自由沉淀实验.doc

实验一 颗粒自由沉淀实验
一、实验目得
１、加深对自由沉淀特点、基本概念及沉淀规律得理解。
2、掌握颗粒自由沉淀得实验方法,并能对实验数据进行分析、整理,计算与绘制颗粒自由沉淀曲线。
二、实验原理
沉淀就就是水污染控制中用以去除水中杂质得常用方法。根据水中悬浮颗粒得凝聚性能与浓度，沉淀通常可以分成四种不同得类型：自由沉淀、絮凝沉淀、区域沉淀、压缩沉淀。
浓度较稀得、粒状颗粒得沉降称为自由沉淀,其特点就就是在静沉过程中颗粒互不干扰、等速下沉,其沉淀在层流区符合Stoｋes(斯托克斯)公式。但就就是由于水中颗粒得复杂性,颗粒粒径、颗粒密度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就就是通过静沉实验确定。
由于自由沉淀时颗粒就就是等速下沉,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，但其直径应该足够大，一般应使D≥1０0mm,以免沉淀颗粒受柱壁得干扰。
自由沉淀所反映得一般就就是沙砾、河流等得沉淀特点。具有大小不同颗粒得悬浮物静沉总去除率E与截留速度u0、颗粒质量分数得关系如下:
　 　 　 　 　 　 　 　 　(1－１）
式中　 　Ｅ——总沉淀效率;
　 　P0——沉速小于uｉ得颗粒在全部悬浮颗粒中所占得百分数;
1-P０——沉速大于或等于ui得颗粒去除百分数;
ui——某一指定颗粒得最小沉降速度;
u——小于最小沉降速度uｉ得颗粒沉速。
　 公式推导如下:
设在水深为H得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就就是均匀得,即每个断面上颗粒得数量与粒径得组成相同，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
　 　 　　　 ｕi = 　 　 　 　 　　（１-2)
uｉ此即为ti时间内从水面下沉到取样点得最小颗粒ｄi所具有
图1－1 自由沉淀实验示意
得沉速。此时取样点处水样悬浮物浓度为Ｃｉ,未被去除之颗粒即示意d<ｄi得颗粒所占得百分比为
　 　 　 　　 　 　 Pi = 　 　　 　　 　 　 　 （１-3)
　 因此，被去除得颗粒（粒径d≥di)所占比例为
　 　 　　 　 　 E0=1-Ｐi 　 　　 　 　 　　 (1-4)
实际上沉淀时间ti内,由水中沉至池底得颗粒就就是由两部分颗粒组成。即沉速u≥ｕi得那一部分颗粒能全部沉至池底;除此之外,颗粒沉速u<ui得那一部分颗粒,也有一部分能沉至池底。这就就是因为,这部分颗粒虽然粒径很小，沉速u＜ui,但就就是这部分颗粒并不都在水面,而就就是均匀地分布在整个沉淀柱得高度内。因此只要在水面下,她们下沉至池底所用得时间能少于或等于具有沉速ui得颗粒由水面降至池底所用得时间tｉ,那么这部分颗粒也能从水中被去除。
沉速u<ｕi得那一部分颗粒虽然有一部分能从水中去除,但其中也就就是粒径大得沉到池底得多,粒径小得沉到池底得少,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得颗粒占全部颗粒得百分比，并求出可颗粒在时间tｉ内能沉到池底得颗粒占本颗粒粒径得百分比,则二者乘积即为此中颗粒粒径在全部颗粒中得去除率。如此分别求出ｕ＜ui得那些颗粒得去除率,并相加后,即可得出这部分颗粒得去除率。
为了推求其计算式,我们绘制P～u关系曲线,其横坐标为颗粒沉速u,纵坐标为未被去除颗粒得百分比P,如图所示。
由图中可见
ΔＰ = P1-P２ =-=　 　 （1-４）
故ΔP就就是当选择得颗粒沉速由u1降至u2时,整个水中所能多去除得那部分颗粒得去除率,也就就就是所选择得要去除得颗粒粒径由d1减到d2时水中所能多去除得，即粒径在d1~d2间得那部分颗粒所占得百分比。因此当ΔP间隔无限小时，则dP代表了直径为小于di得某一粒径d得颗粒占全部颗粒得百分比。这些颗粒能沉至池底得条件,应就就是在水中某
图1-2 P~u关系曲线 　 　　 点沉至池底所用得时间，必须等于或小于具有沉速
为uｉ得颗粒由水面沉至池底所用得时间，即应满足
　 ≤ 　即 x≤ 　 　 （1-５)
由于颗粒均匀分布,又为等速沉淀,故沉速uｘ<ｕi得颗粒只有在x水深以内才能沉到池底、因此能沉到池底得这部分颗粒，占这种颗粒得百分比为,如图１－1所示,而
　　 　　 　 　 　　 　 = 　 　　 　 　　　 　 (1-6)
此即为同一粒径颗粒得去除率。取u0=uｉ,且为设计选用得颗粒沉速;uｓ=ux，则有
　　 　 　 　　 　 =　 　 　 　 　 　 　（1－7)
由上述分析可见，dPs反映了具有沉速us得颗粒占全部颗粒得百分比,而则反映了在设计沉速为u0得前提下,具有沉速ｕs(<u0)得颗粒去除量占本颗粒总量得百分比。故　 　 dP正就就是反映了在设计沉速为u0时,具有沉速为us（<u0）得颗粒所能去除得部分占全部颗粒得比率。利用积分求解这部分us<　ｕ0得颗粒得去除率,则为。 　 　
故颗粒得去除率为:
　 　 　　E = (1-P0) + 　 　 　　 　(1－8）
工程中常用下式计算:
　　 　 　 　 Ｅ　= (１-P0)　＋ 　 　　 　　(1-9)
三、实验仪器与装置
１、 自由沉淀装置（沉淀柱，储水箱,水泵空压机）,如图1-3;
2、　计时用秒表或手表;
3、 100ml量筒、移液管、玻璃棒、瓷盘等;
4、 悬浮物定量分析所需设备:电子天平、带盖称量瓶、干燥皿、烘箱、抽滤装置、定量滤纸等;
5、　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。

