江苏开放大学污水处理工程(本)作业2

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污水处理工程实验题(内容覆盖单元1-7,占形考成绩25%)
从下列选题中任选一个进行实验,选择前两个实验的请按下述表格格式要求提交作业,同时提供实验照片,选择第三个题目请提交实习报告并提供参观现场照片2张!

1、颗粒自由沉淀实验
2、混凝实验
3、自来水厂工艺现场与设备参观
说明:
(1)按照附件实验指导书的方法进行实验;
(2)自来水厂也可替换成其他污水处理厂;
(4)若没有实验条件,请及时与课程指导老师联系,到省校或联系其他单位完成本次作业!
选测项目 颗粒自由沉淀实验
步骤 需要填写 具体要求 得分
实验目的 1.1  研究浓度较稀时的单颗粒沉淀规律,加深其对沉淀特点、基本概念的理解。
1.2  掌握颗粒自由沉淀试验的方法,并能对实验数据进行分析、整理、计算和绘制颗粒自由沉淀曲线。
5分
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、等速下降,其沉速在层流区符合斯托克斯(Stocks)公式。但是由于水中颗粒的复杂性,颗粒粒径、颗粒相对密度很难或无法准确地测定,因而沉降效果、特性无法通过公式求得,而是通过静沉实验确定。
由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D ,以免颗粒沉淀受柱壁干扰。
具有大小不同颗粒的悬浮物静沉总去除率( )与截流速度(u0)、颗粒重量百分率的关系如下:
20-1
式中: ——沉淀效率;
——理想沉淀池截流沉速:
——所有沉速小于 的颗粒质量占原水中全部颗粒质量的百分率;
——小于截流沉速的颗粒沉速。
此种计算方法也称为悬浮物去除率的累积曲线计算方法。
设在一水深为H的沉淀柱内进行自由沉淀实验。实验开始,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 =0。
实验开始后,不同沉淀时间 ,颗粒沉淀速度 相应为:
20-2
式中: ——颗粒沉淀速度,mm/s;
H——取样口至水面高度,mm;
——沉淀时间,min。
此即为 时间内从水面下沉到池底(此处为取样点)的颗粒所具有的沉速。此时取样点处水样悬浮物浓度为 ,未被去除的颗粒所占的百分比为:
20-3
式中: -悬浮颗粒剩余率;
-原水(0时刻)悬浮颗粒浓度,mg/L;
- 时刻悬浮颗粒浓度,mg/L。
此时被去除的颗粒所占的百分比为:
20-4
式中: -悬浮颗粒去除率;
、 、 同上。
需要说明的是,实际沉淀时间 时间内,由水中沉至池底的颗粒是由两部分颗粒组成,即沉速 的那一部分颗粒可能全部沉至池底。除此之外,颗粒沉速 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 ,但是这部分颗粒并不都在水面,而是均匀分布在整个沉淀柱的高度内。因此,只有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 的颗粒由水面降至池底所用的时间 ,那么这部分颗粒也能从水中被除去;沉速 的那部分颗粒虽然有一部分能从水中去除,但其中也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。因此公式(20-4)未包含 的那部分颗粒被去除。
参见学习资料或各种资源简述本次实验原理
实验准备 (1)自由沉淀实验装置如图20-1所示。
(2)浊度仪。

图20-1  自由沉淀实验装置
1—配水箱;2—水泵;3—搅拌装置;4—1.2m高有效水位沉淀柱;5—0.9m高有效水位沉淀柱;6—水循环用阀;7—配水阀门;8—沉淀柱上水阀门;9—放空阀门;10—取水样阀门;11—溢流管
(1)说明本次实验用到的药剂和仪器;
(2)左边表格中至少插入过程照片1张。
实验过程 4.1  准备实验原水。取适量硅藻土和自来水配制水样,置于水箱中。
4.2  开启循环管路阀门,启动水泵和搅拌装置。
4.3  水箱内水质均匀后,开启进水阀,等进水达到预定水高时,关闭进水阀,停水泵。过3~5分钟后,开动秒表记录时间,沉淀实验开始。
4.4  当时间为0min、2min、5min、10min、15min、30min、40min、60min时,取水样测浊度(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。相关数据记录如表20-1和20-2所列。
表20-1  颗粒自由沉降实验记录             取样口高度为0.5m
静沉时间t/min 水样浊度/NTU 取样前,取样口至水面高度
H前/mm 取样后,取样口至水面高度
H后/mm
0
2
5
10
15
30
40
60

