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水处理工程实验项目清华大学环境科学与工程系一、必修实验实验一：混凝实验二：自由沉淀实验三：气浮实验四：过滤实验五：废水可生化性实验六：厌氧污泥活性的测试实验七：污泥过滤脱水二、选择实验实验八：臭氧脱色实验九：吸附三、演示实验 虹吸滤池 脉冲澄清池 活性污泥工艺 UASB反应器 膜分离技术实验一混凝一、实验目的1、 了解混凝的现象及过程，净水作用及影响混凝的主要因素；2、 学会求水样最佳混凝条件（包括投药量、pH值、水流速度梯度）的基本方法；3、 了解助凝剂对混凝效果的影响。二、实验原理胶体颗粒带有一定电荷，它们之间的电斥力是胶体稳定性的主要因素。胶体表面的电荷值常用电动电位表示，又称为Zeta电位。Zeta电位的高低决定了胶体颗粒之间斥力的大小和影响范围。一般天然水中的胶体颗粒的Zeta电位约在-30mV以上，投加混凝剂之后，只要该电位降到-15mV左右即可得到较好的混凝效果。相反，当Zeta电位降到零，往往不是最佳混凝状态。投加混凝剂的多少，直接影响混凝效果。水质是千变万化的，最佳的投药量各不相同，必须通过实验方可确定。在水中投加混凝剂如Al2(SO4)3、FeCl3后，生成的Al(III)、Fe(III)化合物对胶体的脱稳效果不仅受投加的剂量、水中胶体颗粒的浓度、水温的影响，还受水的pH值影响。如果pH值过低（小于4），则混凝剂水解受到限制，其化合物中很少有高分子物质存在，絮凝作用较差。如果pH值过高（大于9-10），它们就会出现溶解现象，生成带负电荷的络合离子，也不能很好地发挥絮凝作用。投加了混凝剂的水中，胶体颗粒脱稳后相互聚结，逐渐变成大的絮凝体，这时，水流速度梯度G值的大小起着主要的作用。在混凝搅拌实验中，水流速度梯度G值可按下式计算：式中：P搅拌功率（J/s）；水的粘度（Pas）；V被搅动的水流体积（m3）；本实验G值可直接由搅拌器显示板读出。当单独使用混凝剂不能取得预期效果时，需投加助凝剂以提高混凝效果。助凝剂通常是高分子物质，作用机理是高分子物质的吸附架桥，它能改善絮凝体结构，促使细小而松散的絮粒变得粗大而结实。三、实验设备1、 梅宇SC2000-6智能型六联搅拌机（附6个1000ml烧杯）；2、 转速表（用于校正搅拌机的转速）；3、 ORION 828型pH计；4、 温度计；5、 HANNA LP2000浊度仪。四、实验水样各组自定实验水样。水样参考：自配水（高岭土悬浊液）、生活污水、河水等。五、实验药剂1、 精制硫酸铝Al2(SO4)318H2O溶液；2、 氯化铁FeCl36H2O溶液；3、 聚合氯化铝Al2(OH)mCl6-mn溶液；4、 聚丙烯酰胺PAM溶液（助凝剂）；5、 浓度为10%的HCl溶液（化学纯）；6、 浓度为10%的NaOH溶液（化学纯）。本实验提供较高浓度的混凝剂和助凝剂，各组可根据自己实验要求进行稀释。六、实验方案1、 观察矾花：于烧杯中加入一定体积的原水并用玻璃棒慢速搅拌，向烧杯中缓慢投加混凝剂并仔细观察，直到矾花的出现。2、 实验水样千差万别，对不同的水样、不同的混凝剂或助凝剂其最佳混凝条件也各不相同。各组可根据自己的兴趣从以下参考实验方案中进行选择，也可发挥创造力自行确定实验方案。实验方案参考：（1） 选取某种混凝剂，比较其对不同实验水样的混凝效果（2） 选取某种实验水样，比较不同混凝剂的混凝效果（3） 选取某种实验水样，确定某种混凝剂的最佳投加量（4） 选取某种实验水样，确定某种混凝剂的最佳pH值（5） 选取某种实验水样和混凝剂投加量，确定助凝剂的最佳投加量（6） 选取某种实验水样和混凝剂投加量，确定混凝最佳速度梯度注意事项：1、 混凝一般分慢速搅拌和快速搅拌阶段，其搅拌速度和搅拌时间可根据实验自行确定；2、 实验过程中需记录水样的名称及浊度、pH值、温度等参数，同时记录所使用混凝剂或助凝剂的种类和浓度以及混凝时的水流速度梯度等；3、 水样的浊度应取多次测量的平均值；4、 在最佳pH值实验中，用来测定pH值的水样，仍倒入原烧杯中；5、 在测定水的浊度用注射管抽吸上清液时，不要扰动底部沉淀物。