水污染控制工程概要.docx
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水污染控制工程概要
水污染控制工程
实验指导书
唐山学院
环境与化学工程系
实验一颗粒自由沉淀实验
一、实验目的
1、通过实验学习掌握颗粒自由沉淀的试验方法;
2、进一步了解和掌握自由沉淀的规律,根据实验结果绘制时间-沉淀率(t-E)、沉速-沉淀率(u-E)和Ct/Co~u的关系曲线。
二、实验原理
沉淀是指从液体中借重力作用去除固体颗粒的一种过程。
根据液体中固体物质的浓度和性质,可将沉淀过程分为自由沉淀、沉淀絮凝、成层沉淀和压缩沉淀等4类。
本实验是研究探讨污水中非絮凝性固体颗粒自由沉淀的规律。
实验用沉淀管进行。
设水深为h,在t时间内能沉到深度h颗粒的沉淀速度u=h/t。
根据给定的时间t,计算出颗粒的沉速uo。
凡是沉淀速度等于或大于u0的颗粒在t0时就可以全部去除。
设原水中悬浮物浓度为Co则
沉淀率=(Co-Ct)/C0×100%
在时间t时能沉到深度h颗粒的沉淀速度u:
u=(h×10)/(t×60)(mm/s)
式中:
C0——原水中所含悬浮物浓度,mg/l
C1————经t时间后,污水中残存的悬浮物浓度,mg/l;
h——取样口高度cm;
t——取样时间,min。
三、实验方法
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(k>j≥i)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d 三、实验水样 硅藻土自配水。 四、主要实验设备 1.沉淀实验筒[直径φ140mm,工作有效水深(由溢出口下缘到筒底的距离)为2000mm]; 2.过滤装置 悬浮物定量分析所需设备。 以SS为评价指标时,定量分析设备包括万分之一电子天平,带盖称量瓶,干燥器,烘箱,抽滤机等; 3.玻璃仪器,容量瓶,直尺,秒表 五、实验步骤 1.做好悬浮固体测定的准备工作。 将中速定量滤纸选好,放入托盘,调烘箱至105±1℃,将托盘放入105℃的烘箱烘45min,取出后放入干燥器冷却30min,在1/10000天平上称重,以备过滤时用。 2.开沉淀管的阀门将硅藻土和水注入沉淀管中搅拌均匀。 3.用100ml容量瓶取水样100ml(测得悬浮物浓度为C0)记下取样口高度,开动秒表。 开始记录沉淀时间。 4.时间为5、10、15、20、30、40、60min时,在同一取样口分别取100ml水样,测其悬浮物浓度为(Ct)。 5.一次取样应先排出取样口中的积水,减少误差,在取样前和取样后必须测量沉淀管中液面至取样口的高度,计算时采用二者的平均值。 6.已称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烘箱,重复实验步骤 (1)的工作。 7.悬浮物固体浓度计算 悬浮性固体浓度 Cmg/l={(W1-W2)×1000×1000}/v 式中: W1——滤纸重; W2——滤纸+悬浮性固体的重量; V——水样体积,100ml。 六、原始数据记录 取样时间(min) 0 5 10 15 20 30 40 60 滤纸重W1(g) 滤纸+悬浮性固体的重量W2(g) 取样时间(min) 0 5 10 15 20 30 40 60 取样高度(cm) 取样后高度cm 五、数据处理及结果计算 滤纸编号 5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 取样时间t(min) 0 5 10 15 20 30 40 60 滤纸重W1(g) 滤纸重+悬浮性固体重量W2(g) 取样高度(取样前后平均高度)h(cm) 悬浮性固体浓度Cmg/L 沉速u(mm/s) 沉淀率E(%) 未被去除的悬浮物的百分比P(%) 实验二混凝实验 一、实验目的: 1、通过本实验,加深对混凝机理的理解,了解影响混凝沉淀的主要因素; 2、通过实验,确定给定所配水样的混凝剂最佳投药量; 3、认识无机盐类混凝剂,并掌握配制方法。 二、实验原理: 水中粒径小的悬浮物以及胶体物质,由于微粒的布朗运动,胶体颗粒间的静电斥力和胶体的表面物质,致使水中这种含浊状态稳定。 向水中投加混凝剂后: (1)能降低颗粒间的排斥能峰,降低胶粒的ZeTA电位,实现胶粒“脱稳”; (2)同时也能发生高聚物式高分子混凝剂的吸附架桥作用; (3)网捕作用;达到颗粒的凝聚。 混凝是水处理工艺中十分重要的一个环节。 它所处理的对象,主要是水中悬浮物和胶体物质。 混合和反应是混凝工艺的两个阶段,投药是混凝工艺的前提,选择性能良好的药剂,创造适宜的化学和水利条件,是混凝的关键问题。 