实验一 颗粒自由沉淀实验

实验一 颗粒自由沉淀实验

颗粒自由沉淀实验室研究浓度较稀时的单颗粒的沉淀规律。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沉砂池设计的重要依据。 一、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。 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≥100mm，以免颗粒沉淀受柱壁干扰。

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η=0。

实验开始后，不同沉淀时间ti，颗粒沉淀速度ui相应为：

ui=

H

（2） ti

式中：ui——颗粒沉淀速度，mm/s；H——取样口至水面高度，mm；

ti——沉淀时间，s。

此ui即为ti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Ci，未被去除的颗粒（d

的百分比为：

Pi=

Ci

（3） C0

式中：Pi－悬浮颗粒剩余率；C0－原水（0时刻）悬浮颗粒浓度，mg/L；

Ci－ti时刻悬浮颗粒浓度，mg/L。

此时被去除的颗粒（表示具有沉速u ≥ ui（粒径d ≥ di）的颗粒）所占的百分比为：

ηi=1−Pi=1−

Ci

（4） C0

式中：ηi－悬浮颗粒去除率；Pi、C0、Ci同上。

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us ≥ ui的那一部分颗粒能全部沉至池底。除此之外，颗粒沉速us

沉速us

设其中某种特定粒径颗粒的重量是悬浮物总量的dP，它能被沉淀去除的比值是

Puus

dP，可见us

0uu00

颗粒的悬浮物静沉总去除率（η）与截流速度（u0）、颗粒重量百分率的关系如下：

η=(1−P0)+∫

P0

us

（1） u0

式中：η—沉淀效率；u0—理想沉淀池截流沉速：P0—所有沉速小于u0的颗粒质量占原水中全部颗粒质量的百分率；us—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。

为了推求其计算式，我们首先绘制P-u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。

图1 沉淀柱示意图

三、实验仪器及用具

（1）自由沉淀实验装置如图2所示。 （2）计量水深用标尺，计时用秒表。

（3）测定悬浮物所需设备：分析天平、称量瓶、烘箱、滤纸、漏斗、漏斗架、

量筒，烧杯等。 （4）污水采用高岭土配置。 四、实验步骤

1．将一定量的高岭土投入到配水箱中，开动搅拌机，充分搅拌。 2．取水样200ml（测定悬浮浓度为c0）并且确定取样管内取样口位置。 2．启动水泵将混合液打入沉淀管到一定高度，停泵，停止搅拌机，并且记录高

度值。开动秒表，开始记录沉淀时间。

3．当时间为1、3、5、10、15、20、30、40、50、60 分钟时，在取样口分别取水200 ml，测定悬浮物浓度（ci）。

4、每次取样应先排出取样口中的积水，减少误差，在取样前和取样后皆需测量沉淀管中液面至取样口的高度，计算时取二者的平均值。

5．测定每一沉淀时间的水样的悬浮物浓度固体量。首先调烘箱至105±1 oC，叠好滤纸放入称量瓶中，打开盖子，将称量瓶放入105 oC烘箱中至恒重，称取重量，然后将恒重好的滤纸取出放在玻璃漏斗中，过滤水样，并用蒸馏水冲净，使滤纸上得到全部悬浮性固体。最后将带有滤渣的滤纸移入称量瓶中，烘干，称其悬浮物的重量。相关数据记录如表1和2所示。

图2 自由沉淀实验装置

注意事项：

（1） 向沉淀柱内进水时，速度要适中，即要较快完成进水，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，一定要记录柱中水面至取样口距离H0（以mm计）。

（3） 取样时，先排除取样管中积水在取样，每次约取300mL。

（4） 测量悬浮物时，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。贴在移液管壁上细小的颗粒一定要用蒸馏水洗净。

五 实验记录 1. 沉淀柱直径： 2. 原水悬浮物浓度C0：

3. 颗粒自由沉降实验记录，如表1与表2所示

表1 颗粒自由沉降实验记录

静沉时间t/min 0 1 3 5 10 15 30 40 60

取样前，取样口至水面高度 取样后，取样口至水面

H前/mm

高度H后/mm

沉淀高度mm H=（H前+H后）/2

表2 颗粒自由沉降实验记录

静沉

滤纸 称量瓶

时间

编号

t/min

1

编号

称量瓶+滤纸重 (g)

瓶纸+ SS重 （g）

水样 SS重 （g）

取样 体积 （ml） 200 200 200 200

Ci (mg/L)

Ci，平均（mg/L）

3

5

10

15

30

40

60

六、数据整理

200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200

（1）计算悬浮物剩余率p、沉淀速度u，将结果填入表3。

表3 原始数据整理表

沉淀时间(min) 0 1 3 5 10 15 30 40 60

沉降高度 （mm）

颗粒沉速u (mm/s)

悬浮物浓度 (mg/L)

未被去除颗粒百分比Pi

去除量 1-Pi

（2）以颗粒沉速ui为横坐标，以Pi为纵坐标，绘制P—u关系曲线。

（3）根据P—u关系曲线计算，采用图解法计算沉速分别为（ ）时，悬浮物的去除率η。

表4 去除率η计算表

六、思考题

（1）沉淀分成哪几种类型，各有什么特点，发生在污水处理的哪些环节？ （2）绘制自由沉淀静沉曲线的方法和意义。

（3）如果沉淀柱的高度变为1.5m，实验结果与本次实验结果是否一致？为什么？