环境工程实验讲义全课件.docx
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环境工程实验讲义全课件
环境工程学实验指导
前言
通过实验教学培养学生严肃认真的科学态度和工作作风。
训练沉重的操作技能和测试技能。
提高观察分析问题的能力和独立工作，革新创造的能力。
为将来独立进行科学研究及解决实际问题打好基础。
因此实验学对提高教学质量，培养全面发展人才起着重要的作用。
为了达到上述目的，要求同学做到以下几点：
1、实验前要充分的准备，必须对所做实验根据实验讲义及有关资料进行认真的预习，明确实验的目的、原理、实验步骤、所需设备、药品及安全规程等。
2、对于中型实验设备及仪表，未经实验指导教师的同意，不得擅自起动关机，经指导教师同意后，操作中必须按照操作规程，认真严肃的进行。
3、要有严肃认真，实事求是的科学态度，在进行实验时要周密地观察和如实地记录各种变化的现象及数据，数据只可整理，不可随意修改。
（整理时可以拼弃不正确的数据）假如实验中发生问题，数据不附，则应找出原因设法解决，绝不允许臆造数据，弄虚作假，这种由发现问题到解决问题的过程是培养我们独立工作能力的重要环节。
4、认真做好实验报告，除了按讲义进行实验外还应主动地发掘问题，思考问题，认真地对实验中发生的各种现象及新的数据加以分析讨论，并尺可能地提出自己的见解。
5、要认真执行实验室的规章制度，注意安全操作，爱护国家财务。
仪器设备若有损伤，应立即报告指导教师，酌情处理，对水、电、药品要注意节约。
6、实验完毕，应将所有仪器及设备清洗干净后，方可离开实验室。
实验一吸附法净化工业含酸雾气体……………………………………4
实验二碱液吸收气体中的二氧化硫……………………………………11
实验三旋风除尘器性能测定……………………………………………16
实验四颗粒的静置自由沉降……………………………………………19
实验五气浮工艺…………………………………………………………22
实验六化学混凝
（1）………………………………………………………26
实验七化学混凝
（2）………………………………………………………29
实验八活性炭吸附…………………………………………………………31
实验九清水曝气充氧………………………………………………………33
实验十离子交换法
（1）……………………………………………………36
实验十一离子交换法
（2）…………………………………………………38
实验十二活性污泥性能测定……………………………………………40
实验十三间歇活性污泥法sbr…………………………………………….43
实验十四连续流活性污泥法………………………………………………46
实验十五 还原法处理酸性含铜废水实验……………………………48
实验十六 废水的可生化性实验………………………………………50
演示实验
实验一：
吸附法净化工业含酸雾气体
一、实验目的
1、验证课堂上理论教学中讲授的吸附原理、现象及特点，通过实验现象的直观感受，巩固和加深对理论的理解和认识；
2、了解工业治理酸气装置—吸附器的结构和安装及学习工艺实验的操作技能；
3、掌握酸气浓度的测定方法和吸附效率的计算；
4、通过实验工艺流程的直观性培养学生独立思考问题和解决实际问题的能力。
二、实验内容与方案
1、实验准备工作
（1）绘制标准曲线
1）.硝酸钠标准溶液的配置：
a.准确称取干燥的粒状亚硝酸钠（优级）0.1500g（称重至0.1mg）溶于去离子水，并移入1000ml容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀。
