水污染控制工程实验指导书-上

1、水污染控制工程实验指导书编写人：张洁 李燕环测学院环境工程实验室编2012年9月10日水污染控制工程是环境工程的一门重要的专业必修课；本门课的核心内容为水污染控制工艺的原理及其工程设计，属于应用性较强的综合性课程。在课程的教学过程中，应该坚持理论与实际相结合的原则；实验课程主要包括混凝、沉降、吸附、离子交换、生化反应常数的测定、曝气设备的充氧能力测定、可生化性测定等单项实验，针对相应的污水水质进行工艺选择等综合实验。通过实验，使得学生加深对水处理工艺设备运行机理的理解，促进对污水处理工艺理论的掌握，培养学生在水污染控制工艺、原理与工程设计方面的创造性思维方式和分析问题并解决实际问题的能力。20

2、实验一 自由沉淀实验一、实验目的本实验采用中端取样法确沉降性能曲线，即沉降效率E随时间t的变化曲线（E-t曲线）和沉降效率E随沉降速度u的变化曲线（E-u曲线），以期达到以下目的：1. 熟练掌握中端取样法的实验原理及实验步骤；2. 加深理解沉淀的基本概念和污水中杂质的沉淀性能；3. 掌握总去除效率的确定方法；4. 为沉淀池的设计提供设计参数。二、实验原理浓度较稀的、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公式，但由于水中颗粒的复杂性，颗粒粒径、颗粒比重很难或无法准确地测定，因而沉淀效果、特性无法通过公式求得，而是要通过静沉实验确定。由

3、于自由沉淀时颗粒是等速下沉，下沉速度与沉淀高度无关，因而自由沉淀可在一般沉淀柱内进行，但其直径应足够大，一般应使D100mm以免颗粒沉淀受柱壁干扰。本实验采用中部取样法，即在一水深为H的沉淀柱内进行自由沉淀实验，取样位置设在有效水深为H的沉降柱中端H/2处，如图1-1所示。实验开始时，沉淀时间为0，此时沉淀柱内悬浮物分布是均匀的，即每个断面上颗粒的数量与粒径的组成相同，悬浮物浓度为C0（mg/l），此时去除率E=0。实验开始后，悬浮物在筒内的分布变得不均匀。不同沉淀时间ti，颗粒下沉到池底的最小沉淀速度ui相应为。严格来说，此时应将实验筒内有效水深H的全部水样取出，测量其悬浮物含量，来计算出t

4、i时间内的沉淀效率。但这样工作量太大，而且每个实验筒只能求一个沉淀时间的沉淀效率。为了克服上述弊病，又考虑到实验筒内悬浮物浓度随水深的变化，所以我们提出的实验方法是将取样口设在H/2处，近似地认为该处水样的悬浮物浓度代表整个有效水深内悬浮物的平均浓度。这样做在工程上的误差是允许的，而实验及测定工作也可以大为简化，在一个实验筒内就可以多次取样，完成沉淀曲线的实验。若原水中悬浮物浓度为C0，经t时间沉降后水样残留Ci，则沉降效率Ei为：；沉降速度为按某一特定沉降速度设计的沉淀池中，按上式计算所得的沉降效率只包括从水面到水深H处的水层中沉速的全部颗粒，而对的颗粒则没能计入。为清除计算误差，悬浮物总去

5、除效率采用下式计算：图 1-1 图 1-2注：图1-1、1-2中的纵坐标P表示水中残余悬浮物浓度与原水悬浮物浓度之比。 实际上沉淀时间ti内，由水中沉至池底的颗粒是由两部分颗粒组成，即沉速usu0的那一部分颗粒能全部沉至池底。除此之外，颗粒沉速usu0的那一部分颗粒，也有一部分能沉至池底。这是因为，这部分颗粒虽然粒径很小（沉速usu0），但是这部分颗粒并不都在水面，而是均匀地分布在整个沉淀柱的高度内，因此，只要在水面下，它们下沉至池底所用的时间能少于或等于具有沉速u0的颗粒由水面降至池底所用的时间ti，那么这部分颗粒也能从水中被除去。 沉速usu0的那部分颗粒虽然有一部分能从水中去除，但其中也