由于各种原水有很大差别,混凝效果不尽相同。 混凝剂的效果不仅取决于混凝剂投加量,同时还取决于水的pH值、水流速度梯度等因素。 投加混凝剂的多少,直接影响混凝效果。 投加量不足不可能有很好的混凝效果。 同样,如果投加的混凝剂过多也未必能得到好的混凝效果。 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。 三、实验条件及仪器: 1、实验用水: 自配高岭土水,原水浊度 200~250 2、设备及用具: (1)时变速搅拌机﹙六联﹚; (2)酸度计; (3)WG光电浊度仪; (4)1000mL烧杯、注射器、吸球、移液管; (5)10g/LAl﹙SO4﹚3、蒸馏水; (6)水样。 四、实验步骤: 1、测定原水水温、浊度; 2、认真了解DBJ——621型电动混凝搅拌机的使用方法; 3、分别量取原水样800mL于六个1000mL烧杯中,置于搅拌机平台上; 4、确定形成矾花所用的最小混凝剂量。 方法是通过慢速搅拌烧杯中200mL原水,并每次增加1mL混凝剂投加量,直至矾花出现矾花为止。 这时的混凝剂量作形成矾花的最小投加量。 5、确定实验时的混凝剂投加量。 根据步骤4得出形成矾花最小混凝剂投加量,取其1/4作为1号烧杯的混凝剂投加量,取其2倍作为2号烧杯的混凝剂投加量,用依次增加混凝剂投加量相等的方法求出2-7号烧杯的混凝剂投加量,把混凝剂分别加入1-6号烧杯中。 6、开机,调整搅拌机转速至460~480转/分,待转速稳定后将投药管内的药剂投入水样杯中,并从投药那一刻开始计时, 460~480转/分, 1分钟 100~120转/分, 5分钟 60~80转/分, 10分钟 如果用污水进行混凝实验,污水胶体颗粒比较脆弱、搅拌速度可适当放慢。 7、搅拌完成达设定时间后,停机。 水样杯静沉15分钟。 注意: 不要以带起或搅动矾花15分钟后,用注射器吸取上清液,测残余浊度,将结果填入下表中。 五、注意事项: 1、在搅拌过程中,注意观察并记录矾花的形成、外观、大小、密实程度、沉降性能等; 2、投药时,几组一起头家,避免因时间间隔较长各水样加药后反应时间长短相差太大,混凝效果悬殊。 3、因投药量少,所以要用洗瓶将加药管内的残余药液洗至水样杯内以免影响投药量的精确度; 4、吸取上清夜时,要用相同条件吸取上清夜,不要将水样杯摇动或搅动矾花搅带上来,以免影响测量效果。 六、实验结果整理记录: 1、把原水特征、混凝剂投加情况、沉淀后的剩余浊度记录下表中; 实验进程中残余浊度记录表 第小组姓名实验日期 原水温度浊度pH混凝剂种类、浓度 编号 1 2 3 4 5 6 投药量mL 原水浊度 残余浊度 矾花形成及沉淀过程描述 备注 1 快速搅拌 (min) 转速 (r/min) 2 中速搅拌 (min) 转速 (r/min) 3 慢速搅拌 (min) 转速 (r/min) 2、以沉淀水浊度为纵坐标,混凝剂投药量为横坐标,绘出浊度去除率与药剂投加量关系曲线,并从曲线中求出最佳混凝剂投加量。 思考题: 1、根据本实验所给定的条件,计算出最佳投药量及适用范围。 2、根据实验结果及实验中所观察到的现象,简述影响混凝效果的几个主要因素。 3、为什么投药量大时,混凝效果不一定好? 实验三曝气设备充氧能力的测定(综合性实验) 活性污泥法处理过程中曝气设备的作用是使空气、活性污泥和污染物三者充分混合,使活性污泥处于悬浮状态,促使氧气从气相转移到液相,再从液相转移到活性污泥上,保证微生物有足够的氧进行物质代谢。 由于氧的供给是保证生化处理过程正常进行的主要因素之一,因此,工程设计人员和操作管理人员常需通过实验测定氧的总传递系数 ,评价曝气设备的供氧能力和动力效率。 一实验目的 1、掌握测定曝气设备的氧总传递系数和充氧能力的方法。 2、掌握测定修正系数α、β的方法。 3、了解各种测试方法和数据整理方法的特点。 4、加深理解曝气充氧机理及影响因素。 二涉及知识面 无机化学: 氧化还原理论、传质的基本原理; 化工原理: 泵的使用,工作原理; 水污染控制工程: 氧传递机理-双膜理论、非稳态实验方法及原理、鼓风曝气的基本原理、曝气设备氧总转移系数的理论、空压机的使用及转子流量剂的调节等;环境监测: 水样采集、分析检测。 三实验原理 评价曝气设备充氧能力的试验方法有两种: (1)不稳定状态下进行试验,即实验过程水中溶解氧浓度是变化的,由零增到饱和浓度; (2)稳定状态下的试验,即实验过程水中溶解氧浓度保持不变。 实验可以用清水或在生产运行条件下进行。 下面分别介绍各种方法的基本原理。 (一)不稳定状态下进行试验 在生产现场用自来水或曝气池出流的上清液进行试验时,先用亚硫酸钠(或氮气)进行脱氧,使水中溶解氧降到零,然后再曝气,直至溶解氧升高到接近饱和水平。 