第二阶段水处理实验讲义.docx
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第二阶段水处理实验讲义
实验六活性炭吸附实验
一、概述
固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上，这就是吸附。
这里的固体称为吸附剂。
被固体吸附的物质称为吸附质。
吸附的结果是吸附质在吸附剂上浓集，吸附剂的表面能降低。
吸附可分为三种基本类型
二、实验目的
1加深理解吸附的基本原理；
2通过实验进一步了解活性炭的吸附工艺及性能，熟悉实验过程的操作；
3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及活性炭吸附公式中常数的确定方法。
三、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，也有化学吸附作用。
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，达到了平衡，称为吸附平衡。
这时活性炭和水（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x毫克，则单位重量的活性炭吸附溶质的数量qe即吸附容量（平衡吸附量）可按下式计算
（6-1）
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——吸附剂量（活性炭投加量）g；
x——被吸附物质重量，g；
显然，平衡吸附量越大，单位吸附剂处理的水量越大，吸附周期越长，运转管理费用越少。
qe大小除了决定于活性炭的品种外，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。
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，即将平衡吸附量qe与相应的平衡浓度ce作图得吸附等温线，描述吸附等温线的数学表达式称为吸附等温式。
常用的有Langmuir等温式、B.E.T.等温式和Freundlich等温式。
在水和污水处理中通常用Freundlich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：
（6-2）
式中qe——吸附容量，mg/g；
K——Freundlich吸附系数，与吸附比表面积、温度有关的系数；
n——与温度有关的常数，n＞1；
Ce——吸附平衡时的溶液浓度（mg/L）。
式（6-2）是一个经验公式，通常通过间歇式活性炭吸附实验测得qe、Ce一一对应值，再用图解方法求出K、n的值。
为了方便易解，将式（6-2）变换成线性对数关系式：
（6-3）
式中C0——水中被吸附物质原始浓度（mg/L）；
Ce——被吸附物质的平衡浓度（mg/L）；
m——活性炭投加量（g/L）；
将qe、Ce相应值点绘在双对数坐标纸上，所得直线的斜率为
，截距为k。
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。
连续流活性炭的吸附过程同间歇性吸附有所不同，这主要是因为前者被吸附的杂质来不及达到平衡浓度Ce，因此不能直接应用上述公式。
这时应对吸附柱进行被吸附杂质泄漏和活性炭耗竭过程实验，也可简单地采用Bohart-Adams关系式
（6-4）
（6-5）
式中t—工作时间（h）
v—吸附柱中流速（m/h）
H—活性炭层厚度（m）
K—流速常数（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—容许出流溶质浓度（mg/L）
根据进水、出流溶质浓度可用式（8-6）估算活性炭柱吸附层的临界厚度，即当t=0时，能保持出流溶质浓度不超过CB的炭层理论厚度。
（6-6）
式中H0为临界厚度，其余符号同上面。
炭柱的吸附容量（N0）和流速常数（K）可通过连续流活性炭吸附实验并利用式（6-5）t~H线性关系回归或作图法求出。
在实验时如果原水样溶质浓度为C01，用三个活性炭柱串联，则第一个活性炭柱的出流浓度CB1即为第二个活性炭柱的入流浓度C02，第二个活性炭柱的出流浓度CB2即为第三个活性炭柱的入流浓度C03。
由各炭柱不同的入流、出流浓度C0、CB便可求出流速常数K值。
四、实验装置与设备
1．实验装置
间歇性吸附采用三角烧杯内装入活性炭和水样进行振荡的方法；
连续流式采用有机玻璃柱内装活性炭、水流自上而下（或升流式）连续进出方法。
连续流吸附实验装置示意图如图6-1。
2．实验设备及仪器仪表