6、是粒径大的沉到池底的多，粒径小的沉到池底的少，各种粒径颗粒去除率并不相同。因此若能分别求出各种粒径的颗粒占全部颗粒的百分比，并求出该粒径在时间ti内能沉至池底的颗粒占本粒径颗粒的百分比，则二者乘积即为此种粒径颗粒在全部颗粒中的去除率。因此，分别求出usu0的那些颗粒的去除率，并相加后，即可得出这部分颗粒的去除率。 为了推求其计算式，我们首先绘制uP关系曲线，其横坐标为颗粒沉速u，纵坐标为未被去除颗粒的百分比P，如图1-2示。由图中可见， 故P是当选择的颗粒沉速由u1降至u2时，整个水中所能多去除的那部分颗粒的去除率，也就是所选择的要去除的颗粒粒径由d1减到d2时，此时水中所能多去除的，即粒径在

7、d1d2之间的那部分颗粒所占的百分比。因此当P间隔无限小时，则dP代表了小于di的某一粒径d占全部颗粒的百分比。 由于颗粒均匀分布，又为等速沉淀，故沉速为 us<u0的颗粒只有在h水深以内才能沉到池底。因此能沉至池底的这部分颗粒，占这种粒径的百分比为，而 由上述分析可见，dP反映了具有沉速uS颗粒占全部颗粒的百分比，而则反映了在设计沉速为u0的前提下，具有沉速uS（u0）的颗粒去除量占本颗粒总量的百分比。故 正是反映了在设计沉速为u0时，具有沉速为uS的颗粒所能去除的部分占全部颗粒的比率。利用积分求解所有us<u0这部分颗粒的去除率，则为 故某一特定沉降速度的沉淀池中，颗粒的总去除

8、率为 三、实验装置及设备（一） 实验装置本实验由沉淀柱、高位水箱、水泵和溶液调配箱组成。实验沉淀柱自溢流孔开始自上向下标刻度。图1-3自由沉淀实验装置图1、沉淀柱 2、水泵 3、水箱 4、支架 5、气体流量计 6、气体入口 7、排水口 8、取样口（二） 实验设备和仪器仪表1. 1000×1000×1000溶液调配水箱1个2. 水泵1台3. 输水管适量4. 沉降柱150×10001根5. 200mL烧杯若干6. 秒表1块7. 标尺1把8. 浊度仪1台四、实验步骤（一） 实验前准备工作1. 将浊度仪通电，预热使其工作稳定。2. 检查沉淀柱、进水泵、原水箱的管线连接，无

9、误后，以清水注入原水箱，并开动水泵将沉降柱、原水箱以及相应连接管道冲洗干净，排干积水后，关闭所有阀门。（二） 实验步骤1. 将废水倒入溶液调配水箱，搅拌5分钟使废水悬浮物分布均匀。2. 开启沉降柱进水阀门，用标尺计量水位到所需高度后，关闭进水阀门，按下秒表开始计时，同时取原水300-400mL，立即用浊度仪测定浊度，即C0，填入表1-1中。3. 经过1min、2min、3min、8min60min分别在中端取样，每次取样时先排出取样管中积水，再取样300-400mL。所得水样按先后顺序，分别用浊度仪立刻测定，并记入表1-1中。五、注意事项1. 进水前须将原水搅拌均匀；2. 取样时，须先排出取样

10、管中的积水，再取样；3. 开启取样阀门时，不宜开启度过大，只要能在短时间里把水样排出即可；4. 若原水样悬浮物含量较低，可把取样间隔时间拉长。六、实验结果分析和思考题1根据表1-1，计算各沉降时间下沉降速度ui和水中残留悬浮物浓度与原悬浮物浓度之比值Pi（Ci/C0），记入表 1-2，以颗粒沉淀速度u为横座标，以P为纵座标，绘制uP曲线。2利用图解积分法计算不同沉降速度时的总去除效率E，填入表 1-2，并绘制u- E、t-E关系曲线。3阐述绘制自由沉降曲线的意义。4对本实验有何改进意见？附表：实验结果记录格式 表1-1 自由沉淀实验记录表实验日期： 年 月 日取样序号间隔时间（min）静沉时间

11、t（min）水中残余悬浮物浓度C（NTU）表1-2 自由沉淀实验数据整理表静沉时间 t（min）水中残余悬浮物浓度C（NTU）沉降速度 （mm/min）水中残留悬浮物浓度与原水悬浮物浓度比Pi=Ci/C0沉降总效率E总（%）组员签名：实验二 混凝沉淀实验一、实验目的1、通过实验观察混凝现象，加深对混凝沉淀理论的理解；2、学会选择和确定最佳混凝工艺条件的基本方法； 3、测定计算反应过程的G值和GT值，是否在适宜的范围内。二、实验原理胶体颗粒带有一定电荷，它们之间的静电斥力是胶体稳定性的主要因素。胶体表面的电荷值常用电动电位表示，又称为Zeta电位。Zeta电位的高低决定了胶体颗粒之间斥力的大小和