此溶液1ml含100μgNO2-即[100μgNO2-/ml]；b.使用时用去离子水准确稀释成[5μgNO2-/ml]，即准确取5.00ml浓度为100μgNO2-/ml的标准液移入100ml容量瓶中加去离子水至标线，则其浓度为[5μgNO2-/ml]。
2）.标准曲线：
在6只10ml试管中分别准确加入0、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80ml亚硝酸钠标准溶液（浓度为5μgNO2-/ml），每管中加入采样吸收液5ml，用水稀释至刻度（10mL），摇匀，放置15分钟，于540nm处，用1cm比色皿，吸收液为参比，灵敏度为1档的721分光光度计上测定吸光度。
根据测定结果，做出样品中NO2-含量a（μg）与吸光度值A的标准方程，
，
：
测试后吸收液内NO2-含量（所取气体中）的微克数，A：
样品吸收液的吸光度值；A0：
空白吸收液吸光度值；K：
斜率。
（2）充分理解和掌握吸附工艺实验流程图、各部分的功能、相互联接及安装方法。
比色管号
加试剂
0
1
2
3
4
5
标准溶液/（ml）
0
0.10
0.20
0.40
0.60
0.80
吸收液/（ml）
5
5
5
5
5
5
NO2-含量/（μg）
0
0.5
1.0
2.0
3.0
4.0
吸光度值
（3）在每个吸收管内装5ml吸收液并编好号码。
（4）在吸附器酸气进出采样口连接上装有氧化管及吸收管的大气采样器。
注意有缓冲球一侧的吸收管和大气采样器的吸气口连结。
2、实验操作
（1）在酸雾发生器内装200ml左右50%的HNO3溶液并放入适量铜片，然后放在吸风罩下。
（2）启动风机，调节风速为5m/s。
（3）在进出口同时采样。
采样时间为10min，取下吸收管，将吸收管中样品吹入10ml试管，用少量蒸馏水冲洗，将溶液并入试管，用蒸馏水稀释至刻度。
（4）改变风速，再取一次样品，步骤同上。
风速要求：
6m/s和7m/s。
3、分析（方法：
盐酸萘乙二胺比色法）
（1）将测试的吸收管内的吸收液用吸耳球移入比色管。
（2）用721分光光度计比色，准确记录样品的光密度值y。
（3）按标准曲线方程计算出NO2-含量a[μg]。
（4）通过换算公式计算出进出口NOX浓度C[mg/m3]
注：
C：
进出口NOX浓度[mg/m3]；
0.76：
NO2（气）转换成NO2-（液）的系数；
Vnd：
大气采样器从吸附器进出气两端采样口所抽取的气体在标下干气气体体积，l；
Vt：
大气采样器从吸附器两端采样口所取气体，l；
Vt=大气采样器流量×采样时间。
三、实验设备与材料（或样品）
1、实验流程
实验工艺流程图见图1。
图1酸雾净化工艺流程图
1.酸雾发生器2.吸风罩3.吸附剂口4.观察窗5.吸附剂层6.吸附剂框
7.吸附剂装料口8.吸附塔9.进气测口10.出气测口11.风量细调阀
12.风量粗调阀13.风机14.消声器
2、仪器设备
（1）酸雾发生器；
（2）大气采样器；
（3）721分光光度计；
（4）光电天平；
（5）.容量瓶、移液管、10ml试管、比色管、吸收管等玻璃仪器；
（6）吸耳球。
3、试剂
（1）蒸馏水；
（2）亚硝酸钠（优级）；
（3）50%的HNO3溶液；
（4）铜片。
四、实验基本要求
1、请同学们根据实验装置的具体尺寸按一定比例缩小画出实验流程图。
要求：
注明各处设备名称，吸附器要认真画出正视图，不能画示意图。
2、严格按照实验内容和步骤进行实验，如实记录实验数据，认真计算实验结果，根据实验结果进行讨论，并完成实验报告。
3、此次实验过程中存在哪些操作问题，希望对哪些实验方法或流程进行改进，请提出建议和改进意见。