同时，各烧杯抽吸的时间间隔应尽量减小。实验二自由沉淀一、实验目的1、 观察沉淀过程，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，求出沉淀曲线。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公式。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，而是要通过静沉实验确定。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D100mm以免颗粒沉淀受柱壁干扰。图1自由沉淀实验装置图1、沉淀柱 2、水泵 3、水箱 4、支架5、气体流量计 6、气体入口 7、排水口 8、取样口一般来说，自由沉淀实验可按以下两个方法进行：（一） 底部取样法底部取样法的沉淀效率通过曲线积分求得。设在一水深为H的沉淀柱内进行自由沉淀实验，如图1所示。将取样口设在水深H处，实验开始时（t=0），整个实验筒内悬浮物颗粒浓度均为C0。分别在t1、t2、tn时刻取样，分别测得浓度为C1、C2、Cn。那么，在时间恰好为t1、t2、tn时，沉速为h/t1=u1、h/t2=u2、h/tn=un的颗粒恰好通过取样口向下沉，相应地这些颗粒在高度H中已不复存在了。记pi=Ci/C0，则1-pi代表时间ti内高度H中完全去除的颗粒百分数，pj-pk（kji）代表沉速位于uj和uk之间的颗粒百分数，在时间ti内，这部分颗粒的去除百分数为，当j、k无限接近时，。这样，在时间ti内，沉淀柱的总沉淀效率。实际操作过程中，可绘出p-u曲线并通过积分求出沉淀效率。（二） 中部取样法与底部取样法不同的是，中部取样法将取样口设在沉淀柱有效沉淀高度（H）的中部。实验开始时，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，悬浮物在筒内的分布变得不均匀。不同沉淀时间ti，颗粒下沉到池底的最小沉淀速度ui相应为。严格来说，此时应将实验筒内有效水深H的全部水样取出，测量其悬浮物含量，来计算出ti时间内的沉淀效率。但这样工作量太大，而且每个实验筒只能求一个沉淀时间的沉淀效率。为了克服上述弊病，又考虑到实验筒内悬浮物浓度随水深的变化，所以我们提出的实验方法是将取样口装在H/2处，近似地认为该处水样的悬浮物浓度代表整个有效水深内悬浮物的平均浓度。我们认为这样做在工程上的误差是允许的，而实验及测定工作也可以大为简化，在一个实验筒内就可以多次取样，完成沉淀曲线的实验。假设此时取样点处水样水样悬浮物浓度为Ci，则颗粒总去除率。而则反映了ti时未被去除的颗粒（即dKs，此时式（3）就可以简化为： （4）或： （5）其中的就是上面提到的厌氧污泥的最大比产甲烷速率。从式（5）可以知道，我们只要能够通过试验求得某种污泥的产甲烷速率，就可以得到该种污泥的最大比产甲烷速率，即其活性。从可以进一步推算出衡量厌氧污泥活性的另一个指标最大比COD去除速率（Umax.COD），一般可以有下面的两种方法：第一，先求出COD对CH4的转化系数Yg，再由Yg和计算Umax.COD，即： （6）则： （7）上两式中：间歇培养结束时的累积甲烷产量（ml）；培养瓶内初始COD浓度（g/L）；标志绝对温度（273K）；测试时室温绝对温度（K）第二，假定在厌氧条件下，约有15%的有机物会被用于合成菌体细胞，剩下的有机物则被转化为甲烷，又根据1gCOD在厌氧条件下完全分解理论上能产生350mlCH4，由此得出最大比COD去除速率和最大比产甲烷速率之间的关系如下： （8）二、测试装置及方法（一）测试装置厌氧污泥活性的测试可以采用如下的间歇试验的方法，其装置如下图所示。