水污染控制工程实验讲义徐师大文档格式.docx
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这基本上是一种机械作用。
向水中投加混凝剂后，由于：
①能降低颗粒间的排斥能峰，降低胶粒的ζ电位，实现胶粒“脱稳”；
②同时也能发生高聚物式高分子混凝剂的吸附架桥作用；
③网捕作用，而达到颗粒的凝聚。
消除或降低胶体颗粒稳定因素的过程叫做脱稳。
脱稳后的胶粒，在一定的水力条件下，才能形成较大的絮凝体，俗称矾花。
直径较大且较密实的矾花容易下沉。
自投加混凝剂直至形成较大矾花的过程叫混凝。
在混凝过程中，上述现象常不是单独存在的，往往同时存在，只是在一定情况下以某种现象为主。
三、实验设备与试剂
1.智能型混凝试验搅拌仪1台。
2.PHS-2型酸度计1台。
3.HACH2100N浊度仪1台。
4.烧杯（200mL，7个）
5.移液管（1mL，2mL，5mL，10mL，各1支）
6.洗耳球1个，配合移液管移药用。
7.量筒（1000mL，1个，量原水体积）
8.混凝剂：
聚合硫酸铁（PFS）、聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铁铝（PAFS）、聚丙烯酰胺（PAM）等；
浓度1%或10g/L
9.盐酸、氢氧化钠（浓度10%）
10.注射针筒
11.实验用原水（取河水或用黏土和自来水配成水样20L，静沉6h，其上清液为实验用原水）
四、实验步骤
混凝实验分为最佳投药量、最佳pH、最佳水流速度梯度三部分。
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，求出最佳投药量。
然后按照最佳投药量求出混凝最佳pH。
最后根据最佳投药量、最佳pH，求出最佳的速度梯度。
1.最佳投药量实验步骤
（1）确定原水特征，即测定原水水样浑浊度、pH、温度。
（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（或50r/min）烧杯中800mL原水，并每次增加0.5mL混凝剂投加量，直至出现矾花为止。
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800mL原水，置于混凝试验搅拌仪平台上。
（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1/4作为1号烧杯的混凝剂投加量，取其1/2，3/4，1，3/2，2倍作为2～6号烧杯的混凝剂投加量。
加药时，把混凝剂分别加到仪器上1～6号加药管中，这样可以保证同时加药。
（5）启动搅拌机，快速搅拌30s，转速约300r/min；
中速搅拌6min，转速约100r/min；
慢速搅拌6min，转速约50r/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，静置沉淀5min，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1中。
2.最佳pH实验步骤
（1）用6个1000mL的烧杯，分别放入800mL原水，置于混凝试验搅拌仪平台上。
（2）调整原水pH，用移液管依次向1号，2号，3号装有水样的烧杯中分别加入1.5mL，1.0mL，0.5mL10%浓度的盐酸。
依次向5号，6号装有水样的烧杯中分别加入0.5mL，1.0mL10%浓度的氢氧化钠。
（3）启动搅拌机，快速搅拌30s，转速约300r/min。
用酸度计测定各水样的pH，记入表2中。
（4）利用仪器的加药管，向各烧杯中加入相同剂量的混凝剂（最佳剂量采用实验1中得出的最佳投药量结果）。
（6）关闭搅拌机，抬起搅拌桨，静置沉淀5min，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中。
注意事项：
①在最佳投药量、最佳pH实验中，向各烧杯投加药剂时要求同时投加，避免因时间间隔较长各水样加药后反应时间长短相差太大，混凝效果悬殊。
②在测定水的浊度、用注射针筒抽吸上清液时，不要扰动底部沉淀物。
同时，各烧杯抽吸的时间间隔尽量减小。
五、实验结果整理
1.最佳投药量实验结果整理
（1）把原水特征、混凝剂投加情况、沉淀后的剩余浊度记入表1中。
（2）以剩余浊度为纵坐标，投药量为横坐标，绘制剩余浊度与投药量关系曲线，从曲线上可求得不大于某一剩余浊度的最佳投药量值。
2.最佳pH实验结果整理
（1）把原水特征、混凝剂投加情况、酸碱加注情况、沉淀后的剩余浊度记入表2中。
（2）以剩余浊度为纵坐标，水样pH为横坐标，绘制剩余浊度与pH关系曲线，从图上求出所投加混凝剂的混凝最佳pH及其适用范围。
实验结果记录
实验小组号姓名实验日期
混凝剂混凝剂浓度
原水浊度原水pH原水温度
最小混凝剂量（mL）相当于（mg/L）
表1最佳混凝剂投加量
水样编号
1
2
3
4
5
6
投药量（mg/L）
初矾花时间（min）
矾花沉淀情况
剩余浊度（NTV）
表2最佳pH
HCl（mL）
NaOH（mL）
水样pH
六、思考题
1.根据实验结果以及实验中所观察到的现象，简述影响混凝的几个主要因素。
2.为什么最大投药量时，混凝效果不一定好?