振荡器THZ—82型1台
pH计pHS型1台
活性炭柱、活性炭、水样调配箱、恒位箱、光度计、温度计、水泵等
图6-1活性炭连续流吸附实验装置示意图
1.有机玻璃2.活性炭层3.承托层4.搁板隔网5.单孔橡皮塞
五、实验步骤
（一）间歇式吸附实验步骤
1．取活性炭2000mg放在蒸馏水中浸24h，然后放在103℃烘箱内烘干24h，再将烘干的活性炭研碎成0.1mm以下的粉状。
2．配制水样1L，使其含适量的被吸附物。
3．取适量水样，测定原水的浓度。
4．在5个三角烧杯中分别放入100、200、300、400、500mg粉状活性炭，加入150ml水样，放入振荡器振荡30分钟。
5．过滤各三角烧杯中水样，并测定浓度。
6．测出原水样pH及温度，记入表6-1-1。
（二）连续流吸附实验步骤
1．配制水样，使其含适量的被吸附物质，并测出原水的溶质浓度、pH及温度等；
2．在活性炭吸附柱中，各装入炭层厚850mm左右的活性炭；
3．启动水泵，打开流量计，将配制好的水样连续不断地送入活性炭吸附柱；
4．，使原水进入活性炭柱，并控制流量为50ml/min左右，
5．运行稳定后，每隔5min测定并记录各活性炭柱出水的溶质浓度，连续运行直至出水中溶质浓度达到进水中溶质浓度的0.9~0.95为止,将结果记录在表6-2-1中；
6．变化流速重复进行实验。
注意事项：
1．间歇吸附实验所求得的qe如果出现负值，则说明活性炭明显地吸附了溶剂，此时应调换活性炭或调换水样。
2．连续流吸附实验时，如果第一个活性炭柱出水中溶质浓度值很小，则可增大进水流量或停止第二、三个活性炭柱进水，只用一个炭柱。
反之，如果第一个炭柱进出水溶质浓度相差无几，则可减少进水量。
3．进入活性炭柱的水中浑浊度较高时，应进行过滤去除杂质。
六、实验结果整理
（一）间歇式吸附实验结果整理
1．实验操作基本参数
实验日期年月日
水样含量=mg/LpH=温度=℃
振荡时间min水样体积ml
2．各三角烧杯中水样过滤后测定结果记录在表6-1-1。
表6-1-1间歇式吸附实验记录表
杯号
水样体积
（ml）
原水样
浓度C0（mg/L）
吸附平衡后浓度Ce（mg/L）
lgCe
活性炭
投加量
m（g/L）
（mg/g）
3．按式（6-1）计算吸附量qe。
将C和相应的q值在双对数坐标纸上绘制出吸附等温线（以
为纵坐标，lgCe为横坐标绘Fruendlich吸附等温线），直线斜率为1/n、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，当
较大时，最好采用连续式活性炭吸附。
4．从吸附等温线上求出K、n值，代入式（6-2），求出Fruendlich吸附等温式。
（二）连续流吸附实验结果整理
1．实验测定结果记录
实验日期年月日
原水浓度mg/L水温℃pH值
活性炭吸附容量qemg/g滤速V（m/h）=
炭柱厚（m）H1=H2=H3=
工作时间
t（min）
1号柱
2号柱
3号柱
出水浓度
CB
（mg/L）
C01
（mg/L）
H1
（m）
v1
（m/h）
C02
（mg/L）
H2
（m）
V2
（m/h）
C03
（mg/L）
H3
（m）
V3
（m/h）
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
表6-2-1连续流吸附实验记录
2．根据实验所测得的数据代入式（6-5）以时间t为纵坐标，以
横坐标，点绘图，直线截距为
，斜率为
；将已知C0、、H、V等值代入，求出流速常数K值和吸附容量N0值。
（其中采用qe进行换算，活性炭容重r=0.7g/cm3左右）
3．如果出流溶质浓度为10mg/L,求出某一流速下活性炭柱炭层的临界厚度H0。
4．按表6-2-2给出各滤速下炭吸附设计参数K、H0、N0值，供活性炭吸附设备设计时参考。
表6-2-2活性炭吸附实验结果
流速v
（m/h）
N0
（mg/L）
K
（L/（mg·h））
H0
（m）
七、实验结果讨论
1．间歇吸附与连续流吸附相比，吸附容量qe和N0是否相等？
怎样通过实验求出N0值？
2．通过本实验，你对活性炭吸附有什么结论性意见？
对本实验进一步改进有什么建议
实验七气浮实验
一、概况
气浮法是进行固液分离的一种方法。
它常被用来分离密度小于或接近于“1”、难以用重力自然沉降法去除的悬浮颗粒。
是一种很重要的水质净化单元过程。
按产生气泡的方式分溶气气浮、充气气浮、电解气浮等。
在给水排水工程中气浮法常在以下几方面被运用：
1固-液分离：
污水中固体颗粒粒度很细小，颗粒本身及其形成的絮体密度接近或低于水，很难利用沉淀法实现固液分离的各种污水可用气浮法处理。