史氏发酵管恒温水浴槽锥形瓶厌氧污泥活性测试的间歇试验装置图如图所示，装有一定量受试厌氧污泥的100ml锥形反应瓶被放置在可以控温的恒温水浴槽内，反应瓶内还装有被调整到一定浓度的受试的有机物溶液或某种有机废水，反应瓶用橡胶塞密封并通过细小的乳胶管与25ml史氏发酵管相连，可以保证反应瓶内所产生的沼气能够以小气泡的形式进入史氏发酵管内，并在通过浓度为2N的NaOH的NaCl饱和溶液的过程中，沼气中的CO2、H2S等酸性气体可以被碱液吸收，而余下的、被计量的气体可认为是完全是甲烷气体。（二）试验条件 （1）温度：温度对污泥活性有很大的影响，一般选取中温（351C）或常温（20251C）进行测试，也可以根据需要选择其它温度；（2）pH值：由于一般认为产甲烷细菌的最佳pH值是在6.87.2的范围内，而对于普通的厌氧污泥，其pH值范围可以放宽到6.57.5的范围，因此，在厌氧污泥活性的测试试验中一般通过在反应瓶中加入NaHCO3将其pH值调节到7.0左右；（3）基质浓度及污泥浓度：基质浓度一般设定为5000mgCOD/L，而污泥浓度取37gVSS/L，保证二者的比值约为0.71.6，基质中还必须加入适量的N、P等营养元素，必要时还需要加入微量金属元素和酵母浸出膏或某些特殊的维生素等，在稀释时应该用去氧水进行稀释。（三）测试步骤 （1）首先在锥形瓶容积为100ml处作好标记，再加入浓度为10000mgCOD/L的营养母液50ml，再加入一定量的受试厌氧污泥（保持COD/VSS = 0.71.6），并用去氧水稀释至100ml； （2）把恒温水浴槽调至所需要的反应温度，将锥形瓶、橡胶管、史氏发酵管等连接好，并利用N2将锥形瓶上部的空气驱除； （3）将锥形瓶摇匀并放置在水浴槽内开始试验，一般每小时读取史氏发酵管内的产甲烷气体量一次，每次读数后都需要再次将锥形瓶轻轻摇动以使基质与污泥充分接触以及基质浓度分布均匀，一般整个反应过程共需要约10h，但对于活性较低的污泥可能需要的时间更长； （4）当反应瓶内的污泥不再大量产气后，即可认为反应基本结束，此时，需要将锥形瓶内的混合液进行离心分离（或过滤）后测量其VSS量；（5）进行数据整理，计算出及Umax.COD。（6）一般要求每个试验需有23个平行样，以保证试验结果的可靠性。（四）、测试数据的处理 由于间歇反应开始启动，培养瓶的气室内存在着空气（或氮气）会使反应初期用碱液吸收计量出的甲烷产量读数偏高，引起误差，反应初期进入史氏发酵管的沼气中的空气体积分数可用下式表示： （9）式中：Ea培养瓶的出气中，空气（或N2）的体积分数； Vg(t)反应开始后到t时的累计出气量（ml）； Va培养瓶中气室的容积（ml）。 由（9）式计算可知，当为3.5时，Ea为0.03，即当累计出气量为气室容积的3.5倍时，进入史氏发酵管的气体中的空气（或N2）含量只占3%，此时可以认为气室内的空气（或N2）已基本排完。实际试验时，取史氏发酵管计量的产气量达气室容积3.5倍以后的数据作为求的计算数值，便可消除空气（或N2）的影响。（五）与Umax.COD的计算040801201602000481216202428反应时间（h)累积甲烷产量(ml)直线段3.5倍Va斜率厌氧污泥活性测试试验中累积产甲烷量随时间的变化曲线将厌氧污泥和底物放入培养瓶后，经过一定时间的培养，可得如下图所示的累计甲烷产量（）曲线。一般情况下，在反应的初期，由于反应瓶内的底物浓度相对较高，累积甲烷产量会以较为恒定的速度增加，即产甲烷过程呈零级反应，如图所示的线性增加的直线段；经过一段时间的反应后，反应瓶内的基质浓度由于不断的被降解而迅速下降，使产甲烷过程不再呈零级反应，在图中表现为随时间呈非线性变化。由于我们关心的只是最大比产甲烷速率，因此只需要采用一元线性回归的方法求出t曲线上的直线段的斜率K，再通过一些计算就可得到受试污泥在试验条件下的最大比产甲烷速率，还可以根据上述的公式（7）或公式（8）进一步计算出其最大比COD去除速率Umax.COD。如前所述，应取值为3.5Va以后的数据点作为直线段的起点求斜率K。