水污染控制工程实习讲义

水污染控制工程实习讲义环境科学与工程系厦门大学嘉庚学院实验一混凝沉淀实验实验目的：通过本实验，加深对混凝机理的理解，了解影响混凝沉淀的主要因素；通过实验，确定给定所配水样的混凝剂最佳投药量；认识几种混凝剂，掌握其配制方法。实验原理：水中粒径小的悬浮物以及胶体物质，由于微粒的布朗运动，胶体颗粒间的静电斥力和胶体的表面物质，致使水中这种含浊状态稳定。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Zeta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。混凝是水处理工艺中十分重要的一个环节。所处理的对象，主要是水中悬浮物和胶体物质。混合和反应是混凝工艺的两个阶段，投药是混凝工艺的前提，选者性能良好的药剂，创造适宜的化学和水利条件，是混凝的关键问题。由于各种原水有很大差别，混凝效果不尽相同。混凝剂的效果不仅取决于混凝剂投加量，同时还取决于水的pH值、水流速度梯度等因素。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。设备及用具：定时变速六联搅拌机；HS酸度计；WG光电浊度仪；1000mL烧杯、洗耳球、移液管；硫酸铝、氯化铁、蒸馏水；水样。注意事项：1．在搅拌过程中，注意观察并记录矾花的形成、外观、大小、密实程度、沉降性能等；2．因投药量少，所以要用洗瓶将加药管内的残余药液洗至水样杯内以免影响投药量的精确度；３．吸取上清液时，要用相同条件吸取上清液，不要把沉下去的矾花搅带上来，以免影响测量效果。步骤及纪录：测定原水水温、浊度；认真了解六联搅拌机的使用方法；分别量取原水样600mL于六个1000mL烧杯中，置于搅拌机下；选用一种混凝剂，用移液管分别量取不同量药液于搅拌机的加药试管中；试管编号１２３４５６投药量mL开机，并调整搅拌机转速，至150转／分左右，待转速稳定后将投药管内的药剂投入水样杯中，并从投药那一刻开始计时，150~180转／分，1分钟，100~120转／分，5分钟60~80转／分，10分钟搅拌完成达设定时间后，停机。水样杯静沉15—20分钟；注意：不要将水样杯摇动以带起或搅动矾花。静沉后，用移液管吸取上清液，测残余浊度，将结果填入下表。实验结果整理：1．原水水温：2．原水浊度：3．残余浊度：水样杯号１２３４５６投药量mL/mgL残余浊度矾花形成及沉淀过程描述以投药量为横坐标，剩余浊度为纵坐标绘制曲线，剩余浊度(度)投药量（mg/L）投药量与剩余浊度关系曲线；实验讨论：１．根据本实验所给定的条件，计算出最佳投药量及适用范围。２．根据实验结果及实验中所观察到的现象，简述影响混凝效果的几个主要因素。３．为什么投药量大时，混凝效果不一定好？实验二充氧曝气实验实验目的：1．加深理解曝气充氧的机理及影响因素。2．了解掌握曝气设备清水充氧性能测定的方法。3．测定几种不同形式的曝气设备氧的总转移系数KLas，充氧能力Qc，氧利用率η％等，并进行比较。实验原理：曝气是活性污泥系统的一个重要环节，它的作用是向池内充氧，保证微生物生化作用所需之氧，同时保持池内微生物、有机物、溶解氧，即泥、水、气三者的充分混合，为微生物降解创造有利条件。因此了解掌握曝气设备充氧性能，不同污水充氧修正系数a、B值及其测定方法，不仅对工程设计人员、而且对污水处理厂（站）运行管理人员也至关重要。此外，二级生物处理厂（站）中，曝气充氧电耗占全厂动力消耗的60—70％，因而高效省能型曝气设备的研制是当前污水生物处理技术领域面临的一个重要课题。因此本实验是水处理实验中的一个重要项目，一般列为必开实验。一、曝气设备清水充氧性能测定曝气是人为地通过一些设备加速向水中传递氧的过程，常用的曝气设备分为机械曝气与鼓风曝气两大类，无论哪一种曝气设备，其充氧过程均属传质过程，氧传递机理为双膜理论，如图3-43示在氧传递过程中，阻力主要来自液膜，氧传递基本方程式为：（3-58）式中——液体中溶解氧浓度变化速率mg/L·min；CS－C——氧传质推动力，mg／L；CS——液膜处饱和溶解氧浓度，mg/L；C—一液相主体中溶解氧浓度，mg／L；——氧总转移系数；DL——液膜中氧分子扩散系数；YL——液膜厚度A——气液两相接触面积；W——曝气液体体积。