绘制出吸附等温线，直线斜率为
、截距为K.。
值越小活性炭吸附性能越好，一般认为当
=0.1～0.5时，水中欲去除杂质易被吸附；
>2时难于吸附。
当
较小时多采用间歇式活性炭吸附操作；当
较大时，最好采用连续式活性炭吸附操作。
2．连续流活性炭吸附实验
（1）求各流速下K、N0值
1）将实验数据记入表3-67，并根据t～C关系确定当出水溶质浓度等于CB时各柱的工作时间t1、t2、t3。
2）根据式（3-109）以时间ti为纵坐标，以炭层厚Dt为横坐标，点绘t、D值，直线截距为
斜率为N0/C0·V。
如图3-70示。
3）将已知C0、CB、V等值代人，求出流速常数K和吸附常量N0值。
4）根据式（3-110）求出每一流速下炭层临界深度值D0值。
5）按表（3-68）给出各滤速下炭吸附设计参数K、D0、N0值，或绘制成如图3-71所示的图，以供活性炭吸附设备设计时参考。
表3-68活性炭吸附实验结果
流速V（m/h）
N0（mg/L）
K（L/mg·h）
D0（m）
思考题
1．吸附等温线有什么现实意义，作吸附等温线时为什么要用粉状炭？
2．连续流的升流式和降流式运动方式各有什么缺点？
实验二离子交换软化实验
离子交换软化法在水处理工程中有广泛的应用。
强酸性阳离子交换树脂的使用也很普遍。
作为水处理工程技术人员应当掌握这种树脂交换容量（即全交换容量）的测定方法并了解软化水装置的操作运行。
一、强酸性阳离子交换树脂交换容量的测定
目的
1．加深对强酸性阳离子交换树脂交换容量的理解。
2．掌握测定强酸性阳离子交换树脂交换容量的方法。
原理
交换容量是交换树脂最重要的性能，它定量地表示树脂交换能力的大小。
树脂交换容量在理论上可以从树脂单元结构式粗略地计算出来。
以强酸性苯乙烯系阳离于交换树脂为例，其单元结构式为：
单元结构式中共有8个碳原子、8个氢原子、3个氧原子、一个硫原子，其分子量等于8×12.011＋8×1.008＋3×15．9994＋1×32.06＝184.2，只有强酸基因SO3H对中的H遇水电离形成H+离子可以交换，即每184.2g干树脂中只有1克当量可交换离子。
所以，每克干树脂具有可交换离子1/184.2＝0.00543e＝5.43me。
扣去交联剂所占份量（按8％重量计），则强酸干树脂交换容量应为5.43×92/100=4.99me/g。
此值与实际测定值差别不大。
0.01×7强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂交换容量规定为≥4.2me/g（干树脂）。
强酸性阳离子交换树脂交换容量测定前需经过预处理，即经过酸碱轮流浸泡，以去除树脂表面的可溶性杂质。
测定阳离子交换树脂容量常采用碱滴定法，用酚酞作指示剂，按下式计算交换容量：
（干氢树脂）（3－93）
式中N——NaOH标准溶液的当量浓度；
V—一NaOH标准溶液的用量，mL；
W——样品湿树脂重，g。
[设备及用具]
1．天平万分之一克精度1架
2．烘箱1台
3．干燥器1个
4．三角烧瓶250mL2个
5．秒液管10mL2支
步骤及记录
1．强酸性阳离子交换树脂的预处理
取样品约10g以2N硫酸（或1N盐酸）及1NNaOH轮流浸泡，即按酸一碱一酸一碱一酸顺序浸泡5次，每次两小时，浸泡液体积约为树脂体积的2～3倍。
在酸碱互换时应用200mL无离子水进行洗涤。
5次浸泡结束用无离子水洗涤至溶液呈中性。
2．测强酸性阳离于交换树脂团体含量％
称取双份1.0000g的样品，将其中一份放入105～110℃烘箱中约2小时，烘干至恒重后放入氯化钙干燥器中冷却至室温，称重，记录干燥后的树脂重。
固体含量=干燥后的树脂重×100/样品重
3．强酸性阳离子交换树脂交换容量的测定
将一份1.0000g的样品置于250mL三角烧瓶中，投加0.5NNaCl溶液100mL摇动5分钟，放置两小时后加人l％酚酞指示剂3滴，用标准0.10000NNaOH溶液进行滴定，至呈微红色15秒钟不退，即为终点。
