活性污泥比阻的测定实验报告

一、实验目的1.通过实验掌握污泥比阻的测定方法；2.掌握用布氏漏斗实验选择混凝剂；污泥比阻是表示污泥过滤特性的综合性指标，它的物理意义是：单位质量的污泥在一定压力下过滤时在单位过滤面积上的阻力。求此值的作用是比较不同的污泥(或同一污泥加入不同量的混合剂后)的过滤性能。污泥比阻愈大，过滤性 3)C:获得单位体积滤液所得的滤渣体积。如以滤渣干重代替滤渣体积，单位质量污泥的比阻代替单位体积污泥的比阻，则(1-3)式可改写为1为cm/g。在定压下，在积分界线由0到t及0到V内对式(1-4)积分，可得：根据液体平衡Qo=Qy+Qa根据固体平衡Q₀C₀=Q,Cy+QaCaO,污泥固体滤饼量，mL。代入式(1-7),化简后得：(g滤饼干重/mL滤液)(1-8)上述求C值的方法，必须测量滤饼的厚度方可求得，但在实验过程中测量滤2例如污泥含水比97.7%,滤饼含水率为80%。一般认为比阻在10⁹~10l⁰s²/g的污泥算作难过滤的污泥，比阻在(0.5~三、实验内容3.1实验设备与试剂筒1个，真空泵1台，布氏漏斗1个，真空表1块，秒表1个。实验装置如图3-1所示。3(1)测定污泥的含水率，求出其固定浓度Co;(2)配制FeCl₃(10g/L)混凝剂；(3)用FeCl₃混凝剂调节污泥(每组加一种混凝剂),加量分别为干污泥质量的0%(不加混凝剂、2%、4%、6%、8%、10%;(4)在布氏漏斗上(直径65～80mm)放置滤纸，用水润湿，贴紧周底；(5)开动真空泵，调节真空压力，大约比实验压力小1/3[实验时真空压力采用266mmHg(35.46kPa)或532mmHg(70.93kPa)]关掉真空泵；(6)6.加入100mL需实验的污泥于布氏漏斗中，开动真空泵，调节真空压力至实验压力；达到此压力后，开始起动秒表，并记下开动时计量管内的滤液V₀;(7)每隔一定时间(开始过滤时可每隔10s或15s,滤速减慢后可隔30s或60s)记下计量管内相应的滤液量；(8)一直过滤至真空破坏，如真空长时间不破坏，则过滤20min后即可停止；(9)关闭阀门取下滤饼放人称量瓶内称量；(10)称量后的滤饼干105℃的烘箱内烘干称量；(11)计算出滤饼的含水比，求出单位体积滤液的固体量Co。4实验温度28℃混凝剂FeCl₃污泥含水率98%实验压力0.05MPa混凝剂浓度10g/L布氏漏斗内径7.00cm1.布氏漏斗实验数据记录表4-1布氏漏斗实验数据1混凝剂投加量：0%时间/s计量管滤液量V'/mL0085表4-2布氏漏斗实验数据2混凝剂投加量：2%时间/s计量管滤液量V/mL滤液量V=V'-V0/mL006表4-3布氏漏斗实验数据3混凝剂投加量：4%时间/s计量管滤液量V/mL007表4-4布氏漏斗实验数据4混凝剂投加量：6%时间/s计量管滤液量V/mL008表4-5布氏漏斗实验数据5混凝剂投加量：0%时间/s计量管滤液量V/mL滤液量V=V'-V0/mL0099表4-6布氏漏斗实验数据6混凝剂投加量：10%时间/s计量管滤液量V/mL002.滤饼称量前后实验数据表4-7滤饼称量前后实验数据混凝剂投加量/%024滤纸+称量瓶质量烘干前滤纸滤饼+称量瓶质量/g烘干后滤纸滤饼+称量瓶质量/g滤饼湿重/g干污泥质量/g滤饼含水率/%五、数据处理与分析因此，欲求得污泥比阻α,必须先求得b、C及K值。1.绘制t/V-V曲线根据表4-1至表4-6的数据，以t/V值为纵坐标、V值为横坐标，绘制不同混凝剂浓度下的t/V-V曲线如图5-1所示。