由于液膜厚度YL和液体流态有关，而且实验中无法测定与计算，同样气液接触面积A的大小也无法测定与计算，故用氧总转移系数KLa代替。将式（3-58）积分整理后得曝气设备氧总转移系数KLa计算式。(3-59)式中KLa——氧总转移系数。1/min或1/h；t0、t——曝气时间，min；C0——曝气开始时池内溶解氧浓度，t0＝0时，C0＝0，mg／L；CS——曝气池内液体饱和溶解氧值，mg／L；Ct——曝气某一时刻t时，池内液体溶解氧浓度，mg／L。由式中可见，影响氧传递速率KLa的因素很多，除了曝气设备本身结构尺寸，运行条件而外，还与水质水温等有关。为了进行互相比较，以及向设计、使用部门提供产品性能，故产品给出的充氧性能均为清水，标准状态下，即清水（一般多为自来水）一个大气压20℃下的充氧性能。常用指标有氧总转移系数Klas充氧能力Qc、动力效率E和氧利用率η曝气设备充氧性能测定实验，一种是间歇非稳态法，即实验时一池水不进不出，池内溶解氧浓度随时间而变；另一种是连续稳态测定法，即实验时池内连续进出水，池内溶解氧浓度保持不变。目前国内外多用间歇非稳态测定法，即向池内注满所需水后，将待曝气之水以无水亚硫酸钠为脱氧剂，氯化钻为催化剂，脱氧至零后开始曝气，液体中溶解氧浓度逐渐提高。液体中溶解氧的浓度C是时间t的函数，曝气后每隔一定时间t取曝气水样，测定水中溶解氧浓度，从而利用上式计算KLa值，或是以亏氧量（CS－Ct）为纵坐标，在半对数坐标纸上绘图，直线斜率即为KLa值。设备及用具1．鼓风曝气清水充氧设备（包括一体式膜生物反应器和接触氧化池的充氧曝气设备）。2.水中溶解氧测定设备、秒表、温度计等。3.无水亚硫酸钠、氯化钴等。步骤及记录：鼓风曝气清水充氧实验步骤：1．往柱内注人清水，测定水样体积V和温度，测定水中溶解氧值，计算池内溶氧量G=DO·V。2．计算投药量：（1）脱氧剂采用无水亚硫酸钠。根据2Na2SO3+O2=2Na2SO4则每次投药量g=G×8×(1.1～1.5)。1.1～1.5值是为脱氧安全而取的系数，本实验取1.5。（2）催化剂采用氯化钻，清水中有效钴离子浓度以0.4mg／L为好，一般使用氯化钴（CoCl2·H2O），因为CoCl2·H2O/Co2+=238/59≈4.0所以单位水样投加钴盐量为CoCl2·H2O0.4×4.0=1.6VV为水样体积，m3。将称得的药剂用温水化开，由池顶倒人池内，约10min后，取水样、测其溶解氧。3．当水中溶解氧为零后，打开气泵开始曝气，并记录时间；同时每隔一定时间（lmin）取一次样，测定溶解氧值，连续取样10一15个；而后，拉长间隔，直至水中溶解氧不再增长（达到饱和）为止；随后，关闭进气阀门。4．实验中计量风量、室外温度。并观察曝气时柱内现象。[数据处理]水温_______；水样体积_______；Cs=_______；亚硫酸钠用量________；氯化钴用量_______。表3-40水中溶解氧测定记录表时间DO(mg/L)时间DO(mg/L)时间DO(mg/L)1．参数选用因清水充氧实验给出的是标准状态下氧总转移系数KLas。，即清水（本次实验用的是自来水）在一个大气压，20℃下的充氧性能，而实验过程中曝气充氧的条件并非是一个大气压，20（1）温度修正系数(3-60)修正后的氧总转移速率为（3-61）此为经验式，它考虑了水温对水的粘滞性和饱和溶解氧值的影响，国内外大多采用此式，本次实验也以此进行温度修正。（2）水中饱和溶解氧值的修正由于水中饱和溶解氧值受其中压力和所含无机盐种类及数量的影响，所以式（3－59）中的饱和溶解氧值最好用实测值，即曝气池内的溶解氧达到稳定时的数值。另外也可以用理论公式对饱和溶解氧标准值进行修正。用埃肯费尔德公式进行修正。