五、实验报告要求
1、如实记录实验数据，字迹清晰工整，认真计算实验结果，根据实验结果进行讨论。
2、实验数据表格参考格式
设备吸附层面积0.24m2测试日期
设备吸附塔风速大气压mmHg
设备吸附塔流量[m3/h]温度℃
设备管道截面积m2（管道D=0.1m）
风速[m/s]流量[m3/h]
测试数据
时间
t
（min）
采样流量
Q（l/min）
采集气体体积Vt（l）
Vt=Q·t
标况下体积Vnd[l]
样品吸光度值
A
NO2-含量
[μg]
浓度C[mg/m3]
吸收效率η（%）
1
进口
出口
2
进口
出口
3
进口
出口
六、相关基础知识
随着科学技术与工业生产的发展，各种酸的用量日益增加，如电子、轻工、化工、冶金、电镀、机械等行业，常常需要用酸进行清洗和处理金属表面。
在这些用酸的场所，必然排放出大量的酸气，严重污染大气环境，不仅危害健康，损害文物古迹，而且腐蚀厂房设备及精密仪器，给生产造成很大的损失。
因此，人们迫切需要采取措施净化含酸雾气体，以清除污染。
目前净化酸气的方法主要有：
碱液吸收法、活性碳吸附法、催化法等。
本实验是以SDG为吸附剂，用吸附法净化酸气，此法在工业上很有实用价值。
1、吸附机理
当固体吸附剂处于气体介质中时，气相的某些组分，在吸附剂表面能的用下，被吸附剂所吸附。
由于吸附力的强弱随吸附剂与气体物质的性质不同而有很大的差异，故而，可用吸附法将不同组分的混合气体分离。
根据吸附的性质，可分为物理吸附、化学吸附、物理化学吸附等三种类型。
本实验即是依据物理化学原理，实现对酸性气体的吸附净化。
它既含有物理吸附的性质，又具有化学吸附的特征。
其吸附机理可表示如下：
1、NO→NO
2、NO2→NO2
3、O2→O2
4、H2O→H2O
5、NO
+
O2
→NO2
6、3NO2
+H2O
→2HNO3
+NO
7、2mNO2
+MR→M（NO3）m+MNO
8、m（HNO3˙）+MR→M（NO3）m
式中：
---表示吸附态；
M---吸附剂的阳离子；
R---吸附剂基体；
m---M阳离子的价数。
在上述过程中，1、2、3、4步为物理吸附，5、6、7、8步为化学吸附及化学反应过程。
2、吸附速率
吸附过程是一个传质过程，所以吸附量和吸附效率都要受到传质作用时间的制约。
（1）空塔线速
（2）吸附速率式及有关参数
根据吸附动力学原理，吸附速率方程为
式中：
q---吸附速率
y---吸附质在气相混合物中的浓度；
y*---吸附质在气相中的平衡浓度；
K---吸附速度常数。
K值与许多因素有关，目前主要是一些经验公式，如：
威尔基（Wilke）和霍根（Hougen）提出的K值计算公式为
式中：
U---流体的平均线速度，m/s；
UE---流体的最大线速度，m/s；
µ---流体的粘度，Pas；
ρ---流体的密度，Kg/m3；
dP---固体粒子有效直径，m；
Df---溶质在流体中的扩散系数。
由上式可知，因吸附速率（q）随K值成线性变化，故而也随空塔线速变化。
于是可进一步推出下列关系式：
式中：
G---吸附容量，Kg/m3；
τ---吸附时间，s；
ω---空塔线速，m/s；
F---吸附床层截面，m2；
C进---气体吸附质的初始浓度，Kg/m3；
C出---逸出气体吸附质的浓度，Kg/m3；
Q---气体流量，m3/s；
η---吸附效率，%。
从以上各式参数的关联中不难看出，只要测出气体的流量、进出口气体吸附质的浓度，就可以算出η、ω、q、G以及η-C进，η-ω等变化规律。
实验二：
碱液吸收气体中的二氧化硫
一、实验目的
本实验采用填料吸收塔，利用5%NaOH溶液吸收气体中的SO2。