V(mL)对图5-1中曲线中间部分个别明显不符合实验规律(即明显偏离直线)的数据点进行剔除后，绘制修正后的t/V-V曲线如图5-2所示。图5-2不同混凝剂浓度下的t/V-V曲线(修正)(1)由图5-2可以观察到：①任一曲线的前小半段波动较大，且多数曲线的前小半段往上翘，斜率呈逐渐下降趋势；②曲线中间部分数据较为稳定，实验数据点成明显的线性关系；③曲线的后一小半段向上翘起，成为一条切线斜率逐渐增大的上升曲线。(2)对上述现象可作分析如下：①在过滤初期，滤饼刚刚形成，厚度较小，因此单位时间内滤液较多，冲击到计量筒液面，读数波动较大；实验中，将真空压力调至0.05MPa需要一定时间，在实验刚开始时真空压力并未达到0.05MPa,此时的过滤压力偏小，过滤速度偏小，因而t/V比理论值偏大，导致曲线往上翘。②一段时间后，真空压力稳定在0.05MPa,此时滤饼层厚度也已增大，滤液生成量稳定，对污泥过滤的毛细管理论符合条件较好，污泥过滤进入稳定阶段，此时读数比较准确，这一段的曲线可用于实验计算分析。③实验进行到最后阶段，由于污泥中的自由水急剧减少，过滤阻力达到最大，此时实验的真空度也已轻微破坏，过滤压力减小，过滤速度也随着减小，因此t/V-V曲线急剧向上翘起。(3)从图5-2也可得出结论：对任一t/V-V曲线而言，随滤液体积的增大其过滤脱水阻力不断增大，表现为曲线随V增大呈不断上升趋势。这主要是过滤时滤饼不断增厚的结果。(1)有效数据点的选取根据对图5-2的分析，我们可知，对t/V-V曲线进行线性拟合应选择曲线中间呈线性相关的部分。在本次实验中，对每一条t/V～V曲线的有效数据点选取采用①去除曲线前段明显波动的2~3个数据点；②去除曲线末端往上上升的2~3个数据点；③去除曲线中间部分明显偏离直线的个别数据点。具体选择范围如表5-1所示。表5-1t/V～V曲线图中有效数据点选取范围混凝剂投加量首端体积/mL末端体积/mL(2)t/V-V曲线的线性拟合根据表5-1所选取的数据进行线性拟合，结果如图5-3所示，拟合方程相关参数如表5-2所示。t/V(s/t/V(s/mL)图5-3不同混凝剂浓度下的t/V-V曲线线性拟合结果表5-2线性拟合方程参数混凝剂投加量0.949770.975270.997530.004480.004550.00452从表5-2可知，各t/V-V曲线所取数据的线性拟合相关系数R²仅有两个达到了0.99以上，极其接近1,有较好的线性拟合效果；有两组实验的线性拟合相关系数R²仅达到0.94,线性拟合效果较差，对应实验的实验数据准确度不高，这可能是由拟合直线的斜率，可得b值分别为0.00999smL-2、0.00187smL-2、0.00420smL-2、0.00448smL-2、0.00455smL-2和0.00452smL-2。从实验原理部分我们知道，C值(即获得单位体积滤液所得的滤渣干重)的求解可用测滤饼含水率比的方法进行，公式如下：以混凝剂投加量为0%的实验数据组为例进行计算。由表4-7可知，其污泥含水率为98%,滤饼含水率为77.58%,C值为同理，可对其他组数据的C值进行求解，结果如表5-3所示。混凝剂投加量22222240.490.021750.021410.021350.021430.021631.3K值求解前面已计算得到b值和C值，欲计算污泥比阻α,还需对K值进行计算，K值的大小与混凝剂投加量无关，其计算公式如下：(1)过滤压力p(2)过滤面积F过滤面积的确定和计算，历来有各种不同的意见。有人认为有效面积是布氏漏斗地面积的75%,也有人认为布氏漏斗整个底面积都是有效的。