3.根据最佳投药量实验曲线，分析沉淀水浊度与混凝剂投加量的关系。
实验二自由沉淀实验
自由沉淀去除率沉淀柱颗粒
取样测定悬浮物含量
（1）加深对自由沉淀特点、基本概念及沉淀规律的理解；
（2）掌握颗粒自由沉淀的实验方法；
（3）对实验数据进行分析、整理、计算和绘制颗粒自由沉淀曲线。
浓度较稀的、粒状颗粒的沉淀属于自由沉淀，其特点是静沉过程中颗粒互不干扰、等速下沉，其沉速在层流区符合Stokes（斯笃克斯）公式。
悬浮物浓度不太高，一般在600~700mg/L以下的絮状颗粒的沉淀属于絮凝沉淀，沉淀过程中由于颗粒相互碰撞，凝聚变大，沉速不断加大，因此颗粒沉速实际上是一变速。
浓度大于某值的高浓度水，颗粒的下沉均表现为浑浊液面的整体下沉。
这与自由沉淀、絮凝沉淀完全不同，后两者研究的都是一个颗粒沉淀时的运动变化特点，（考虑的是悬浮物个体），而对成层沉淀的研究却是针对悬浮物整体，即整个浑液面的沉淀变化过程。
成层沉淀时颗粒间相互位置保持不变，颗粒下沉速度即为浑液面等速下沉速度。
该速度与原水浓度、悬浮物性质等有关而与沉淀深度无关。
但沉淀有效水深影响变浓区沉速和压缩区压实程度。
为了研究浓缩，提供从浓缩角度设计澄清浓缩池所必需的参数，应考虑沉降柱的有效水深。
此外，高浓度水沉淀过程中，器壁效应更为突出，为了能真实地反映客观实际状态，沉淀柱直径一般要≥200mm，而且柱内还应装有慢速搅拌装置，以消除器壁效应和模拟沉淀池内刮泥机的作用。
非絮凝性或弱絮凝性固体颗粒在稀悬浮液中的沉淀，属于自由沉淀。
由于悬浮固体浓度低，而且颗粒之间不发生聚集，因此在沉降过程中颗粒的形状、粒径和密度都保持不变，互不干扰地各自独立完成匀速沉降过程。
自由沉淀实验一般在沉淀柱里进行，其直径应足够大，一般应使D≥100mm，以免颗粒沉淀受柱壁干扰。
在沉淀柱内，颗粒物的总去除效率为
式中E----总沉淀效率；
P0----沉速小于ui的颗粒在全部悬浮颗粒中所占的百分数；
1-P0----沉速大于或等于ui的颗粒去除百分数；
ui----某一指定颗粒的最小沉降速度；
u----小于最小沉降速度ui的颗粒沉速。
工程上常用下式计算
1.沉淀用有机玻璃柱，内径D=150mm，高H=1700mm。
工作水深即由柱内液面至取样口的距离，取样口共有6个，深度分别为0.35m，0.7m，1.05m，1.4m，一般选择1.00m和1.35m进行实验。
2.配水系统一套。
3.计量水深用标尺、计时用秒表；
4.悬浮物定量分析用电子天平、定量滤纸、称量瓶、烘箱、抽滤装置、干燥器等装置；
四、实验步骤
1.检查沉淀装置连接情况、保证各个阀门完全闭合；
各种用具是否齐全。
2.将定量滤纸编号后放入称量瓶中，编号、烘干（100～105℃,烘2～3h）至恒重，置于干燥器中待用。
3.准备实验用原水。
先将一定量的高岭土和自来水投入到配水箱中，然后启动搅拌装置使分散均匀。
4.配水箱中水质均匀后，启动水泵，同时打开进水管及沉淀柱底部的放空阀门，适当冲洗管路中的沉淀物。
稍后，关闭放空阀门，进水至1.45m刻度线处。
同时启动秒表记录时间，沉淀实验开始。
5.当时间为2min，5min，10min，15min，30min，40min，60min时，用量筒在取样口处取水样100mL（注意：