表20-2  颗粒自由沉降实验记录                 取样口高度为1.0m
静沉时间t/min 水样浊度/NTU 取样前,取样口至水面高度
H前/mm 取样后,取样口至水面高度
H后/mm
0
2
5
10
15
30
40
60
(1)详细叙述实验的每一个步骤;
(2)记录实验数据(保留两位有效数字);
(3)左边表格中至少插入过程照片2张。
10分
测定结果及评价 5.1  计算悬浮物去除率 、悬浮物剩余率p、沉淀速度u,将结果填入表20-3和20-4。
5.2  据表20-3和20-4中数据,绘制t- 曲线、u- 曲线、u-P曲线。
表20-3  颗粒自由沉淀实验成果表            取样口高度为0.5m
取样口至水面高度
H=(H前+H后)/2 静沉时间
t/min 悬浮物去除率 /%
悬浮物剩余率p/% 沉淀速度
u/(mm/s)
2
5
10
15
30
40
60

表20-4  颗粒自由沉淀实验成果表            取样口高度为1.0m
取样口至水面高度
H=(H前+H后)/2 静沉时间
t/min 悬浮物去除率 /%
悬浮物剩余率p/% 沉淀速度
u/(mm/s)
2
5
10
15
30
40
60
(1)根据分析测定过程得到最终的实验结果;
(2)写出参考标准(号)并对结果简单分析。
【20分】 10分
共计

附件一:混凝实验
一. 实验目的
本实验主要针对污染物浓度较低的水样,采用混凝工艺进行深度处理,确定不同混凝剂的最佳投药量,观察絮凝过程中矾花的形成及其特点,掌握混凝工艺的操作方法。
二. 实验原理
天然水中存在大量胶体颗粒,是使水产生浑浊的一个重要原因,胶体颗粒靠自然沉淀是不能除去的。水中的胶体颗粒,主要是带负电的粘土颗粒。胶粒间的静电斥力,胶粒的布朗运动及胶粒表面的水化作用,使得胶体具有稳定性。
化学混凝机制主要是通过混凝剂在水中水解,对水中胶体产生压缩双电层、吸附架桥和网捕等三方面的作用,促使胶体凝聚,形成絮凝体,最终通过沉淀作用得以去除。
三. 实验材料和装置
实验设备及仪器
1、 六联搅拌机1台
2、 GDS-3型光电式浊度仪1台
3、 烧杯(1000mL、500 mL、200 mL、各6个)
4、 烧杯(500 mL3个)
5、 移液管(1 mL、2 mL、5 mL、10 mL各4支)
6、 注射器(50 mL2支)
7、 温度计1个

实验用试剂
1、 硫酸铝(10 g/L)
2、 三氯化铁(10 g/L)
3、 盐酸(10%)
4、 氢氧化钠(10%)
5、 聚合氯化铝(10 g/L)
四. 实验步骤
1、 混凝剂的确定
在硫酸铝、三氯化铁、聚丙烯酰胺三种混凝剂中,确定一种最佳混凝效果的混凝剂。
⑴、 测定原水特征,即测定原水的浊度、温度、pH值,记录在表1中。
⑵、 用三个500mL的烧杯,分别取200mL原水,并将装有水样的烧杯置于六联搅拌机上。
⑶、 分别向三个烧杯中加入氯化铁、硫酸铝、聚丙烯酰胺,并每次加1.0mL,同时进行搅拌(中速150r/min,5min),直到其中一个试样出现矾花。这时在表1中记录下每个师洋中混凝剂的投加量。
⑷、 停止搅拌,静止10分钟。
⑸、 用50mL注射针筒抽取上清液,用浊度仪测出三个水样的浊度,记录在表1中。
⑹、 根据测得的浊度确定最佳混凝剂。
表1、原始数据及投加三种混凝剂的沉淀水浊度测定记录表
原水浊度: 原水温度: 原水pH值:
混凝剂名称
矾花形成时投混凝
剂最佳量(mL)
剩余浊度
(NTU) 1 1 1
2 2 2
3 3 3
平均 平均 平均

2、 确定混凝剂的最佳投药量
⑴、 用6个1000mL烧杯,分别取800 mL原水,将装有水样的烧杯置于六联搅拌机上。
⑵、 采用实验步骤1中选定的最佳混凝剂,按不同投量(依次按25%—100%的剂量)分别加入到800 mL原水样中,利用均分法确定此组实验的六个水样的混凝剂投加量,记录在表2中。
⑶、 启动搅拌机,快速搅拌约300r/min,0.5min;中速搅拌约150 r/min,5min;慢速搅拌约70 r/min,10min。
⑷、 搅拌过程中,注意观察“矾花”的形成过程。
⑸、 停止搅拌,静止沉淀10min,然后用50mL注射筒分别抽出6个烧杯中的上清液,同时用浊度仪测定水的剩余浊度,记录在表2中。
表2、某种混凝剂投加量的最佳选择实验数据
水样编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
混凝剂加注量(mL)
剩余浊度
(NTU) 1
2
3
4