通过实验可初步了解利用填料塔吸收净化有害气体的实验研究方法，同时还有助于加深理解在填料塔内气液接触状况及吸收过程的基本原理。
通过实验应达到以下目的：
1、了解利用吸收法净化废气中SO2的效果；
2、填料塔的基本结构及其吸收净化酸雾的工作原理；
3、实验分析填料塔净化效率的影响因素；
4、了解SO2自动测定仪的工作原理，掌握其测定方法；
5、掌握实验中配气方法，参数控制（如气体流速、液体流量等），取样方法及各种有关设备的操作方法。
二、实验内容与方案
1、实验准备
（1）根据图10-1所示正确连结实验装置，并检查是否漏气，全面熟悉流程（包括熟悉SO2自动测定仪）并检查电、气、水各系统。
（2）SO2浓度测定仪使用前的准备工作：
保证电池电量充足（当测定仪显示器上出现“BAT”字样时，应尽快更换电池，此时仪器可能仍在正常工作，但读数是不正确的。
更换电池时，打开仪器背面盖板，正确装入碱性电池，并注意电池极性）；查看仪器过滤器（连接软管中，装有一个在线过滤器，以阻止尘埃和水蒸气进入仪器，如果发现过滤器出现潮湿或污染，应立即晾干或更换，推荐使用AF10型过滤器。
更换时，把软管从过滤器的两端松开，换上新的过滤器，不得使用任何润滑剂，并保证箭头指向仪器）；将“POWER”（电源）开关置于“ZERO&STANDBY”（零点/待机）位置，使仪器自动校准零点（如果仪器未能达到零点，调节仪器上方的零点调整旋钮，直到显示000±1为止，注意调零时在距离有害气体区域较远的清洁空气中进行）。
（3）称取NaOH试剂5kg溶于0.1m3水中，将其注入水箱中作为吸收系统的吸收液，开启水泵，根据液气比的要求调节喷淋水的流量。
2、实验操作
（1）开启填料塔的进液阀，并调节液体流量，使液体均匀喷布，并沿填料塔缓慢流下，以充分润湿填料表面，记录此时流量。
调节各阀门使得喷淋液流量达到最大值，记录此时流量。
（2）开启风机，并逐渐打开吸收塔的进气阀，调节空气流量，仔细观察气液接触状况。
用热球式风速计测量管道中的风速并调节配风阀使空塔气速达到2m/s（气体速度根据经验数据或实验需要来确定）。
（3）待吸收塔能够正常工作后，实验指导教师开启SO2气瓶，并调节其流量，使空气中的SO2含量为0.1~0.5%（体积百分比，具体数值由指导教师掌握，整个实验过程中保持进口SO2浓度和流量不变）。
（4）经数分钟，待塔内操作完全稳定后，开始测量记录数据。
应测量记录的数据包括进气流量Q1、喷淋液流量Q2、进口SO2浓度C1、出口C2浓度。
（5）根据测得的数据计算吸收废气中SO2的理论液气比，在理论液气比的喷淋液流量和最大喷淋液流量范围内，改变喷淋液流量，重复上述操作，测量SO2出口浓度，共测取4~5组数据。
（6）实验完毕后，先关掉SO2钢瓶，待1~2分钟后再停止供液，最后停止鼓入空气。
三、实验设备与材料（或样品）
1、实验流程
本实验流程（图2）大致可分为污染源发生、吸收和排放三部分，请学生自己按照现场的装置按比例画出实验流程图。
2、仪器设备
（1）SO2酸雾净化填料塔一台；
（2）SO2与空气混合罐一个；
（3）转子流量计2个（液相转子流量计1个、SO2转子流量计1个）；
（4）风机一台；
（5）SO2钢瓶（含气体）一个；
（6）SGA型SO2自动分析仪两台；
（7）控制阀、橡胶联结管若干及必要的玻璃仪器等。
图2吸收工艺流程图
1、SO2钢瓶2、混合罐3、进气测定口4、水箱5、吸收塔6、喷头
7、水泵8、出气测定口9、配风阀10、配气口11、消音器12、风机
3、试剂
（1）5kg工业纯NaOH试剂；
（2）蒸馏水。
四、实验基本要求
1、请同学们根据实验装置的具体尺寸按一定比例缩小画出实验流程图。
要求：