2在给水方面，气浮法应用于高含藻水源、低温低浊水源、受污染水源和工业原料盐水等的净化。
3液-液分离：
从污水中分离回收石油、有机溶剂的微细油滴、表面活性剂及各种金属离子等。
4用于要求获得比重力沉淀更高的水力负荷和固体负荷或用地受到限制的场合。
5可有效地用于活性污泥浓缩。
由于悬浮颗粒的性质和浓度、微气泡的数量和直径等多种因素都对气浮效率有影响，因此，气浮处理系统的设计运行参数常要通过试验确定。
二、实验目的
1．了解压力溶气气浮工艺的运行方式及原理，加深对基本概念的理解；
2．掌握压力溶气气浮主要设计参数气固比的实验确定方法；
三、实验原理
压力溶气气浮法的工艺流程如图7-1所示，目前以部分回流式应用最广。
加压溶气气浮法工艺主要由3部分组成，即加压溶气系统、溶气释放系统及气浮分离系统。
见图7-1
图7-1加压溶气气浮流程（部分回流式）
1-吸水井2-加压泵3-空压机4-压力溶气罐5-减压释放阀6-浮上分液池
7-原水进水管8-刮渣机9-集水系统10-填料层11-隔板
进行气浮时，用水泵将水抽送到压力为2～4个大气压的溶气罐中，同时注入加压空气。
空气在罐内溶解于加压的水中，然后使经过溶气的水通过减压阀进入气浮池，此时由于压力突然降低，溶解于水中的空气便以微气泡形式从水中释放出来。
微细的气泡在上升的过程中附着于悬浮颗粒上，使颗粒密度减小，上浮到气浮池表面与液体分离。
影响加压溶气气浮的因素很多，如空气在水中溶解量，气泡直径的大小，气浮时间、水质、药剂种类与加药量，表面活性物质种类、数量等。
因此，采用气浮法进行水质处理时，常需通过实验测定一些有关的设计运行参数。
由斯托克斯公式
可以知道，粘附于悬浮颗粒上气泡越多，颗粒与水的密度差（ρ水-ρ颗）就越大，悬浮颗粒的特征直径也越大，两者都使悬浮颗粒上浮速度增快，提高固液分离的效果。
水中悬浮颗粒浓度越高，气浮时需要的微细气泡数量越多，通常以气固比表示单位重量悬浮颗粒需要的空气量。
气固比（Aa/S）是设计气浮系统时经常使用的一个基本参数，是溶解空气重量（Aa）与原水悬浮固体物重量（S）的比值，无量纲。
定义为：
气固比与操作压力、悬浮固体的浓度、性质有关。
对活性污泥进行气浮时，气︰固＝0.005～0.06，变化范围较大。
气固比可按下式计算：
式中：
—气固比（g释放的空气/g悬浮固体）
S0—入流中的悬浮物浓度（mg/L）
Qr—加压水回流量（L/d）
Q—进水流量（L/d）
R—回流比
Cs—某一温度时的空气溶解度
温度（℃）
0
10
20
30
Cs（cm3/L）
29.2
22.8
18.7
15.7
P—溶气罐内绝对压力（MPa）
f—比值因素，在溶气罐内压力为P=（0.2～0.4）MPa，温度为20℃时，f=0.5
ra—空气容重，当20℃，1个atm时，ra=1164mg/L
出流水水中的悬浮固体浓度和浮渣中的固体浓度与气固比的关系如图所示。
由图7-2可以看到，在一定范围内，气浮效果是随气固比的增大而增大的。
即气固比越大，出水悬浮固体浓度越低，浮渣的固体浓度越高。
图7-2气固比对浮渣固体浓度和出水悬浮固体浓度的影响
四．实验内容及步骤
（一）压力溶气气浮工艺的运行演示
平流式气浮池竖流式气浮池
竖流式气浮池
（1）首先检查气浮实验装置是否完好；
（2）把自来水加到清水箱与气浮池中，至有效水深的90%高度；
（3）将含有悬浮物或胶体的废水加到废水箱中，选用Al2（SO4）3或其它的混凝剂加入加药槽，调节加药泵流量（投药量由混凝实验确定）；
（4）开启加压水泵，开始往溶气罐注水，待溶气罐中的水位升至液位计中间高度，缓慢地待开启释放器的闸阀，开启射流器，使空气进入溶气罐，调节液气平衡和溶气水量，使溶气罐压力保持0.3~0.4MPa；
（5）待溶气水在接触池中释放并形成大量微小气泡时，再打开废水进水泵、调节合适的废水流量流入池中，观察处理效果；
（6）改变进水量、溶气罐内的压力、溶气水量等，观测出水的水质及浮渣的变化。
（二）气固比（回流比）测定实验
改变不同的气固比，测出水SS值，并绘制出Aa/S～出水SS关系曲线。
由此可根据出水SS值确定气浮系统的运行Aa/S值。
1.实验装置及设备
平流式气浮池1套、反应量筒6个。
2.实验步骤
⑴开启气浮装置进行加压溶气形成合格的溶气水（溶气罐操作压力控制在0.3MPa左右）；
⑵取6个反应杯，各加入500ml纸浆废水（可加适量的混凝剂缓慢搅拌）；
⑶分别按回流比0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2加入溶气水并搅拌0.5min；
⑷静止分离10min，观测清液和浮渣的体积，并测定悬浮物浓度。