3、 最佳pH值的影响
表3、pH最佳值的选择实验数据
水样编号 1 2 3 4 5 6
投加质量分数为10%的盐酸(mL) 2.5 1.5 1.0
投加质量分数为10%的氢氧化钠(mL) 0.2 0.7 1.2
pH值
混凝剂投加量
剩余浊度
(NTU) 1
2
3
平均

⑴、 用6支1000 mL烧杯,分别取800 mL原水,将装有水样的烧杯置于六联搅拌机上。
⑵、 调整原水pH值,用移液管依次向1、2、3号装有原水的烧杯中,分别加入2.5mL、1.5mL、1.0mL盐酸,再向4、5、6号装有原水的烧杯中,分别加入0.2mL、0.7mL、1.2mL氢氧化钠。
⑶、 启动搅拌机,快速搅拌300 r/min,0.5min,随后停机,从每只烧杯中取50 mL水样,依次用pH仪测定各水样的pH值,记录在表3中。
⑷、 用移液管依次向装有原水烧杯中加入相同量的混凝剂,投加剂量按最佳投药量实验中得出的最佳投加量而确定。
⑸、 启动搅拌机,快速搅拌约300r/min,0.5min;中速搅拌约150 r/min,10min;慢速搅拌约70 r/min,10min,停机。
⑹、 静止10 min,用50mL注射筒分别抽出6个烧杯中的上清液(共抽3次,约150mL)放入200mL烧杯中,同时用浊度仪测定水的剩余浊度,记录在表3中。

一、 实验数据及结果整理分析
1、 根据表1所列实验数据确定最佳混凝剂。
2、 以沉淀水浊度(NTU)为纵坐标,混凝剂投加量为横坐标,绘制实验曲线,求出最佳混凝剂投加量。
3、 以沉淀水浊度(NTU)为纵坐标,水样pH值为横坐标,绘制最佳pH值实验曲线,从图中求出投加混凝剂的混凝最佳pH值。

思考题
根据实验结果以及实验中所观察到的现象,简述影响混凝的主要因素。

附:浊度的测定
所谓浊度即为水体混浊的程度,是表示水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度,即是水样中的微细悬浮物的光学特性表示法。
浊度是由于水中含有泥沙、粘土、有机物、无机物、浮游生物和微生物等悬浮物质造成的。天然水经混凝、沉淀、过滤等处理,使水变得清澈。测定水样浊度可用分光光度法。
1、方法原理
在适当温度下,硫酸肼[(NH2)2SO4•H2SO4]与六次甲基四胺[(CH2)6N4]聚合,形成白色高分子聚合物。以此作参比浊度标准液,在一定条件下与水样浊度相比较。
2、试剂
浊度贮备液,配置方法如下:
称取0.50 g硫酸肼,5.00 g六次甲基四胺,分别溶于400 mL蒸馏水中,将溶解的两种溶液倒入1000 mL容量瓶中混合,加蒸馏水稀释至刻度,混合摇匀,在25±3 0C温度下反应24h,即得到400度的浊度标准溶液。
3、仪器:
50ml比色管,721分光光度计。
测定步骤
(1)标准曲线的绘制
吸取浊度标准溶液0,0.50,1.25,2.50,5.00,10.00和12.50ml,置于50ml比色管中,加水至标线。摇匀后即得浊度为0,4,10,20,40,80,100的标准系列。于680nm波长测定吸光度,绘制标准曲线。
(2)水样的测定
吸取50.0ml水样(如浊度超过100度,可酌情少取,用水稀释到50.0ml)于50ml比色管中,按校准曲线步骤,测定吸光度。由校准曲线上查得水样浊度。
4、计算
浊度=50
式中,A—稀释过水样的浊度;
C—原水样体积(ml)

附件二:颗粒自由沉淀实验
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、掌握颗粒自由沉降实验的方法,并能对实验数据进行分析、整理、计算和绘制颗粒自由沉降曲线。
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Stocks(斯笃克斯)公式。
但是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通过静沉实验确定。由于自由沉降时颗粒是等速下沉。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D≥100mm以免颗粒沉淀受柱壁干扰。具有大小不同颗粒的悬浮物静沉总去除率与截留速度u。颗粒重量百分率的关系如下:

此种计算方法也称为悬浮物去除率的累积曲线计算方法。
设在一水深为H的沉淀柱内进行自由沉淀实验。实验开始,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,不同沉淀时间ti,颗粒最小沉淀速度ui相应为

此即为ti时间内从水面下沉到池底(此处为取样点)的最小颗粒di所具有的沉速。此时取样点处水样悬浮物浓度为Ci,而

此时去除率Ei,表示具有沉速u≥ui(粒径d≥di)的颗粒去除率,而

则反映了ti时,未被去除之颗粒即d<di的颗粒所占的百分比。
实际上沉淀时间ti时,由水中沉至池底的颗粒是由两部分颗粒组成,即沉速u≥ui的那一部分颗粒能全部沉至池底。除此之外,颗粒沉速u<ui的这部分颗粒并不都能沉至水底。这是因为,这部分颗粒虽然粒径很小,沉速u<ui,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ui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u<ui的那部分能从水中去除,但其中也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。如此分别求出u<ui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,我们首先绘制出u~P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:

故  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d1~d2间的那部分颗粒所占的百分比。因此当  间隔无限小时,则  代表了小于di的某一粒径d占全部颗粒的百分比。这些颗粒能沉至池底的条件,应是由水中某一点沉至池底所用的时间,必须等于或小于具有沉速为ui的颗粒由水面沉至池底所用的时间即应满足

由于颗粒均匀分布,又为等速沉淀,故沉速  的颗粒只有在x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x/H,如图1所示,而

此即为同一粒径颗粒的去除率。即u0=ui,且为设计选用的颗粒沉速;uS=ux,则有

由上述分析可见,usdP反映了具有沉速uS的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us/u0dP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。利用积分求解这部分us<u0的颗粒的去除率,则为   ,故颗粒的去除率为

工程中常用下式计算

三 实验设备及仪器
1.自由有机玻璃管沉淀柱实验设备一套。工作水深即溢流口至取样口距离。
2.计量水深用标尺;计时用秒表或手表。
3.玻璃烧杯,移液管,玻璃棒,容量瓶等。
4.浊度计。
5.实验水样为滑石粉模拟污水。
四 实验步骤及记录
1、将实验用水倒入水池内,开启循环管路闸门,用泵循环或机械搅拌装置搅拌,待池内水质均匀后,从池内取样;测定悬浮物浓度,此即为C。
3、开启进水阀门,水经配水管进入沉淀管内,当水上至溢流口,并流出后,关闭进水闸门、停泵。记录时间,沉淀实验开始。
4、隔5、10、20、30、60、120min由取样口取样,记录沉淀柱内液面高度。
5、观察悬浮颗粒沉淀特点、现象。
6、经稀释后测定水样浊度。
五 实验注意事项
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H。(以cm计)
3.取样时,先排除管中积水而后取样,每次约取100mL。
4.测定悬浮物时,因颗粒较重,从烧杯取样要边搅边吸,以保证两平行水样的均匀性。贴于移液管壁上细小的颗粒一定要用蒸馏水洗净。
六 实验数据记录及整理
1、实验基本参数整理
实验日期:     年  月  日    水样性质及来源:
沉淀柱直径d=     mm        柱高H=    cm
水温:     ℃       原水浊度=    NUT
2、实验数据整理
表1  实验记录表
静沉时间
(min) 浊度(NUT) 浓度(mg/L) 沉淀高度
H(cm) 沉降速度
U cm/min 未移除悬浮物Pi%

表中不同沉淀时间tBiB时,沉淀管内未被移除的悬浮物的百分比及颗粒沉速分别按下式计算:
末被移除悬浮物的百分比: Pi=Ci/C0 ×100%
相应的沉速:  ui=Hi/ti×100%

4、利用下面图解法列表,计算不同沉速时,悬浮物的去除率。
表2  悬浮物去除率E的计算
序号 U0 P0 1-P0 △P us us•△P ∑us•△P ∑us•△P/u0 E
1
2
3
4
5
6
7
8
5、根据上述计算结果,以E为纵坐标,分别以u和t为横坐标,绘制u~E,t~E关系曲线。

[思考题]
1、自由沉淀中颗粒沉速与絮凝沉淀沉速有何区别。
2、绘制自由沉淀曲线的方法及意义。
3、沉淀柱高度分别为H=1.2m和H=0.9m,两组实验成果是否一样?为什么?

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