（3－62）式中Pb——空气释放点处的绝对压力；(3-63)Pa——0.1MPaH——空气释放点距水面高度，m；Qt——空气中氧的克分子百分比；(3-64)η％——曝气设备氧的利用率，％。则式（3－59）中饱和溶解氧值CS应用下式求得：CSm＝CS·P（3-65）式中CSm——清水充氧实验池内经修正后的饱和溶解氧值，mg／L；CS——1个大气压下某温度下氧饱和浓度理论值，mg／L；P——压力修正系数。有实测饱和溶解氧值用实测值，无实测值可采用理论修正值。2．氧总转移系数KLas氧总转移系数KLas是指在单位传质推动力的作用下，在单位时间、向单位曝气液体中所充入的氧量。它的倒数1/KLas单位是时间，表示将满池水从溶解氧为零充到饱和值时所用时间，因此KLas是反映氧传递速率的一个重要指标。KLas的计算首先是根据实验记录，或溶解氧测定记录仪的记录和式（3-59），按表3-41计算，或者是在半对数坐标纸上，以（CSm－Ct）为纵坐标，以时间t为横坐标绘图求KLa值。表3－41氧总转移系数KLa计算表t-t0(min)Ct(mg/L)CS-Ct(mg/L)KLa(min)求得KLa值后，利用式（3-61）求得KLas值。3．充氧能力Qc充氧能力是反映曝气设备在单位时间内向单位液体中充入的氧量。Qc＝KLas·CSkg（O2）/h·m3（3-66）式中KLas——氧总转移系数（标准状态）1/h或l/min；CS——l个大气压，20℃时氧饱和值，CS4．动力效率E(3-67)E是指曝气设备每消耗一度电时转移到曝气液体的氧量。由此可见，动力效率将曝气供氧与所消耗的动力联系在一起，是一个具有经济价值的指标，它的高低将影响到活性污泥处理厂（站）的运行费用。式中N——理论功率，即不计管路损失，不计风机和电机的效率，只计算曝气充氧所耗有用功。(3-68)式中Hb——风压，m；Qb——风量，m3／h。（3-69）由于供风时计量条件与所用转子流量计标定时的条件相差较大，而要进行如上修正。式中Qb0——仪表的刻度流量m3／h；Pb0——一标定时气体的绝对压力，0.1MPa；Tb0———标定时气体的绝对温度，293°TPb——气体的实际绝对压力MPa；Tb——被测气体的实际绝对温度，273°＋t℃；Qb——修正后的气体实际流量，m3／h。5．氧的利用率(3-70)式中Q——标准状态下（1atmi、273°T时）的气量。（3-71）Qb、Tb、Pb——意义同前；Pa——1atm；Ta——273K；0.28kg/m3——标准状态下一立方米空气中所含氧的重量。注意事项：1．每个实验所用设备、仪器较多，事前必须熟悉设备、仪器的使用方法及注意事项。2．加药时，将脱氧剂与催化剂用温水化开后，加入到储水池中，搅拌均匀，再进水。3．实测饱和溶解氧值时，一定要在溶解氧值稳定后进行。4．水温、风温（送风管内空气温度）宜取开始、中间、结束时实测值的平均值。思考题：1．论述曝气在生物处理中的作用。2．曝气充氧原理及其影响因素是什么？3．曝气设备类型、动力效率、优缺点是什么？4．氧总转移系数KLa的意义是什么？5．曝气设备充氧性能指标为何均是清水？标准状态下的值是多少？6．鼓风曝气设备与机械曝气设备充氧性能指标有何不同？实验三过滤实验实验目的：1、了解普通快滤池过滤、反冲洗的工作原理，加深对过滤基本规律的理解。2、了解滤速、反冲洗强度、滤层膨胀率、出滤水浊度变化、清洁滤层水头损失、滤层膨胀率之间的关系。实验原理：快滤池滤料层能截留粒径远比滤料空隙小的水中杂质，主要通过接触絮凝作用，其次为筛滤作用和沉淀作用。欲得到水质较好的滤后水，除了滤料组成需符合要求外，滤前投加絮凝剂也是必需的。当过滤水头损失达到最大允许水头损失时，滤池需进行反冲洗。少数情况下，虽然水头损失未达到最大允许值，但如果滤池出水浊度超过规定值，也需要进行反冲洗，反冲洗强度需满足底部滤层恰好膨胀的要求。为了保证滤池的出水水质，常规滤前水浊度不宜超过10～15度。本实验采用投加混凝剂的直接过滤，进水浊度可以高达几十甚至百度以上。因原水加药较少，混合后不经充分絮凝反应直接进入滤池，形成矾花粒径小、密度大，不易穿透，故允许进水浊度较高。