取水样时，需先放掉一些水，以便冲洗取样口处的沉淀物），在每次取样前后读出水面高度H。
6.用定量滤纸分别过滤9个水样。
待定量滤纸内没有明显水滴后将定量滤纸折叠并放入称量瓶。
7.将称量瓶放在恒温烘箱中，调节温度至100～105℃,烘2～3h。
8.取出定量滤纸，放在干燥器中冷却至室温称重。
9.将实验数据记录表1中。
注意事项
（1）向沉淀柱内进水时，速度要适中。
既要较快完成进水，以防进水中一些较重颗粒沉淀，又要防止速度过快造成柱内水体紊动，影响静沉实验效果。
（2）取样前，一定要记录管中水面至取样口距离H0（cm）。
（3）取样前，先排除管中积水而后取样，每次约取100～150mL。
（4）测定悬浮物时，因颗粒较重，从烧杯取样要边搅边吸，以保证水样均匀。
贴于移液管壁上的细小颗粒一定要用蒸馏水洗净。
表1颗粒自由沉淀实验记录
静沉时间t（min）
称量瓶号
称量瓶+滤纸（g）
水样体积（mL）
瓶+滤纸+SS（g）
水样SS质量（g）
悬浮物浓度（mg/L）
沉淀高度（m）
1.00
10
15
30
40
50
60
1.35
1.实验基本参数整理
实验日期：
水样性质及来源：
沉淀柱直径：
（m）沉淀柱高：
（m）
水温：
（℃）原水悬浮物浓度C0：
（mg/L）
2.实验数据整理
表2实验原始数据整理表
沉淀时间ti（min）
水样SS（mg/L）
SS去除率（%）
未被去除颗粒百分比Pi
颗粒沉速ui（mm/s）
表中不同沉淀时间ti时，沉淀柱内未被去除的悬浮物的百分比及颗粒沉速分别按下面式子计算：
，
式中C0----原水中SS浓度值（mg/L）；
Ci----某沉淀时间后，水样中SS浓度值（mg/L）。
3.以颗粒沉速u为横坐标，P为纵坐标，在普通格纸上绘制u-P关系曲线。
4.利用图解法列表（表3）计算不同沉速时悬浮物的去除率。
表3悬浮物去除率E的计算
序号
ui
P0
1-P0
△P
u
u﹒△P
∑u﹒△P
（∑u﹒△P）/u0
5.根据上述计算结果，以E为纵坐标，分别以u及t为横坐标，绘制u-E，t-E关系曲线。
1.绘制自由沉淀静沉曲线的方法和意义。
2.比较取样口高分别为1.00m和1.35m，两组实验结果是否一样，为什么？
实验三曝气设备充氧能力的测定
曝气氧的总传递系数充氧能力
溶解氧测定Kla值计算
（1）掌握测定曝气设备的氧总传递系数和充氧能力的方法；
（2）了解各种测试方法和数据整理方法的特点。
活性污泥法处理过程中曝气设备的作用是使空气，活性污泥和污染物三者充分混合，使活性污泥处于悬浮状态，促使氧气从气相转移到液相，从液相转移到活性污泥上，保证微生物有足够的氧进行物质代谢。
由于氧的供给是保证生化处理过程正常进行的主要因素之一，因此，工程设计人员和操作管理人员常需通过实验测定氧的总传递系数KLa、评价曝气设备的供氧能力和动力效率。
评价曝气设备充氧能力的试验方法有两种：
（1）不稳定状态下进行试验，即试验过程水中溶解氧浓度是变化的，由零增到饱和浓度；
（2）稳定状态下的试验，即试验过程水中溶解氧浓度保持不变。
试验可以用清水或在生产运行条件下进行。
下面分别介绍各种方法的基本原理。
