顆粒自由沉淀實驗報告[共14頁]

1、建筑與測繪工程學院水處理實驗設計與技術實 驗 報 告實驗1顆粒自由沉淀實驗顆粒自由沉淀實驗是研究濃度較低時的單顆粒的沉淀規(guī)律。 一般是通過沉淀柱靜沉實驗,獲取顆粒沉淀曲線。 它不僅具有理論指導意義, 而且也是給水排水處理工程中沉砂池設計的重要依據(jù)。一、實驗目的加深對自由沉淀特點、基本概念及沉淀規(guī)律的理解。掌握顆粒自由沉淀實驗的方法, 并能對實驗數(shù)據(jù)進行分析、 整理、計算和繪制顆粒自由沉淀曲線。二、實驗原理濃度較低的、 粒狀顆粒的沉淀屬于自由沉淀, 其特點是靜沉過程中顆?；ゲ桓蓴_、等速下沉,其沉速在層流區(qū)符合 Stokes（斯托克斯）公式。但是由于水中顆粒的復雜性,顆粒粒徑、顆粒相對密度很難或無

2、法準確地測定,因而沉淀效果、特性無法通過公式求得而是通過靜沉實驗確定。由于自由沉淀時顆粒是等速下沉, 下沉速度與沉淀高度無關, 因而自由沉淀可在一般沉淀柱內(nèi)進行,但其直徑應足夠大,一般應使內(nèi)徑 D100mm 以免顆粒沉淀受柱壁干擾。具有大小不同顆粒的懸浮物靜沉總去除率 與截留沉速 u0 剩余顆粒重量百分率 P 的關系如下：Pu0s1 P dP ( 1 )00u0此種計算方法也稱為懸浮物去除率的累積曲線計算法。設在一水深為H 的沉淀柱內(nèi)進行自由沉淀實驗,如圖1 所示。實驗開始,沉淀時間為0,此時沉淀柱內(nèi)懸浮物分布是均勻的,即每個斷面上顆粒的數(shù)量與粒徑組成相同,懸浮物濃度為C0（mg/L）,此時去

3、除率 =0。實驗開始后,不同沉淀時間ti ,顆粒最小沉淀速度 ui 相應為：Hu ( 2 )iti此即為ti時間內(nèi)從水面下沉到池底 （此處為取樣點） 的最小顆粒 di 所具有的沉速。此時取樣點處水樣懸浮物濃度為Ci,而：C0C0CiCi1 1 PiC00( 3 )此時去除率 0,表示 uui（ddi）的顆粒除去率,而：CiPi ( 4 )C0則反映了 ti時,未被除去之顆粒即 ddi 的顆粒所占百分比。實際上沉淀時間ti 內(nèi),由水中沉至柱底的顆粒是由兩部分顆粒組成, 即沉速 usui 的那一部分顆粒能全部沉至柱底。除此之外,顆粒沉速 usui 的那一部分顆粒,也有一部分能沉至柱底。這是因為,這

4、部分顆粒雖然粒徑很小,沉速 usui ,但是這部分顆粒并不都在水面,而是均勻地分布在整個沉柱的高度內(nèi),因此,只要在水面以下,它們下沉至池底所用的時間能少于或等于具有沉速 ui 的顆粒由水面降至池底所用的時間ti,那么這部分顆粒也能從水中被除去。圖1顆粒自由沉淀示意沉速 usui 的那部分顆粒雖然有一部分能從水中去除, 但其中也是粒徑大的沉到柱底的多, 粒徑小的沉到柱底的少, 各種粒徑顆粒去除率并不相同。 因此若能分別求出各種粒徑的顆粒占全部顆粒的百分比, 并求出該粒徑在時間ti 內(nèi)能沉至柱底的顆粒占本粒徑顆粒的百分比,則二者乘積即為此種粒徑顆粒在全部顆粒中的去除率。如此分別求出 usui 的那

5、些顆粒的去除率,并相加后,即可得這部分顆粒的去除率。為了推導出其計算式, 我們首先繪制 P 與 u 關系曲線, 其橫坐標為顆粒沉速u,縱坐標為未被去除顆粒的百分比 P,如圖2 所示。由圖中可見：C C C C1 2 1 2P P P ( 5 )1 2C C C0 0 0故P是當選擇的顆粒沉速 u1 降至 u2時,整個水中所能多去除的那部分顆粒的去除率,也就是所選擇的要去除的顆粒粒徑由的 d1 減到 d2時,此時水中所能多去除的, 即粒徑在 d1d2間的那部分顆粒所占的百分比。 因此當 P間隔無限小時,則dP代表了小于 d1 的某一粒徑d 占全部顆粒的百分比。這些顆粒能沉至柱底的條件,應是由水中