五、实验数据及结果整理
1、实验记录表
（1）实验条件记录
实验日期：
年月日
污水性质：
原水悬浮浓度（㎎/L）
气温：
℃空气的容重：
mg/L
水温：
℃空气溶解度：
mg/L
溶气罐的工作压力：
Pa
（2）气固比实验记录
表7-1气固比实验数据记录
编号
回流比
清液体积
浮渣体积
清液中SS（㎎/L）
浮渣中SS（㎎/L）
气固比（A/S）
去除率%
实验现象
注：
气固比为[g（气体）/g（固体）]——每去除1克固体所需的气量。
可简化为L（气体）/g（悬浮物），可用下列公式计算
（式中A—总释气量，L；S—总悬浮物量，g；a—单位溶气水的释气量，ml/L水；W—溶气水的体积，L；SS—原水中的悬浮物浓度，mg/L；Q—原水体积，L。
）
2、实验结果与讨论
（1）分别绘制气固比与出水水质及浮渣中固体浓度关系曲线。
（2）绘制气固比与去除率关系曲线。
（3）根据实验数据，分析气固比（回流比）对气浮作用效果的影响，确定实验废水的回流比。
六、注意事项
1、气浮压力必须保持0.3~0.5MPa。
如低于0.3MPa时，将产生回流，此时需释放压力，重新启动设备。
2、水箱必须加满，或水位至少高于加压水泵出水口，否则水泵中进入空气后，无法运行。
3、释放器如发生堵塞时，需开大释放器阀门，对其冲洗。
4、调节溶气压力时，请调节释放器阀门大小，来调节溶气压力。
5、实验结束后，加压溶气需先打开放压阀，使其减压后，再将气水放空。
七、思考题
1、简述加压溶气气浮装置的组成及各部分作用？
2、观察实验装置运行是否正常，气浮池内的气泡是否很微小，若不正常，是什么原因？
如何解决？
分析讨论溶气罐工作压力对溶气效率的影响。
实验九综合水处理实验
一、概述
通过对给水、排水基本实验的操作，对常用水处理工艺已有一定了解与掌握。
给定原水，通过对原水水质相关指标的测定，根据出水要求，自行设计实验方案，要求处理工艺中至少含两个水处理单元。
并根据实验结果分析，评价处理方案的合理性。
二、实验目的
1．掌握选择水处理工艺的基本原则。
2．通过实验，学会合理设计实验方案、实施方案，学会实验数据的综合处理并验证评价处理方案的合理性。
3．熟悉水质检测分析方法。
三、实验装置
污水综合实验装置包括混凝沉淀池、SBR反应器、MBR膜反应装置、快滤池、活性炭吸附柱、紫外线氧化杀菌系统等水处理单元，可选择不同单元组成处理工艺流程。
四、实验内容和要求
1．根据所提供的原水水质特点和出水要求，确定水质控制指标。
2．选择合理的水处理工艺，设计实验方案。
3．根据实验方案，进行实验，对实验结果进行分析，对所选水处理工艺进行经济分析，并加以优化。
五、参考资料
1．顾夏声、李献文、竺建荣.水处理微生物学（第三版）.中国建筑工业出版社.1998
2．李燕城.水处理实验技术.中国建筑工业出版社.1989
3．严煦世、范瑾初给水工程（第四版）中国建筑工业出版社1999
4.张自杰排水工程中国建筑工业出版社2000
综合水处理实验任务书
一、实验目的
1．掌握选择水处理工艺的基本原则。
2．通过实验，学会合理设计实验方案、实施方案，学会实验数据的综合处理并验证评价处理方案的合理性。
3．熟悉水质检测分析方法和了解相关水质指标。
二、实验内容和要求
1．根据所提供的原水水质特点和出水要求，确定水质检测指标。
2．选择合理的水处理工艺流程，设计实验方案。
要求工艺中含两个以上处理方法单元，并要求生物处理方法为必选单元之一。
3．根据实验方案，进行实验，记录工艺运行过程参数，分析各处理单元处理效果，对实验结果进行分析，对所选水处理工艺进行经济分析，并加以优化。
三、参考实验方法
1．了解原水水质、实验装置条件和实验要求；
2．查阅有关资料，了解相关理论知识，以实验组为单位初步选择工艺流程，设计实验方案；
3．将本组选择的实验方案经与指导老师讨论修订后，确定各实验参数，并预约实验时间。
4．实施实验方案，按要求测定各类实验参数（包括流程中各单元的运行参数、进出水水质指标等）；
5．根据实验结果，撰写实验总结。
四、综合实验总结报告内容要求
1．实验目的、要求
2．实验装置和条件
3．实验方案及相关理论原理。
4．实验步骤、工艺流程、水质指标检测方法等
5．实验原始数据及结果分析
6．实验小结
7．参考资料
各组实验任务安排表
班级组别
原水水质
COD：
300~600浊度：
100~200氨氮：
20~50PH：
5~9
出水要求
COD＜50、浊度＜5、氨氮＜10mg/L、PH值6～8
细菌总数＜100CFU/ml
水处理工艺
实验时间
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