12、影响范围。一般天然水中的胶体颗粒的Zeta电位约在-30mV以上，投加混凝剂之后，只要该电位降到-15mV左右即可得到较好的混凝效果。投加混凝剂的多少，直接影响混凝效果。投加量不足不可能有很好的混凝效果。同样，如果投加的混凝剂过多也未必能得到好的混凝效果。水质是千变万化的，最佳的投药量各不相同，必须通过实验方可确定。在水中投加混凝剂如A12(SO4)3、FeCl3后，生成的A13+、Fe3+化合物对胶体的脱稳效果不仅受投加的剂量、水中胶体颗粒的浓度影响，还受水的pH值影响。如果pH值过低(小于4)，则混凝剂水解受到限制，其化合物中很少有高分子物质存在，絮凝作用较差。如果pH值过高(大于9-10

13、)，它们就会出现溶解现象，生成负电荷的络合离子，也不能极好发挥絮凝作用。 投加了混凝剂的水中，胶体颗粒脱稳后相互聚结，逐渐变成大的絮凝体，这时，水流速度梯度G值的大小起着主要的作用。在混凝搅拌实验中，水流速度梯度G值可按下式计算： 式中：p单位体积水流所需功率，kg·m/s·m3； 水的动力粘滞系数，kg·s/ m2； G水流速度梯度，s-1。三、实验设备及试剂 1.六联搅拌机1台。 2. PH试纸。3. 光电浊度计1台。4. 温度计1支。5. 1000ml烧杯6个。6. 1ml、2ml、5ml、10ml移液管各一支。7. 200 ml烧杯1个，吸耳球等。8. 混

14、凝剂（硫酸铝，5%浓度）。9. 实验用原水。10.化学纯盐酸10%，化学纯NaOH溶液10%溶液。四、实验内容及步骤 1、熟悉六联搅拌装置的结构原理，并设定其操作程序。2、充分搅匀实验水样，然后用500ml烧杯取出适量水样，测定原水的浊度、PH值和水温。3、充分搅匀实验水样，用量筒量取1000ml水样，分别注入到1000ml的大烧杯中，然后将大烧杯逐个置于六联搅拌仪的各根搅拌轴下，并使搅拌轴及叶片处于大烧杯适中的位置。4、用移液管移取预先配制好的混凝剂溶液，依次注入各个小试管中，每个小试管中投放的混凝剂溶液量依次为：0.1、0.3、0.5、2、5、10ml。5、设定搅拌机工作程序，如表2-1，

15、然后启动搅拌机，表2-1 混凝-沉淀实验程序设定表阶段段数设定时间（min）搅拌转数（r/min）是否加药搅拌011260-3000混合021-3260-3001反应0336000435000534000633500733006、关闭搅拌机、静止沉淀15分钟，先放出一部分残留在取样口的溶液（取样时应注意不要搅动大烧杯中的水，以免使沉下的矾花重新浮起，影响残余浊度的测定结果），然后取150-200mL水样，测定其浊度，记于表2-2中。7、记录水样混凝过程中本实验设备的工艺参数值（速度梯度G值，GT值），记于表2-3中。注意事项：1、 实验过程中需记录水样的名称及浊度、pH值、温度等参数，同时记录

16、所使用混凝剂或助凝剂的种类和浓度以及混凝时的水流速度梯度等；2、 水样的浊度应取多次测量的平均值；3、 在最佳pH值实验中，用来测定pH值的水样，仍倒入原烧杯中；五、实验结果讨论 1根据最佳投药量实验曲线，分析沉淀原水浊度与混凝剂加入量的关系，并得出最佳投药量。 2本实验与水处理实际情况有哪些差别? 如何改进?3. 利用水的混凝机理，简要说明若进一步确定最佳pH值应如何进行实验。附录：实验结果记录格式实验日期: 混凝剂: 混凝剂浓度: 原水浊度: 原水 pH: 原水温度: 表2-2 最佳混凝剂投加量记录表水样编号123456投药量（mg/L）投药后pH值初矾花时间矾花沉淀情况剩余浊度表2-3