记录NaOH标准溶液的当量浓度及用量。
表3－50强酸性阳离子交换树脂交换容量测定记录
湿树脂样品重W（g）
干燥后的树脂重W1（g）
树脂固体含量（%）
NaOH标准溶液的当量浓度
NaOH标准溶液的用量V（mL）
交换容量me/g干氢树脂
成果整理
1．根据实验测定数据计算树脂固体含量。
2．根据实验测定数据计算树脂交换容量。
思考题
1．测定强酸性阳离子交换树脂的交换容量为何用强碱液NaOH滴定？
2．写出本实验有关化学反应式。
二、软化实验
目的
1．熟悉顺流再生固定床运行操作过程。
2．加深对钠离子交换基本理论的理解。
原理
当含有钙盐及镁盐的水通过装有阳离子交换树脂的交换器时，水中的Ca2+及Mg2+离子便与树脂中的可交换离子（Na+或H+）交换．使水中Ca2+、Mg2+含量降低或基本全部去除，这个过程叫做水的软化。
树脂失效后要进行再生，即把树脂上吸附的钙、镁离子置换出来，代之以新的可交换离子。
钠离子交换用食盐（NaCl）再生、氢离子交换用盐酸（HCI）或硫酸（H2SO4）再生。
基本反应式如下：
1．钠离子交换：
软化：
再生：
（3-96）
（3-97）
2．氢离子交换：
交换
再生；
钠离子交换的最大优点是不出酸性水，但不能脱碱。
本实验采用钠离子交换。
设备及用具
1．软化装置二套，如图3-58，
2．100mL量简1个、秒表1块（控制再生液流量用）；
3．200000钢卷尺1个；
4．测硬度所需用品及测定方法详见水质分析书籍；
5．食盐数百克。
步骤及记录
1．熟悉实验装置，搞清楚每条管路、每个阀门的作用；
2．测原水硬度，测量交换柱内径及树脂层高度；
3．将交换柱内树脂反洗数分钟，反洗流速采用15m八，以去除树脂层的气泡。
4．软化。
运行流速采用15m巾，每隔10min测一次水硬度，测两次并进行比较。
5．改变运行流速。
流速分别取20、25、30m/h，每个流速下运行5min，测出水硬度。
6．反洗。
冲洗水用自来水．反洗流速采用15m/h，反洗时间15min。
反洗结束将水放到水面高于树脂表面10cm左右。
7．根据软化装置树脂工作交换容量（e/L），树脂体积（L），顺流再生钠离子交换NaCl耗量（100～120g/e）以及食盐NaCl含量（海盐NaCI含量≥80～93％），计算再生一次所需食盐量。
配制浓度10％的食盐再生液。
8．再生。
再生流速采用3～5m/h。
调节定量投再生液瓶出水阀门开启度大小以控制再生流速。
再生液用毕时，将树脂在盐液中浸泡数分钟。
9．清洗。
清洗流速采用15m/h，每5min测一次出水硬度，有条件还可测氯根，直至出水水质符号要求时为止。
清洗时间约需50min。
10．清洗完毕结束实验，交换柱内树脂应浸泡在水中。
表3-51原水硬度及实验有关数据
原水硬度（以CaCO3计）（mg/L）
交换柱内径（cm）
树脂层高度（cm）
树脂名称及型号
表3-52交换实验记录
运行流速（m/h）
运行流量（L/h）
运行时间（min）
出水硬度（以CaCO3计（mg/L））
15
15
20
25
30
10
10
5
5
5
表3-53反洗记录
反洗流速（m/h）
反洗流量（L/h）
反洗时间（min）
表3-54再生记录
再生一次所需食盐量（kg）
再生一次所需浓度10%的食盐再生液（L）
再生流速（m/h）
再生流量（mL/s）
表3-55清洗记录
清洗流速（m/h）
清洗流量（L?
h）
清洗历时（min）
出水硬度（以CaCO3计（mg/L））
15
15
15
15
5
10
50
注意事项
1．反冲洗时注意流量大小，不要将树脂冲走。
2．再生溶液没有经过过滤器，宜用精制食盐配制。
成果整理
1．绘制不同运行流速与出水硬度关系的变化曲线。
2．绘制不同清洗历时与出水硬度关系的变化曲线。
思考题
1．本实验钠离子交换运行出水硬度是否小于0.05me/L？
影响出水硬度的因素有哪些?
