颗粒自由沉淀实验

实验20  颗粒自由沉淀实验 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，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 ，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。 注：本实验用浊度代替悬浮物浓度进行各种计算。 三、实验仪器及用具 （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 四、实验步骤 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               五、成果整理 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                 六、思考题 6.1  绘制自由沉淀静沉曲线的方法和及意义。 6.2  比较取样口高度分别为0.5m、1.0m的两组数据，并分析之。