6、某一點沉至柱底所用的時間,必須等于或小于具有沉速為ui 的顆粒由水面沉至柱底的時間, 即應滿足：x Hux uixHuuix由于顆粒均勻分布,又為等速沉淀,圖2 P 與 u 關系曲線故沉速 uxui 的顆粒只有在 x 水深以內(nèi)才能沉到柱底。 因此能沉至柱底的這部分x顆粒,占這種粒徑的百分比為H,如圖4-1 所示,而：xuxHui此即為同一粒徑顆粒的去除率。取 u0=ui 。且為設計選用的顆粒沉速（又稱截留沉速）； us=ux則有：u usxuiu0由上述分析可見, dPs反映了具有 us的顆粒占全部顆粒的百分比, 而usu0則反映了在設計沉速為u0 的前提下, 具有沉速 us（ u0）的顆粒去

7、除量占本顆?？偭康陌俜直?。故：usu0dP( 6 )正是反映了在設計沉速為u0時,具有沉速為us的顆粒所能被去除的部分占全部顆粒的比例。利用積分求解這部分 usu0 的顆粒的去除率,則為：P00usudP0故顆粒的去除率為：Pu0s1 P dP ( 7 )00u0工程中常用下式計算：(1 P0)usu0P( 8 )三、實驗設備及用具（1）有機玻璃管沉淀柱一根,內(nèi)徑 D 100mm,高 1.5m。有效水深即由溢流口至取樣口距離,共兩種 H1=0.9m,H2=1.2m。每根沉淀柱上設溢流管、取樣管、進水及放空管。（2）配水及投配系統(tǒng)包括鋼板水池、攪拌裝置、水泵、配水管、循環(huán)水和計量水深用標尺,如圖

8、3 所示。（3）計量水深用標尺,計時用秒表。圖 3 顆粒自由沉淀靜沉實驗裝置（4）玻璃燒杯,移液管,玻璃棒,瓷盤等。（5）懸浮物定量分析所需設備有萬分之一天平、帶蓋稱量瓶、干燥皿、烘箱、抽濾裝置、定量濾紙等。（6）水樣可用燃氣洗滌污水,軋鋼污水,天然河水或人工配制水樣。四、實驗步驟及記錄（1）將實驗用水倒人水池內(nèi),開啟循環(huán)管路閥門 2 用泵循環(huán)或機械攪拌裝置攪拌,待池內(nèi)水質(zhì)均勻后,從池內(nèi)取樣,測定懸浮物濃度,記為 C0 值。（2）開啟閥門 1、3,關閉循環(huán)閥門 2,水經(jīng)配水管進入沉淀柱內(nèi),當水上升到溢流口并流出后,關閉閥門。（3）向沉淀柱內(nèi)通人壓縮空氣將水樣攪拌均勻。（4）記錄時間,沉淀實驗開

9、始,隔 2、5、10、15、20、30、40、60min 由取樣口取樣,記錄沉淀柱內(nèi)液面高度。（5）觀察懸浮顆粒沉淀特點、現(xiàn)象。（6）測定水樣懸浮物含量。（7）實驗記錄用表見表 1。表 1 顆粒自由沉淀實驗記錄表靜沉時間（min ）取樣體積濾紙編號 濾紙重（g）（ml）濾紙+SS重（g）水樣 SS重（g）C0（mg/L)沉淀高度H0(cm)0 1 1.1926 10.00 1.2202 0.0276 2760 1.2002 2 1.2100 10.00 1.2362 0.0262 2620 1.1855 3 1.2248 10.00 1.2442 0.0194 1940 1.17010 4 1

10、.1925 10.00 1.2062 0.0137 1370 1.15515 5 1.2073 10.00 1.2172 0.0099 990 1.14020 6 1.2041 10.00 1.2102 0.0061 610 1.12530 7 1.2246 10.00 1.2292 0.0046 460 1.11040 8 1.2024 10.00 1.2062 0.0038 380 1.09560 9 1.3381 10.00 1.3402 0.0021 210 1.080（1）向沉淀柱內(nèi)進水時,速度要適中,既要較快完成進水,以防進水中一些轉重顆粒沉淀,又要防止速度過快造成柱內(nèi)水體紊動,影