图１－3 颗粒自由沉淀实验装置
四、实验步骤
1、了解管道连接情况,检查就就是否符合实验要求。
2、启动水泵,水力搅拌5min,使水槽内水质均匀。
３、打开进水阀,让水平稳得从沉淀筒底进入沉淀柱中,直至12０cm高度，停泵，沉淀实验开始。
3、开动秒表开始计时，此时t=0，当时间为0、５、10、2０、30、50、８0min时，由同一取样口取样5０ml,并记录沉淀柱内取样口到液面高度。
4、测定各水样悬浮物含量。将所取水样过滤(滤膜预先放入称量瓶内,与称量瓶一起烘干至恒重,并称量)。过滤完毕后，用镊子取出滤膜放入称量瓶中,移入烘箱中于103~105℃下烘干一小时后移入干燥器中，使冷却到室温，称其重量。反复烘干、冷却、称量，直至两次称量得重量差≤0、4 mg为止。计算悬浮物浓度。
5、　记录实验原始数据,填入表1－1中。
表１－1 颗粒自由沉淀实验记录
静沉时间／min
滤纸
编号
滤膜＋称量瓶质量/ｇ
取样体积／ｍｌ
纸＋SS＋称量瓶质量／g
水样SS质量/g
SS浓度
/(mg/L)
沉淀高度Ｈ/ｃm
0
1
40、79１６
50
４０、８089
0、０1７3
3４6
0
5
2
４２、3438
50
４2、3５06
0、0０6８
136
1
10
3
39、８0５０
50
39、8095
0、０04５
90
2
２0
４
42、27８７
50
４2、2８１1
０、0024
48
2
30
5
39、9０22
50
39、9０４４
0、０022
44
2、６
50
6
4１、2７7４
50
４１、2793
０、０019
38
2,8
70
7
41、2316
５0
41、2327
0,０011
２２
3
100
8
４1、７87１
50
41、786３
0、０008
1６
4
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:配制得石灰水
沉淀柱直径(m）:　 　 　 　　 沉淀柱高:
水温(℃)： 　　 　 　　 　 　 　　 　　 原水样悬浮颗粒浓度C0(mg/L)
2、 实验数据整理
表1-2 实验原始数据整理表
沉淀高度/cm
1
2
2
2、６
2、8
３
４
沉淀时间／ｍin
５
1