1.不稳定状态下进行试验
在生产现场用自来水或曝气池出流的上清液进行试验时，先用亚硫酸钠（或氮气）进行脱
氧，使水中溶解氧降到零，然后再曝气，直至溶解氧升高到接近饱和水平。
假定这个过程中
液体是完全混和的，符合一级动力学反应，水中溶解氧的变化可用式
（1）表示
（1）
式中：
dC/dt——氧转移速率（mg/L．h）；
KLa——氧的总转递系数（1／h）；
可以认为是一混和系数，其倒数表示使水中的溶解氧由C变到Cs所需要的时间，是气液界面阻力和界面面积的函数；
Cs——试验条件下自来水（或污水）的溶解氧饱和浓度（mg/L）；
C——相应于某一时刻t的溶解氧浓度（mg/L）。
将式
（1）积分得
（2）
式
（2）表明，通过试验测得Cs和相应于每一时刻t的溶解氧C值后，绘制1n（Cs一C）与t的关系曲线，其斜率即KLa。
另一种方法是先作C与t关系曲线，再作对应于不同C值的切线得到相应的dC/dt，最后作dC/dt与C关系曲线，也可以求得KLa。
2.稳定状态下进行试验
如果能较正确地测定活性污泥的呼吸速率，也可以在现场生产运行条件下，通过稳定
状态下的充氧试验测定曝气设备的充氧能力。
试验时先停止进水和回流污泥，使溶解氧浓度
稳定不变，并取出混合液测定活性污泥的呼吸速率，由于溶解氧浓度稳定不变，dC/dt=0，
即
（3）
式（3）表明，测得r、Csw和C后，可以计算KLa。
微生物呼吸速率r，可以用瓦勃呼吸仪
进行测定。
由于溶解氧饱和浓度、温度、污水性质和搅动程度等因素都影响氧的传递速率，在实际
应用中为了便于比较，须进行压力和温度校正，把非标准条件下的KLa转换成标准条件（20
℃，760毫米汞柱）下的KLa，通常采用以下的公式计算:
（4）
T——试验时的水温（℃）；
Kla（T）——水温为T时测得的总传递系数（h－1）：
KLa（20）——水温20℃时的总传递系数（h－1）．
气压对溶解氧饱和浓度的影响为
（5）
当采用表面曝气时，可以直接运用式（5），不须考虑水深的影响。
采用鼓风曝气时，空气扩散器常放置于近池底处，由于氧的溶解度受到进入曝气池的空气中氧分压的增大和气泡上升过程氧被吸收分压减少的影响，计算溶解氧饱和值时应考虑水深的影响，一般以扩散器至水面二分之一距离处的溶解氧饱和浓度作为计算依据。
计算方法如下
（1）平均静水压力
（6）
P'
——上升气泡受到的平均静水压力（kPa）；
H——扩散器以上的水深（m）。
（2）气泡内氧所占的体积比
由于气泡上升过程中部分氧溶解于水，所以当气泡从池底上升到水面时，气泡中氧的比例减少，其数值为
（7）
O'
——气泡上升到水面时，气泡内氧的比例；
Oh——在池底时，气泡中氧的比例，21％（体积比）；
δ——扩散设备的空气利用系数。
池底到池面气泡内氧的比例平均值按式（8）计算。
（3）氧的平均饱和浓度
（8）
Cs（标）——标准条件下氧的饱和浓度（mg/L）；
P——标准大气压，等于101.325kPa。
3.充氧能力和动力效率
充氧能力可以用下式表示
Qs＝KLa（20）Cs（20）V（kgO2／h）（9）
Qs--标准条件下的充氧能力（kgO2／h）；
V——曝气池体积（m3）。
