水污染控制工程实验讲义(徐师大)

1水污染控制工程实验讲义《环境工程》教研组编徐州师范大学化学化工学院2实验一混凝实验主题词：混凝混凝剂投药量主要操作：搅拌测定浊度一、实验目的分散在水中的胶体颗粒带有电荷，同时在布朗运动及其表面水化膜作用下，长期处于稳定分散状态，不能用自然沉淀法去除。向这种水中投加混凝剂后，可以使分散颗粒相互结合聚集增大，从水中分离出来。由于各种原水有很大差别，混凝效果不尽相同。混凝剂的混凝效果不仅取决于混凝剂投加量，同时还取决于水的PH、水流速度梯度等因素。通过本实验希望达到下述目的：（1）观察混凝现象及过程，了解混凝的净水机理及影响混凝的重要因素；（2）掌握求得某水样最佳混凝条件（投药量、pH）的基本方法。二、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作用，致使水中这种浑浊状态稳定。化学混凝的处理对象主要是废水中的微小悬浮物和胶体物质。根据胶体的特性，在废水处理过程中通常采用投加电解质、不同电荷的胶体或高分子等方法破坏胶体的稳定性，然后通过沉淀分离，达到废水净化效果的目的。关于化学混凝的机理主要有以下四种解释。1、压缩双电层机理当两个胶粒相互接近以至双电层发生重叠时，就产生静电斥力。加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力将部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。由于扩散层减薄，颗粒相撞时的距离减少，相互间的吸引力变大。颗粒间排斥力与吸引力的合力由斥力为主变为以引力为主，颗粒就能相互凝聚。2、吸附电中和机理异号胶粒间相互吸引达到电中和而凝聚；大胶粒吸附许多小胶粒或异号离子，ξ电位降低，吸引力使同号胶粒相互靠近发生凝聚。3、吸附架桥机理吸附架桥作用是指链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的现象。4、沉淀物网捕机理当采用铝盐或铁盐等高价金属盐类作凝聚剂时，当投加量很大形成大量的金属氢氧化物沉淀时，可以网捕、卷扫水中的胶粒，水中的胶粒以这些沉淀为核心产生沉淀。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，3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/L9.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4（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）。（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。最佳混凝剂投加量浊度混凝剂投加量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。5最佳pH范围浊度pH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123456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水样编号123456HCl（mL）NaOH（mL）水样pH剩余浊度（NTV）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。6实验二自由沉淀实验主题词：自由沉淀去除率沉淀柱颗粒主要操作：取样测定悬浮物含量一、实验目的（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。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(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0001)1(PiudPuPE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iuuPPE)1(07三、实验设备与试剂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）01.00251015830405060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）01.3525101530405060五、实验结果整理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