因此，在试验过程中，可以不必测出整个累积曲线，而只需测出直线段即可，所以一般来说试验时间共需10h左右。计算中，一般可忽略试验环境的大气压与标准状态下的大气压的偏差，并可忽略史氏发酵管集气段气压与外界大气压的偏差（此偏差不超过1.2%）则可用下式近似计算： （10）式中：K累积甲烷产量时间曲线上直线段的斜率（ml CH4/h）。实验七 污泥过滤脱水一、实验目的1.通过实验掌握污泥比阻的测定方法；2.掌握用布氏漏斗试验选择混凝剂；3.掌握确定污泥的最佳混凝剂投加量；二、实验原理污泥比阻是表示污泥过滤特性的综合性指标，它的物理意义是：单位重量的污泥在一定压力下过滤时在单位过滤面积上的阻力。求此值的作用是比较不同的污泥(或同一种污泥加入不同量的混剂后)的过滤性能。污泥比阻愈大，过滤性能愈差。过滤时滤液体积V(ml)与推动力P(过滤时的压强降g/(cm2)，过滤面积F(cm2)，过滤时间t(s)成正比，而与过滤阻力R(cmS2/ml)，滤液粘度(g/cm2s)成反比。 (1)过滤阻力包括滤渣阻力Rc和过滤隔层阻力Rg构成。而阻力R随滤渣层的厚度增加而增大，过滤速度则减少。因此将(1)式改写成微分形式： (2)由于Rg比Rc相对说较小，为简化计算，姑且忽略不计。 (3)式中：单位体积污泥的比阻。：滤渣厚度C：获得单位体积滤液所得的滤渣体积。如以滤渣干重代替滤渣体积，单位重量污泥的比阻代替单位体积污泥的比阻，则(3)式可改写为： (4)式中：污泥比阻，在CGS制中，其量纲为(s2/g)，在工程单位制中其量纲为(cm/g)。在定压下，在积分界线由)到t及O到V内对(4)式积分，可得： (5)式(5)说明在定压下过滤，t/V与V成直线关系，其斜率为： (6) 因此，为求得污泥比阻，需要在实验条件下求出b及C。b的求法可在定压下(真空度保持不变)通过测定一系列的tV数据，用图解法求得。C的求法：根据所设定义： 滤饼干重(g/ml)滤液 (7)式中：Q0：污泥量，ml；Qy：滤液量，ml;Cd:滤饼固体浓度，g/ml根据液体平衡，有下式成立：Q0=Qy+Qd根据固体平衡，有下式成立：Q0C0=QyCy+QdCd式中：C0：污泥固体浓度，g/mlCy：滤液固体浓度，g/mlQd：滤饼量，ml。可得：代入(7)式，简化后得： (8)上述求C值的方法，必须量测滤饼的厚度方可求得：但在实验过程中量测滤饼厚度是很困难的，且不易量准，故改用测滤饼含水比的方法，求C值：滤饼干量(g/ml)滤液式中：C：100g污泥中的干污泥量； C：100g滤饼中的干污泥量。例如污泥含水比97.7%，滤饼含水率为80%一般认为比阻在1091010S2/g的污泥算作难过滤的污泥，比阻在(0.50.9)109S2/g的污泥算作中等，比阻小于0.4109S2/g的污泥容易过滤。投加混凝剂可以改善污泥的脱水性能，使污泥的比阻减小。对于无机混凝剂如FeCl3Al2(SO4)3等投加量，一般为污泥干重的510%高分子混凝剂如聚丙烯酰胺，碱式氯化铝等，投加量一般为干污泥重的1%”三、实验设备 污泥比阻测试仪器一套以及相应的污泥浓度测试仪器等。四、实验步骤1.测定污泥的含水率，求出其固体浓度C0；2.配制FeCl3(10g/l)和Al2(SO4)3(10g/l)混凝剂；3.加入FeCl3混凝剂调节污泥(每组加一种混凝剂量)，加量分别为干污泥重的0%(不加混凝剂)2%，4%，6%，8%，10%。4.在布氏漏斗上(直径6580mm)放置滤纸，用水润湿，贴紧周底。5.开动真空泵，调节真空压力，大约比实验压力小1/3(实验时真空压力采用266mmHg或532mmHg)关掉真空泵。6.加入100ml需实验的污泥于布氏漏斗中，开动真空泵，调节真空压力至实验压力；达到此压力后，开始起动秒表，并记下开始时计量管内的滤液V0。7.间隔一定时间(开始过滤时可每隔10或15秒，滤速减慢后可隔30或60秒)记下计量管内相应的滤液量。8.一直过滤至真空破坏，如真空长时间不破坏，则过滤20