2．影响再生剂用量的因素有哪些？
再生液浓度过高或过低有何不利？
实验三曝气设备充氧能力测定实验
曝气是活性污泥系统的一个重要环节，它的作用是向池内充氧，保证微生物生化作用所需之氧，同时保持池内微生物、有机物、溶解氧，即泥、水、气三者的充分混合，为微生物降解创造有利条件。
因此了解掌握曝气设备充氧性能，不同污水充氧修正系数a、B值及其测定方法，不仅对工程设计人员、而且对污水处理厂（站）运行管理人员也至关重要。
此外，二级生物处理厂（站）中，曝气充氧电耗占全厂动力消耗的60—70％，因而高效省能型曝气设备的研制是当前污水生物处理技术领域面临的一个重要课题。
因此本实验是水处理实验中的一个重要项目，一般列为必开实验。
一、曝气设备清水充氧性能测定
目的
1．加深理解曝气充氧的机理及影响因素。
2．了解掌握曝气设备清水充氧性能测定的方法。
3．测定几种不同形式的曝气设备氧的总转移系数KLas，氧利用率η％，动力效率等，
并进行比较。
原理
曝气是人为地通过一些设备加速向水中传递氧的过程，常用的曝气设备分为机械曝气与鼓风曝气两大类，无论哪一种曝气设备，其充氧过程均属传质过程，氧传递机理为双膜理论，如图3-43示在氧传递过程中，阻力主要来自液膜，氧传递基本方程式为：
（3-58）
式中
——液体中溶解氧浓度变化速率mg/L·min；
CS－C——氧传质推动力，mg／L；
CS——液膜处饱和溶解氧浓度，mg/L；
C—一液相主体中溶解氧浓度，mg／L；
——氧总转移系数；
DL——液膜中氧分子扩散系数；
YL——液膜厚度
A——气液两相接触面积；
W——曝气液体体积。
由于液膜厚度YL和液体流态有关，而且实验中无法测定与计算，同样气液接触面积A的大小也无法测定与计算，故用氧总转移系数KLa代替。
将式（3-58）积分整理后得曝气设备氧总转移系数KLa计算式。
（3-59）
式中KLa——氧总转移系数。
1/min或1/h；
t0、t——曝气时间，min；
C0——曝气开始时池内溶解氧浓度，t0＝0时，C0＝0，mg／L；
CS——曝气池内液体饱和溶解氧值，mg／L；
Ct——曝气某一时刻t时，池内液体溶解氧浓度，mg／L。
由式中可见，影响氧传递速率KLa的因素很多，除了曝气设备本身结构尺寸，运行条件而外，还与水质水温等有关。
为了进行互相比较，以及向设计、使用部门提供产品性能，故产品给出的充氧性能均为清水，标准状态下，即清水（一般多为自来水）一个大气压20℃下的充氧性能。
常用指标有氧总转移系数Klas充氧能力Qc、动力效率E和氧利用率η％。
曝气设备充氧性能测定实验，一种是间歇非稳态法，即实验时一池水不进不出，池内溶解氧浓度随时间而变；另一种是连续稳态测定法，即实验时池内连续进出水，池内溶解氧浓度保持不变。
目前国内外多用间歇非稳态测定法，即向池内注满所需水后，将待曝气之水以无水亚硫酸钠为脱氧剂，氯化钻为催化剂，脱氧至零后开始曝气，液体中溶解氧浓度逐渐提高。
液体中溶解氧的浓度C是时间t的函数，曝气后每隔一定时间t取曝气水样，测定水中溶解氧浓度，从而利用上式计算KLa值，或是以亏氧量（CS－Ct）为纵坐标，在半对数坐标纸上绘图，直线科率即为KLa值。
设备及用具
1．自吸式射流曝气清水充氧设备。
见图3-44
1）曝气池：
以钢板制成0.8×1.0×4.3m。
2）射流暖气设备。
喷嘴d=14mm，喉管D＝32mm，喉管长L=2975mm。
3）水循环系统，吸水池、塑料泵。
4）计量装置：
转子流量计、压力表、真空表、热球式测风仪。
5）水中溶解氧测定设备，测定方法详见水质分析（碘量法），或用上海第二分析仪器厂的溶解氧测定仪。
6）无水亚硫酸钠、氯化钴、秒表。
2．穿孔管鼓风曝气清水充氧设备。
见图3-45。
1）有机玻璃柱：
φ150mm（三套）、φ200mm（一套）H＝3.2m。
2）穿孔管布气装置：
孔眼40φ0.5mm，与垂直线成45°夹角，两排交错排列。
3）空气压缩机、贮气罐。
3．平板叶轮表面曝气清水充氧实验设备。
见图3-46。
1）有机玻璃平板叶轮完全混合式暖气池，电动搅拌机调速器。
2）溶解氧测定仪、记录仪。
步骤及记录
1．自吸式射流曝气设备清水充氧实验步骤：
（1）关闭所有闸门，向曝气池内注人清水（自来水）至小2米，取水样测定水中溶解氧值，并计算池内溶解氧含量G＝DO×V。
（2）计算投药量：
（a）脱氧剂采用无水亚硫酸钠。
根据2Na2SO3+O2=2Na2SO4
则每次投药量g=G×8×（1.1～1.5）。
1.1～1.5值是为脱氧安全而取的系数。
（b）催化剂采用氯化钻，投加浓度为0.1mg／L，将称得的药剂用温水化开，由池顶倒人池内，约10min后，取水样、测其溶解氧。
（3）当池内水脱氧至零后，打开回水阀门和放气阀门，向吸水池灌水EK。
（4）关闭水泵出水阀门，启动水泵，然后，徐徐打开阀门，至池顶压力表读数为0.15MPa为止。
（5）开启水泵后，由观察孔观察射流器出口处，当有气泡出现时，开始计时，同时每隔1分钟（前3个间隔）和0.5分（后几个间隔）开始取样，连续取15个水样左右。
（6）计量水量、水压、风速（m／s）（进气管d＝32mm）。
（7）观察曝气时喉管内现象和池内现象。
（8）关闭进气管闸门后，记录真空表读数。
（9）关闭水泵出水阀门，停泵。
2．鼓风曝气清水充氧实验步骤：
（1）河柱内注人清水至3．lin处时，测定水中溶解氧值，计算池内溶氧量G=DO·V。
（2）计算投药量。
（3）将
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