11、響靜沉實驗效果。（2）取樣前,一定要記錄柱中水面至取樣口距離 H0（以 cm 計）。（3）取回時,先排除取樣管中積水再取樣,每次約取 300400ml。（4）測定懸浮物時,因顆粒較重,從燒杯取樣要邊攪邊吸,以保證兩平行水樣的均勻性,貼于移液管壁上的細小顆粒一定要用蒸餾水洗凈。五、成果整理（1）實驗基本參數(shù)整理實驗日期： 2017.4.15 水樣性質(zhì)及來源 污水廠沉淀柱直徑 D=14mm 柱高 H=2.00m水溫：20 原水懸浮物濃度 C0（mg/L）繪制沉淀柱草圖及管路連接圖。（2）實驗數(shù)據(jù)整理將實驗原始數(shù)據(jù)按表 2 整理,以備計算分析之用。表 2 實驗原始數(shù)據(jù)整理表沉淀高度（ cm） 1.2

12、00 1.185 1.170 1.155 1.140 1.125 1.110 1.095 1.08沉淀時間 (min) 0 2 5 10 15 20 30 40 60實測水樣 SS(mg/L) 2760 2620 1940 1370 990 610 460 380 210計算用 SS(mg/L) 2760 2620 1940 1370 990 610 460 380 210未被去除顆粒百分比 Pi 1 0.9493 0.7029 0.4964 0.3587 0.2210 0.1667 0.1377 0.0761去除顆粒百分比 0.0000 0.0507 0.2971 0.5036 0.6413

13、 0.7790 0.8333 0.8623 0.9239顆粒沉速 ui(mm/s) 10.0000 3.9500 1.9500 1.2833 0.9500 0.6250 0.4625 0.3042表中不同沉淀時間 ti 時,沉淀柱內(nèi)未被去除的懸浮物的百分比及顆粒沉速分別桉下式計算,未被去除懸浮物的百分比：PiCiC0100%式中,C0原水中 SS濃度值（mg/L）Ci某沉淀時間后,水樣中 SS濃度值（mg/L）（3）相應顆粒流速Hu (mm/s)。iti（4）以顆粒沉速 u 為橫坐標,以 P 為縱坐標,在普通直角坐標紙上繪制 P與 u 關系曲線。（5）利用圖解法列表（表 4-3）計算不同沉速時

14、,懸浮物的去除率。表 3顆粒去除率 計算序號 u0 P0 1-P0 P us usP (usP) (usP)/u0 =(1-P0)+ (us P)/u01 1.0000 0.00002 10.0000 0.9493 0.0507 0.0507 10.0000 0.5072 3.2935 0.3293 0.38013 3.9500 0.7029 0.2971 0.2464 6.9750 1.7185 2.7862 0.2786 0.57574 1.9500 0.4964 0.5036 0.2065 2.9500 0.6092 1.0677 0.1068 0.61045 1.2833 0.3587

15、 0.6413 0.1377 1.6167 0.2226 0.4585 0.0458 0.68726 0.9500 0.2210 0.7790 0.1377 1.1167 0.1537 0.2359 0.0236 0.80267 0.6250 0.1667 0.8333 0.0543 0.7875 0.0428 0.0822 0.0082 0.84168 0.4625 0.1377 0.8623 0.0290 0.5438 0.0158 0.0394 0.0039 0.86639 0.3042 0.0761 0.9239 0.0616 0.3833 0.0236 0.0236 0.0024 0

16、.9263(1 P0)usu0P（6）根據(jù)上述計算結果,以 為縱坐標,分別以 u 及 t為橫坐標,繪制 與 u、與 t 關系曲線。見圖3,4,5。六、思考題（1）自由沉淀中顆粒沉速與絮凝中沉淀顆粒沉速有何區(qū)別？自由沉淀和絮凝沉淀的沉淀條件不同, 以致他們的沉速存在區(qū)別。 自由沉淀過程中,顆粒彼此沒有干擾,只受到顆粒本身在水中的重力和水流阻力的作用,勻速下沉,下沉速度與沉淀高度無關且沉淀過程顆粒的物理性質(zhì)（如顆粒大小、間隔等）不發(fā)生改變。絮凝沉淀過程中,顆粒由于相互接觸絮凝而改變大小、形狀和密度,沉淀過程中軌跡呈曲線。（2）繪制自由沉淀靜沉曲線的方法及意義。本實驗通過測量不同沉淀時間所對應的懸浮物濃度和沉淀柱高度, 算出每個沉淀時間所對應的顆粒沉速 u 和未被去除顆粒百分比 P,繪制 P-u關系曲線圖。Pus0由 P-u 關系曲線圖算出積分 dP0 0uPu0s再通過公式 1 P dP求得00 0u懸浮物去除率 ,從而可以繪制 -u、-t 關系曲線圖。通過繪制自由沉降曲線, 可以了解顆粒自由沉淀的自由沉淀規(guī)律和特點, 沉淀效果,認識顆粒自由沉淀過程中沉淀時間、 顆粒沉