动力效率常被用以比较各种曝气设备的经济效率，计算公式如下
E=Qs/N（10）
N——采用叶轮曝气时，N为轴功率（kW）。
采用射流曝气时，计算氧的利用效率为
S为20℃的供氧量：
S（20）=21%×
1.33Q（20）
Q（20）－－20℃时空气量（m3/h），
Qt——转子流量计上读数（m3/h）；
P0——标准状态时空气压力（一个大气压）；
T0——标准状态时空气绝对温度；
P——实验条件下空气压力；
T——实验条件下空气的绝对温度。
上述方法适用于完全混和型曝气设备充氧能力的测定。
推流式曝气池中KLa、Csw是沿
池长方向变化的，不能采用上述方法进行测定。
三、实验装置、设备与试剂
实验装置的主要部分为泵型叶轮、射流曝气设备和模型曝气池。
为保持曝气叶轮转速在实验期间恒定不变，电动机要接在稳压电源上。
1．模型曝气池（硬塑料制，高度H＝36cm，直径D＝29cm）
2．泵型叶轮（铜制，直径D＝12cm）
3，电动机单向串激电机（220V，2.5A）
4．直流稳压电源（YJ44型，0～30V，0～2A）
5．溶解氧测定仪1台
6．电磁搅拌器1台
7．卷尺1个
8．秒表1块
9．烧杯200mL3个
10.电子天平
11.无水Na2SO3（分析纯）
12.CoCl2﹒6H2O（分析纯）
图曝气设备充氧能力实验装置
1—模型曝气池；
2—泵型叶轮；
3—电动机；
4—电动机支架；
5—溶解氧仪；
6—溶解氧探头；
7—稳压电源；
8—广口瓶；
9—电磁搅拌器
1．确定曝气池内测定点（或取样点）位置。
通常在平面上测定点可以布置在三等分池子
半径的中点和终点，在立面上布置在离池面和池底0.3m处，以及池子一半深度处，共取12
个测定点（或9个测定点）。
但本实验模型较小，故可以仅确定一个测定点，无需布置9～12
个测定点。
2．曝气池内注入自来水，水面没过叶轮5cm左右，测定曝气池内水的体积，并测定水温及水中溶解氧。
3．计算CoCl2和Na2SO3的需要量
（1）脱氧剂Na2SO3用量计算。
在自来水中加入Na2SO3还原剂来还原水中的溶解氧。
相对分子质量比为
故Na2SO3理论用量为水中溶解氧量的8倍。
而水中有部分杂质会消耗Na2SO3，故实际用量为理论用量的1.5倍。
所以投加的Na2SO3用量为
W——Na2SO3的实际投加量（g）；
Cs——实验时水温对应的水中饱和溶解氧值（mg/L）；
V——水样体积（m3）。
（2）根据水样体积V确定催化剂（钴盐）的投加量
催化剂氯化钴的投加量，按维持池子中的钴离子浓度为0.05～0.5mg/L左右计算。
本实验取0.4mg/L。
因为
所以单位水样投加钴盐（CoCl2﹒6H2O）量为：
0.4×
4.0=1.6（g/m3）
本实验所需投加钴盐为：
1.6×
V（g）
V——水样体积（m3）
（3）将Na2SO3用热水化开，均匀倒入曝气筒内，溶解的钴盐倒入水中，缓慢搅拌1~~2分钟使Na2SO3扩散至完全混合，进行脱氧。
（4）待溶解氧降到零并达到稳定时，开始正常曝气，计时每隔0.5min测定溶解氧浓度，
并作记录，直
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