在过滤中，起主要分离作用的是滤饼层，而不是过滤介质。滤饼层的面积可以布氏漏斗的整个底面积来计算，因此本实验中过滤面积F取布氏漏斗底面积。(3)滤液动力粘滞系数μ水的动力粘滞系数与水温有关，可采用水力学中的经验公式进行计算。μ=1.002×10-³×exp[-0.035×(28-20)]=0.757×10-3Pa·s因此1.4α值求解=9.149×10⁶s²/g同理，可求得其他组数据的污泥比阻，结果如表5-4所示。1.5最佳投药量确定以污泥比阻α为纵坐标、混凝剂投加量为横坐标，绘图求解使得污泥脱水性能最好的混凝剂投药量，如图5-4所示。混凝剂投加量(%)图5-4污泥比阻与混凝剂投加量关系曲线(1)由图5-3可以观察到：①未加入混凝剂时，污泥比阻为9.149×10⁶s²/g,投加混凝剂后，污泥比阻最高值出现在投加量为8%时，比阻值为4.229×10⁶s²/g,比未投加混凝剂情况下的比阻降低了一半以上，说明加入FeCl₃混凝剂对污泥比阻降低有良好效果。②混凝剂投加量从0%增加到2%阶段，污泥比阻急剧降低，污泥过滤脱水性能显著增强；混凝剂投加量从2%增加到4%阶段，污泥比阻较快上升，此时污泥脱水性能反而下降；混凝剂投加量从4%增加到8%阶段，污泥比阻缓慢上升，但上升趋势不明显，污泥脱水性能比混凝剂投加量为4%时稍微下降；混凝剂投加量从8%增加到10%,污泥比阻略有下降，但下降程度也不明显。因此，在本实验条件下可认为，随着混凝剂投加量的增加，污泥比阻先是急剧降低而后较快上升，当继续投加混凝剂，污泥比阻整体呈上升趋势，但上升趋势不明显。本实验存在最佳投药量，低于或高于这个最佳投药量，污泥脱水效果较差。实验条件下的混凝剂最佳投药量为占污泥干重的2%,此时污泥脱水过程的比阻最低，过滤脱水性能最好。(2)分析原因当加入混凝剂时，在吸附架桥和压缩双电层作用下，增大了污泥絮体内部的污泥中的固体颗粒因吸附了聚合物而带上正电荷，胶体颗粒因电荷排斥而重新分散稳定，絮体结合程度降低，ζ电位上升，导致过滤脱水效果下降。当混凝剂量达到一定程度时，污泥中的胶体颗粒的结合程度和ζ电位都达到较为稳定的状态，此时再增加药剂量，对污泥的过滤脱水性能影响较小。(1)实验中真空调节阀的灵敏度不高，将实验压力调节到0.05MPa往往需要较长时间，导致实验前30s的较大部分数据由于过滤压力不足而不符合实验规律。(2)实验中为了准确测得干污泥质量，将滤饼和滤纸一起进行烘干，而滤纸本身也带有一定的水分，这部分水分在之后的计算中被计为滤饼的水分，将使测得的滤饼含水率偏大。(3)在实验初期，由于单位时间的滤液量较多，冲击到计量筒液面，导致液面起伏不平，影响读数的准确，因而实验初始时的数据会有少许波动，无法应用于实验计算。(4)实验中，利用量筒称取等量的污泥，虽然在每次倒出污泥之前都有进行充分摇匀，但量筒内仍留有少量的污泥颗粒，残留的这小部分污泥将导致污泥固体浓度偏小。对于相同种类的污泥，如果污泥固体浓度不同，实验得到的比阻值也会不同，因此污泥固体浓度偏小将对比阻的测量产生影响。(5)由于每次实验所需时间受滤纸准备、实验过滤、仪器整理等因素的影响，每一次的实验用时不确定性较高，而污泥中混凝剂的添加和搅拌是在上一次实验未完成时就开始准备的，因此，污泥添加混凝剂后可能会放置较长时间。污泥加药后放置过久，由于沉淀和过滤的共同作用，也会影响到曲线的形状，从而影响到b值。(6)实验中没有严格控制每次添加混凝剂后污泥的搅拌时间和搅拌速度，将对污泥中絮体的形成产生一定影响，从而影响到污泥的过滤脱水性能。