0
水样SＳ／(ｍｇ/L)

22
1６
原水SS/(mｇ/Ｌ)
3４6
未被移除颗粒
百分比Pi/ %
0、39
0、26
0、1４
０、13
o、11
0、０6
０、０5
颗粒沉速ui/(mm/s)
０、2
0、２
0、1
０、0９
0、0５６
0、0４3
0、04
表中不同沉淀时间tｉ时,沉淀管内未被移除得悬浮物得百分比及颗粒沉速分别按下式计算未被移除悬浮物得百分比
Pi=×1００%
式中：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
相应颗粒沉速:ui= (mm／ｓ)
3、　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。

图1－4　 P~ｕ关系曲线
４、利用图解法列表计算不同沉速时,悬浮物得去除率。
表1－3 悬浮物去除率Ｅ得计算
序
号
沉淀时间
t／min
Uｉ
(mm/s）
Pｉ
（％)
1－ Ｐi
(%)
E = （１-P０） +
1
５
０、2
０、３9
0、61
0、6１
2
1０
0、2
0、２6
０、７4
0、74
３
20
0、1
０、1４
0、86
0、86
4
３0
0、0９
０、１３
０、８7
0、87
5
50
0、056
０、11
0、89
0、89
6
７０
0、0４3
0、0６
0、94
０、94
7
1０0
0、04
0、0５
0、9５
０、95
５、 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E~ｕ,E~t关系曲线。
六、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，一定要记录沉淀柱水面至取样口得距离H0（cｍ）。
(3）取样时,先排除管中积水而后取样，排空约２０～50mL积液。
(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。贴于移液管壁上细小得颗粒一定要用蒸馏水洗净。
附录：悬浮物浓度测定方法
一、原理
水质中得悬浮物就就是指水样通过孔径为０、４5μｍ得滤膜,截留在滤膜上并于１０3—１０5℃烘干至恒重得固体物质。
二、仪器
1、烘箱:可控制恒温在１03—１0５℃
２、分析天平
3、孔径0、45µm滤膜
4、玻璃漏斗
５、称量瓶：３0×7０mｍ
6、干燥器
7、 扁嘴无齿镊子
三、步骤
1、将滤膜放在称量瓶中，打开瓶盖,放在烘箱中调节温度至1０3—１０5℃烘干０、5h;
2、烘干后取出，放在干燥器中等待冷却至室温,然后称重，直至恒重（两次称量相差≤０、2mｇ)，记录重量Ｂ;
3、用1０0ml量筒量取均匀适量得水样(使悬浮物大于2、５mg)，同时将恒重得滤膜放到玻璃漏斗中,此时将水样倾入带滤膜得漏斗中过滤,最后用蒸馏水洗涤取样量筒，使残渣全部洗入漏斗中而不会丢失;
4、过滤完毕取下漏斗中得滤膜，放在原称量瓶内,在103—１０5℃烘箱内烘干1ｈ后取出放入干燥器中冷却至室温后称重,反复烘干、冷却、称量，直至两次称量得重量差≤0、4mg。记录重量Ａ。
四、数据处理
悬浮物含量C(mｇ/L)按下式计算：
(A—B)╳ １06
Ｃ　= ——————
V
式中:C——水中悬浮物浓度，mg/L;
　 A——悬浮物＋滤膜与称量瓶重量,g;
B——滤膜与称量瓶重量，ｇ；
V——试样体积,ml。

实验总结:悬浮颗粒在沉淀过程中呈离散状态，其形状、尺寸、质量等物理性状均不改变,下沉速度不受干扰,单独沉降互不聚合,各自完成独立得沉淀过程。在各个过程中只受到颗粒自身在水中得重力与水流阻力得作用。这种类型多表现在沉砂池、初沉池初期。