《水处理实验技术》指导书

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实验一 颗粒自由沉淀实验

一、颗粒自由沉淀实验

颗粒自由沉淀实验是研究浓度较稀时的单颗颗粒的沉淀规律。一般是通过沉淀柱静沉实验，获取颗粒沉淀曲线。它不仅具有理论指导意义，而且也是给水排水处理工程中，某些构筑物如给水与污水的沉砂池设计的重要依据。 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淀曲线。

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。

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：

E?(1?P0)??P00uSdP (3-1) u0 此种计算方法也称为悬浮物去除率的累积曲线计算法。

设在一水深为H的沉淀柱内进行自由沉淀实验，如图3一且示。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I；，颗粒最小沉淀速度U；相应为 Ui?H (3-2) ti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

C0?CiC?1?i?1?Pi?E0 (3-3) C0C0Ci (3-4) C0此时去除率E0，表示具有沉速u≥ui(粒径d≥di)的颗粒去除率，而 Pi?则反映了ti时，未被去除之颗粒即d

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u≥ui的那一部分颗粒能全部沉至池底。除此之外，颗粒沉速us＜ui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us＜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us＜ui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us＜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ui～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，如图3－2示。由图中可见， ?P?P1?P2?C1C2C1?C2 (3-5) ??C0C0C0故ΔP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之间的那部分颗粒所占的百分比。因此当ΔP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。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的用的时间，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

xH?u?uiHu?x?ui

由于颗粒均匀分布，又为等速沉淀，故沉速和 uα

x，如图3-1所示，而 H

xu? ?Huiu?uS ?uiu0 此即为同一粒径颗粒的去除率。取u0=ui，且为设计选用的颗粒沉速；us＝uα，则有

由上述分析可见，dPS。反映了具有沉速uS颗粒占全部颗粒的百分比，而

uS u0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

uSdP (3-6) u0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U。M。。的颗粒的去除率，则为 故颗粒的去除率为

E?(1?P0)?工程中常用下式计算

E?(1?P0)??P00uSdP u0uSdP (3-7) u0?P00??PuS (3-8) u0 设备及用具

1．有机玻璃管沉淀柱一根，内径D≥100mm，高1.5m。工作水深即由溢流口至取样口距离，共两种，H1＝0.9m,H2＝1.2m。每根沉降往上设溢流管，取样管，进水及放空管。

2．配水及投配系统包括钢板水池，搅拌装置，水泵、配水管，循环水管和计量水深用标尺、如图3－3示。

3．计量水深用标尺，计时用秒表或手等。 4．玻璃烧杯，移液管，玻璃棒，瓷盘等。 5．悬浮物定量分析所需设备万分之一天平，带盖称量瓶，干燥皿、烘箱、抽滤装置、定量滤纸等。

6．水样可用煤气洗涤污水，轧钢污水，天然河水或人工配制水样。 步骤及记录

1．将实验用水倒入水池内，开启循环管路闸门2，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C0值。 2．开启闸门1、3，关几扣闸门2，水经配水管进入沉淀管内，当水上升到溢流口，并流出后，关闭闸门3、停泵。记录时间，沉淀实验开始。

3．隔5、10、20、30、60、120min由取样口取样，记录沉淀柱内液面高度。

4．观察悬浮颗粒沉淀特点、现象。I 5．测定水样悬浮物含量。

6．实验记录用表，如表3-1所示。

表3-1颗粒自由沉淀实验记录 日期： 水样：

静沉时间(min) 滤纸编号﹟ 称量瓶号﹟ 称量瓶+滤纸重(g) 取样体积(mL 瓶纸+SS重(g) 水样SS重(g) C0 (mg/L) C0 (mg/L) 沉淀高度H(cm) 0 5 10 20 30 60 120 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（以cm计）。 3．取样时，先排除管中积水而后取样，每次约取300～400mL。

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。贴于移液管壁上的细小颗粒一定要用蒸馏水洗净。 数据整理

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d= 柱高H=

水温： ℃ 原水悬浮物浓度C0（mg／L） 绘制沉淀柱草图及管路连接图 2．实验数据整理

将实验原始数据按表3－2整理，以备计算分析之用。 表中不同沉淀时间ti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 未被移除悬浮物的百分比 Pi?Ci100% C0扣 C0——原水中SS浓度值，mg／L；

Ci——某沉淀时间后，水样中SS浓度值，mg／L。 H。 相应颗粒沉速ui?HImm/s。 ti 4．以颗粒沉速u为横坐标，以P为纵坐标，在普通格纸上绘制u～P关系曲线。

5．利用图解法列表（表3-3）计算不同沉速时，悬浮物的去除率。

表3－2实验原始数据整理表 沉淀高度（cm） 沉淀时间（mln） 实测水样SS（mg/L） 计算用SS（mg／L） 未被移除颗粒百分比Pi 颗粒沉速u（mm/s） 序号 u0 P0 1-P0 ΔP 表3－3悬浮物去除率E的计算 ?uS??P u0 E?(1?P0)? ?uS??P u0 E?(1?P0)??uS??P u06．根据上述计算结果，以E为纵坐标，分别以u及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中颗粒沉速有何区别。 2．绘制自由沉淀静沉曲线的方法及意义。

3．沉淀柱高分别为H＝1.2m，H＝0.9m，两组实验成果是否一样，为什么？ 4．利用上述实验资料，按 E?C0?CI100% C0计算不同沉淀时间t的沉淀效率E，绘制E～t，E～u静沉曲线，并和上述整理结果加以对照与分析，指出上述两种整理方法结果的适用条件。

二、原水颗粒分析实验

原水颗粒分析实验主要测定水中颗粒粒径的分布情况。水中悬浮颗粒的去除不仅与原水悬浮物数量或浊度大小有关，而且还与原水颗粒粒径的分布有关。粒径越小，越不易去除，因此颗粒分析实验对选择给水处理构筑物及投药量都是十分重要的。 目的

1．学会一种用一般设备测定颗粒粒径分布的方法。 2．加深对自由沉淀及stokes（斯笃克斯）公式的理解。 原理

100μm以下的泥沙颗粒沉降时雷诺数小于1，已知水温、沉速，可用stokes公式求出粒径。

u?式中 u——颗粒沉速，m／s；

g(Ss?1)d2 （3-9） 18v

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