17、设备的工艺参数值阶段段数设定时间（min）搅拌转数（r/min）G值GT值搅拌011260-300混合021-3260-300反应0336004350053400633507330组员签名：实验三 活性炭吸附实验一、实验目的本实验采用活性炭间歇和连续吸附的方法通过本实验确定活性炭对水中所含某些杂质的吸附能力。希望达到下述目的：（1）掌握吸附实验的基本操作过程；（2）深化理解吸附过程的基本原理；（3）掌握吸附等温线及吸附等温式的物理意义及其应用功能；（4）掌握活性碳吸附实验的数据处理方法。二、实验原理活性炭处理工艺是运用吸附的方法来去除异味、某些离子以及难以进行生物降解的有机污染物。在吸附过程中

18、，活性炭比表面积起着主要作用。同时，被吸附物质在溶剂中的溶解度也直接影响吸附的速度。此外，pH 的高低、温度的变化和被吸附物质的分散程度也对吸附速度有一定影响。活性炭对水中所含杂质的吸附既有物理吸附现象，也有化学附着作用。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附着。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状态时，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

19、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为qe，即吸附容量可按下式计算qe的大小除了决定于活性炭的品种之外，还与被吸附物质的性质、浓度、水的温度及pH 值有关。描述吸附容量qe与吸附平衡时溶液浓度C的关系有Langmuir、BET和Fruendlieh吸附等温式。在水和污水处理中通常用Fruendlich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，即式中：K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；C吸附平衡时的溶液浓度(mg/L)。这是一个经验公式，通常用图解方法求出

20、K，n的值为了方便易解，往往将上式变换成线性对数关系式式中：C0水中被吸附物质原始浓度(mg/L)；C被吸附物质的平衡浓度(mg/L)；m活性炭投加量(g/L)。通过吸附实验，可确定活性碳的吸附速率、吸附量、吸附等温式中的有关常数，并可以此来选择合理的活性碳种类及吸附等温式的形式，为活性碳吸附处理方法在水和废水处理中的应用提供可靠的理论依据。三 实验装置与设备(一) 实验装置因时间关系，本实验以间歇实验操作部分。采用在三角瓶内装有一定数量的活性碳和水样进行振荡的方法进行实验操作。(二) 实验设备及仪器仪表1振荡器 1 台2pH 计 1 台3活性炭 2kg 4721分光光度计 1台5 250ml

21、和500ml三角烧瓶 若干6亚甲基兰 若干7分析天平 1台8温度计 刻度0100 1 支9容量瓶（1000ml）、移液管（5ml、10ml） 若干10布氏漏斗、定量滤纸四 实验步骤（一）实验准备（1）仪器设备的调试；（2）水样的配制；在电子天平上准确（准确至小数点后4位）一定量的亚甲基兰试剂，用蒸馏水配成较高浓度（300mg/L）的亚甲基兰溶液。用721型分光光度计测得吸收与波长的关系（以蒸馏水作空白液），确定产生最大吸收峰的波长。将准备的亚甲基蓝溶液用容量瓶按一定的比例进行稀释，配成浓度不同的系列溶液，并将此系列溶液在721分光光度计上进行适合浓度的调试，得出适宜的原水样标准液的浓度值，然后

22、，绘制吸收量（用吸光度或透光率表示）与亚甲基蓝水溶液浓度（mg/L）的关系曲线，即为标准曲线。（3）颗粒或粉末活性碳称量。用方块硫酸纸在分析天平上准确称量经过烘干（烘箱，105）恒重的颗粒活性碳或180目以下的粉末活性碳20.00、40.00、80.00、120.00，160.00、200.00mg备用。2、吸附动力学实验（1）分别将250ml预先配制的一定浓度的亚甲基兰溶液置于8个500ml的三角烧瓶内； （2）将上述8个三角烧瓶置于振荡器上，用紧固器将它们牢牢固定；（3）同时向上述8个三角烧瓶加入经烘干并准确称量的颗粒装活性碳400mg。活性碳加入后，将三角烧瓶密封并立即开启振荡器进行剧烈振荡并同时开始计时；（4）在5、10、15、20、25、40、60、90min时各从振荡器上取下一个三角烧瓶。所取下的三角烧瓶立即进行静置沉淀（如采用粉末活性碳，则需要使用离心机进行离心分离处理），取上清液并利用721