1.污泥过滤脱水性能的影响因素(1)污泥的种类和性质污泥的性质将直接影响污泥脱水效果，污泥中污泥颗粒粒径的大小及其分布决定过滤脱水的难易程度和好坏。试验证明：城市污水厂初沉污泥较易脱水，剩余活性污泥较难脱水，其混合污泥的脱水性能介于两者之间。此外，污泥中的有机物含量及污泥颗粒大小还直接影响化学药剂的投加量。(2)过滤压力城市污泥随着过滤压力的增加，污泥比阻值也随之增加，其结果对过滤是否有利，与物料的压缩性及压力值的合适与否有关。一般来说，真空度越高，滤饼厚度越大，含水率越低。但由于滤饼加厚，过滤阻力增加，不利于过滤脱水。压力增大，使动力消耗会增加，从而污泥处理成本提高。因此，污泥过滤脱水时必须选择适当的压力。过滤压力对比阻的影响较大，在试验中发现污泥的比阻随过滤压力的升高而增大，在污泥比阻试验时，真空过滤的压力在0.04MPa-0.06Mpa之间比较合适。(3)混凝剂的种类和投加量不同种类混凝剂对污泥比阻的降低效果不同，不同脱水方式需采用不同的混凝剂，如真空过滤脱水，采用高分子混凝剂的效果较好，离心脱水时，不宜采用无机混凝剂。混凝剂的投加量也对污泥脱水性能有较大影响，随着混凝剂投加量的增加，污泥比阻变小，每种混凝剂各有一个最佳量，超过这个量，污泥比阻就会上升，脱水性能变差。(4)过滤介质过滤介质的性能影响着过滤压力、过滤产率、滤液悬浮物浓度、固体回收率及滤饼的剥离性能，过滤机械不同，采用的过滤介质也不同。如真空过滤和压滤脱水机械中，主要采用织物制品。滤布不同，过滤后，滤饼脱落的难易程度不同。(5)搅拌时间搅拌时间不足，混凝剂加入后形成的絮体不充分，导致比阻值增大。搅拌时间过长，絮体遭到破坏，脱水效果下降。在实际生产中应该通过试验确定较为合适的快速搅拌强度范围及时间。2.用于污泥调理的混凝剂种类(1)无机混凝剂无机混凝剂是一种电解质化合物，主要有铝盐(硫酸铝、明矾及三氯化铝等)和铁盐(三氯化铁、绿矾及硫酸铁等),以往主要采用以石灰、铝盐、铁盐等无机混凝剂为主要添加剂的加药法。各类无机混凝剂离解得到的阳离子带正电荷，与污泥颗粒上负电荷互相吸引并中和，使电荷减小，减少了粒子之间的排斥力，增加了颗粒间的吸附，并减少粒子和水分子的亲和力，使粒子增加凝聚力而粗大化，从而改善其沉降脱水性能。无机混凝剂的主要作用是中和电荷、压缩双电层、降低斥力。因此，所用的混凝剂的离子价越高，即所带的电荷越多，对中和胶体电荷量及压缩双电层厚度也越有利。因此，铝盐、铁盐的调理效果是比较好的。一般铁盐或铝盐加入污泥后会形成带正电荷离子，即Fe³+或Aβ+,往往易水解形成氢氧化物絮体而促进混凝作用。例如以铝盐作调理剂时：pH值小于4时，铝成为A1³+的状态；pH值大于4时，生成带正电荷高价氢氧化物聚合体，有利于中和污泥颗粒的负电荷及加强吸附作用；pH在8.2以上时，Al(OH)₃明显的溶解成为铝酸离子Al(OH)₃,而丧失了调理作用。因此，每种调理剂都有其最适宜的pH值范围。(2)高分子混凝剂高分子调理剂是高分子聚合电解质，包括有机合成剂及无机高分子混凝剂两种。近年来，高分子混凝剂发展迅速，目前得到广泛的应用。高分子混凝剂除了能中和污泥胶体颗粒的电荷及压缩双电层，与无机电解质混凝剂相比，它的优点在于它们的长分子(约长0.lum)可构成污泥颗粒之间的“架桥”作用，并且能形成网状结构，起到网罗作用，促进凝聚过程，提高脱水性能。特别是变性后的高分子聚合电解质，架桥作用更强。因非离子型的链是卷曲的，变性后，极性基团被拉长展开，增强了架桥与吸附能力，混凝效果可提高6-10倍。此外高分子混凝