注明各处设备名称，吸收塔要认真画出正视图，不能画示意图。
2、实验前认真阅读实验教材，掌握与实验相关的基本理论知识。
熟练掌握实验内容、方法和步骤，严格按照实验内容和步骤进行实验，如实记录实验数据，认真计算实验结果，根据实验结果进行讨论，并完成实验报告。
3、根据本实验流程的实际情况，分析管道内气速的大小，将受到哪些因素的影响；去除率的大小与哪些因素有关。
4、此次实验过程中存在哪些问题，是如何解决的，希望对哪些实验方法或流程进行改进，请提出建议和改进意见。
妥善管理SO2钢瓶、控制SO2气流、请注意安全。
五、实验报告要求
1、如实记录实验数据，字迹清晰工整，认真计算实验结果，根据实验结果进行讨论。
2、实验数据表格参考格式
大气压：
温度：
测定次数
管道风速（m/s）
SO2流量（m3/s）
喷淋液量（L/h）
SO2入口浓度（mg/m3）
SO2出口浓度（mg/m3）
1
2
3
4
5
3、计算
（1）净化效率计算
吸收塔净化效率
，
其中，η：
净化效率；C1：
SO2入口浓度；C2：
SO2出口浓度。
测定次数
SO2浓度（mg/m3）
液气比
净化效率（%）
平均净化率
1
进气
出气
2
进气
出气
3
进气
出气
4
进气
出气
5
进气
出气
根据所得的净化效率与对应的液气比结果绘制曲线，从图中确定最佳液气比条件。
4、讨论
（1）从实验结果绘制的曲线中，可以得到哪些结论？
（2）通过实验，有什么体会，对实验有何改进意见？
六、相关基础知识
含SO2的气体可采用吸收法净化，由于SO2在水中的溶解度较低，故常常采用化学吸收的方法。
本实验采用碱性吸收液（5%NaOH吸收液）净化吸收SO2气体。
吸收液从水箱通过水泵、转子流量计由填料塔上部经喷淋装置进入塔内，流经填料表面，由塔下部排出，再进入水箱。
空气首先进入缓冲灌，SO2由SO2钢瓶进入缓冲灌，经缓冲灌混合后的含SO2空气从塔底进气口进入填料塔内，通过填料层与NaOH喷淋吸收液充分混合、接触、吸收，尾气由塔顶排出。
吸收过程发生的主要化学反应为：
2NaOH+SO2→Na2SO3+H2O
Na2SO3+SO2+H2O→2NaHSO3
实验过程中通过测定填料净化塔进出口气体中的含量，即可近似计算出吸收塔的平均净化效率。
改变喷淋液的流量，重复上述过程，计算吸收塔的净化效率η，进而了解吸收效果，确定最佳液气比α
实验三 旋风除尘实验
一、实验目的
通过旋风除尘实验，掌握除尘器实验研究的方法。
二、实验内容
1、用静压法测定管道中的风量。
2、用静压法测定旋风除尘器的压力陨失。
3、用质量法测定旋风除尘器的除尘效率。
三、实验原理
1、风量的测定
本实验装置（图1）采用静压法测定管道中的风量，测出吸气均流管中平均静压PS后，可按下式计算出风量：
V＝ψA
（m3/s）
（1）
式中：
A――管道断面积（m2）；
ψ――均流管流量系数，本实验装置的均流管为双纽线型＝0.98
――空气密度（kg/m3）；
――平均静压的绝对值（Pa）。
用倾斜式微压计测定的按下式计算：
式中：
K――微压计系数；
――微压计读数（mm）；
g=9.87m/S2
2、旋风除尘器压力损失和阻力系数的测定
本实验采用静压法测定旋风除尘器的压力损失。
由于本实验装置中除尘器进、出口接管断面相等。
气流动压相等，所以除尘器的压力损力等于进、出口断面平均静压之差，取测定点的除尘器进出口一定距离的a·b截面处（见图1）则除尘器的压损为：
式中：
――a，b两截面处的静压差；
――a截面至除尘器进口处的压损；
――除尘器出口处至b截面的压损。
测出旋风除尘器的压力损失之后，便可计算出旋风除尘器的阻力系数：
式中：
v1—旋风除尘器进口风速，m/s。