实验设备及用具：1、过滤实验柱，石英砂；2、PHS-3C精密酸度计；3、SGZ-2P微机浊度仪；4、1000mL烧杯、1000mL量筒、洗耳球、移液管、温度计、秒表；5、10g/LFeCl3、蒸馏水；6、水样。实验步骤及记录：测定原水水温、浊度、pH值，测量过滤实验柱的相关数据，并分别填入表一和表二；表一原水的相关数据原水水温浊度pH表二滤柱的相关数据滤柱内径（cm）过滤水头高度（cm）滤料名称滤料厚度（cm）2、将滤柱倾倒后装填滤料，装填高度约为20cm冲洗完毕后将冲洗水从滤柱下端的出水口排出（尽可能把水全部排出），同时观察滤层的分层情况。连接滤柱上端的进水管开始进水，控制进水流量，使液面高度保持在进水管口位置；分别测定开始过滤后的1min、2min、3min、4min、5min、7min、10min…..的出水的浊度和流量，将结果填入表三；表三过滤记录表时间（min）出水流量(ml/s)进水浊度出水浊度去除率（％）17210345将水样排出，同步骤1中的管路连接方式用自来水保持一定的冲洗流量进行反冲洗，注意观察反冲洗过程中不同的反冲洗强度对滤层膨胀率的影响。并分别测定开始冲洗后的1s、10s、30s、1min、2min的出水的浊度，将结果填入表四。表四反冲洗记录冲洗水量(L/s)冲洗强度(L/m2·s)滤层膨胀率时间出水浊度反冲洗完毕后，将水排尽，然后连接管路，在水样中加入一定量的混凝剂（氯化铁），然后用泵提升进入滤柱中重新进行过滤实验，操作同步骤3，将数据记录在表五中．并与步骤3中的实验结果进行比较。表五过滤记录表时间（min）出水流量(ml/s)投药量（mg/L）进水浊度出水浊度去除率（％）12345完成过滤实验后，将实验器材清理干净后摆放整齐。实验注意事项：1、实验过程管路的连接要正确，对进出水管施力时切勿用力过猛，接口处要连接紧密，防止渗漏。2、在进行反冲洗时，冲洗强度应当适中，强度过大会将滤料的上层细砂带走，造成滤料的损失，影响过滤效果，强度过小则反冲洗效果不佳。实验讨论：1、滤层内有空气泡时对过滤和反冲洗有何影响？2、当原水浊度一定时可采取哪些措施来降低出水浊度？3、反冲洗时滤料自行分层的原理是什么？实验四活性炭吸附实验实验目的：1、了解活性炭的吸附工艺及性能；2、掌握用静态法和动态法确定活性炭处理印染废水的方法。3、掌握用亚甲基蓝水溶液吸附法测定颗粒活性炭的比表面积。实验原理：吸附是发生在固－液（气）两相界面上的一种复杂的表面现象，它是一种非均相过程。大多数的吸附过程是可逆的，液相或气相内的分子或原子转移到固相表面，使固相表面的物质浓度增高，这种现象就称为吸附；已被吸附的分子或原子离开固相表面，返回到液相或气相中去，这种现象称为解吸或脱附。在吸附过程中，被吸附到固体表面上的物质称为吸附质，吸附吸附质的固体物质称吸附剂。活性炭是一种由含炭材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔。活性炭主成分除了碳元素以外还有氧、氮、氢等元素及灰份。常见的活性炭有颗粒状、粉状两种。活性炭吸附的作用产生于两个方面：一方面是由于活性炭内部分子在各个方面都受着同等大小力而在表面的分子则受到不平衡的力，这就使其他分子吸附于其表面上，此过程为物理吸附；另一方面是由于活性炭与被吸附物质之间的化学作用，此过程为化学吸附。活性炭的吸附是上述两种吸附综合作用的结果。当活性炭在溶液中吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内活性炭吸附的数量等于解吸的数量时，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，而达到了平衡，此时的动态平衡称为活性炭吸附平衡。活性炭的吸附能力以吸附量q表示。式中：q－活性炭吸附量，即单体质量的吸附剂所吸附物质质量，g/g；V—污水体积，L；C0、C—分别为吸附前原水及吸附平衡时污水中的物质浓度，g/L；X—被吸附物质质量，g；M—活性炭投加量，g。实验设备及用