ρ—含尘气体的密度，kg/m3
3、用质量法测定除尘效率
测出同一时间进入除尘器的粉尘质量Si（克）和除尘器捕集的粉尘质量Sc（克），则除尘效率：
Sc/SI×100%
四、实验装置和仪器：
1――喂灰装置 2――吸气均流管 3――微压计 4――旋风除尘器
5――集尘箱 6――U型管压差计 7――调节阀门 8――引风机
实验用仪器有：
倾斜式微压机；U型压差计；皮托管；干湿球温度计；空盒气压计；分析天平；托盘天平等。
五、实验步骤
1、测定室内空气温度和相对湿度，大气压力，计算空气密度。
2、测定除尘器处理风量，用倾斜式微压机测出均流管入口平均静压Ps（应在喂灰后测定），按式
（1）
（2）计算出风量。
3、测定除尘器压力损力，用U型压差计测定ａ，两截面之间的静压差计（应在喂灰后测定），计算出
与
，按式（3）（4）计算
和
。
4、除尘器效率测定
用托盘天平称一定量尘样，放放喂灰漏斗，起动通风机和喂灰装置，待尘量全部送完，称量集尘斗尘量，计算除尘效率。
5、按上述实验步骤，将测定及计算所得的数据分项列成表格，完成实验报告。
测定次数
发尘量
发尘时间
进口气体含尘浓度
收尘量
出口气体含尘浓度
除尘器全效率
1
2
3
4
以除尘器进口气速为横坐标，除尘器全效率为纵坐标；以除尘器进口气速为横坐标，除尘器在标准状态下的阻力为纵坐标，将上述实验结果标绘成曲线。
六、思考题
1、影响旋风除尘效率的主要因素有哪些？
2、若除尘系统内有漏气现象，将会出现什么后果，原因是什么？
实验四 静置沉淀实验
一、实验目的
观察沉淀过程，求出沉淀曲线，沉淀曲线应包括：
（1）沉淀时间ｔ与沉淀效率E的关系曲线；
（2）颗粒沉速U与沉淀效率E的关系曲线。
二、实验原理
在含有离散颗粒的废水静置沉淀过程中，若试验柱内有效水深为H，通过不同的沉淀时间ｔ，可求得不同的颗粒沉淀速度ｕ，ｕ＝H/t0对于指定的沉淀时间t0可求得颗粒沉淀速度U。
那些沉速等于或大于U0的颗粒在t0时间内可全部除去，而对沉速小于u0的颗粒则只能除去一部分，其去除的比例为U/U0。
设X0为沉速U＜U0的颗粒所占有百分数，于是在悬浮颗粒总数中，沉速U≥U0的颗粒所占的百分数应为（1－X0），它们在t0时间内均可除去。
因此，去除的百分数可用1－X0来表示。
沉速U＜U0的每种粒径的颗粒去除的百分数为
，所以，总去除率：
E＝（1－X0）+
对于絮凝性悬浮颗粒的静置沉淀去除率，不仅与沉速有关，还与深度有关。
因此试验柱应不同深度处设有取样口。
在不同的选定时段，从不同深度取出水样，测定这部分水样中的颗粒浓度，并用以计算沉淀物的百分数。
在横坐标为沉淀时间、纵坐标为深度的图上绘出等浓度曲线，据此可求出悬浮颗粒的总去除率（见第二章）。
沉淀开始时，可以认为悬浮颗粒在水中的分布是均匀的。
随着沉淀历时的增加，试验柱内悬浮颗粒的分布变为不均匀。
严格地说经过沉淀时间ｔ后，应将柱内有效水深H的全部水样取出，测其悬浮物含量来计算ｔ时间内的沉淀效率。
这样，每个试验柱只能求一个沉淀时间的沉淀效率，致使实验工作量较大。
为了简化实验及测定工作量，考虑到试验柱内悬浮物浓度沿水深逐渐加大，近似地认为在H/2处水样的悬浮物浓度可以代表整个有效水深内悬浮物的平均浓度。
于是如果将取样口装在H/2处，在一个试验柱内可按不同沉淀时间多次取样。
这样做虽有一定误差，但一般情况下，在工程上还是允许的。
三、主要实验设备
1、沉淀试验柱：
直径100mm，工作有效水深（由溢出口下缘到底的距离）H＝1500mm或2000mm。
2、真空抽滤装置或过滤装置。
3、
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