假定这个过程中液体是完全混和的,符合一级动力学反应,水中溶解氧的变化可用式 (1)表示 (1) 式中: ——氧转移速率(mg/L.h); KLa——氧的总转递系数(1/h);可以认为是一混和系数,其倒数表示使水中的溶解氧由C变到Cs所需要的时间,是气液界面阻力和界面面积的函数。 Cs——试验条件下自来水(或污水)的溶解氧饱和浓度(mg/L); C——相应于某一时刻t的溶解氧浓度(mg/L). C0——测定开始时间的溶解氧,对于脱氧清水,C0=0 将式 (1)积分得 (2) 式 (2)表明,液体中溶解氧的浓度是时间t的函数,曝气后每隔一段时间t取曝气水样,测水中的溶解氧Ct,从而利用上式计算KLa。 或以 为纵坐标,以时间t 为横坐标,在半对数上绘图,所得直线斜率为KLa/2.303。 其表达式为: (二)稳定状态下进行试验 如果能较正确地测定活性污泥的呼吸速率,也可以在现场生产运行条件下,通过稳定状态下的充氧试验测定曝气设备的充氧能力。 试验时先停止进水和回流污泥,使溶解氧浓度稳定不变,并取出混合液测定活性污泥的呼吸速率,由于溶解氧浓度稳定不变,dC/dt=0,即 (3) 式(3)表明,测得r、Csw和C后,可以计算KLa。 微生物呼吸速率r,可以用瓦勃呼吸仪或本实验中所采用的简便方法进行测定(详见实验步骤)。 由于溶解氧饱和浓度、温度、污水性质和搅动程度等因素都影响氧的传递速率,在实际应用中为了便于比较,须进行压力和温度校正,把非标准条件下的KLa转换成标准条件(20℃,760毫米汞柱)下的KLa,通常采用以下的公式计算 (4) 式中: T——试验时的水温(℃); KLa(T)——水温为T时测得的总传递系数(h-1): KLa(20)——水温20℃时的总传递系数(h-1). 气压对溶解氧饱和浓度的影响为 (5) 当采用表面曝气时,可以直接运用式(5),不须考虑水深的影响。 采用鼓风曝气时,空气扩散器常放置于近池底处,由于氧的溶解度受到进入曝气池的空气中氧分压的增大和气泡上升过程氧被吸收分压减少的影响,计算溶解氧饱和值时应考虑水深的影响,一般以扩散器至水面二分之一距离处的溶解氧饱和浓度作为计算依据。 计算方法如下 1.平均静水压力 (6) 式中: ——上升气泡受到的平均静水压力(kPa); H——扩散器以上的水深(m)。 2.气泡内氧所占的体积比 由于气泡上升过程中部分的氧溶解于水,所以当气泡从池底上升到水面时,气泡中氧的比例减少,其数值为 (7) 式中: ——气泡上升到水面时,气泡内氧的比例; ——在池底时,气泡中氧的比例,21%(体积比); ——扩散设备的空气利用系数。 池底到池面气泡内氧的比例的平均值为 3.氧的平均饱和浓度 (8) 式中: Cs(标)、——标准条件下氧的饱和浓度(mg/L); P——标准大气压,等于101.325kPa。 (三)充氧能力和动力效率 充氧能力可以用下式表示 R0=KLa(20)Cs(标)V(kgO2/h)(9) 式中: V——曝气池体积(m3)。 动力效率常被用以比较各种曝气设备的经济效率,计算公式如下 (10) 式中: OC——标准条件下的充氧能力(kgO2/h); N——采用叶轮曝气时,N为轴功率(kW)。 采用射流曝气时,计算氧转移效率: S为20℃的供氧量: 式中: Q(20)--20℃时空气量(米3/时), 上述方法适用于完全混和型曝气设备充氧能力的测定。 推流式曝气池中KLa、Cs是沿池长方向变化的,不能采用上述方法进行测定。 (四)充氧能力和动力效率 通常以修正系数α、β来表示污水性质、搅拌程度等对于氧的传递、溶解氧饱和浓度的影响。 测定污水的KLa、Cs的方法 四实验装置与设备 (一)实验装置 实验装置的主要部分为微孔曝气、空气压缩机和模型曝气筒。 实验设备和仪器仪表: (1)实验用曝气筒; (2)空气压缩机;(3)溶解氧测定仪;(4)秒表; (5)温度计;(6)烧杯;(7)玻璃棒;(8)量筒;(9)滴管 五实验步骤 1、关闭所有开关,向曝气筒中注入清水(自来水)至1.9m,曝气10min至饱和,用溶解氧测定仪测定水中溶解氧值 s,计算池内氧的总量。 其计算式为: 2、计算投药量 (1)亚硫酸钠的投加量 脱氧剂采用结晶或无水亚硫酸钠,其反应式为 从上面反应式可以知道,每除去1mg溶解氧需要8mg 。 根据池子的容积和自来水(或污水)的溶解氧浓度可以算出 的理论需要量。 实际投加量应为理论值的150%~200%。 计算方法如下: 式中: —— 的实际投加量(mg); ——曝气水量( )。 (2)催化剂采用氯化钴(CoCl2)的投加量,按维持池子中的钴离子浓度为0.05~0.5mg/L左右计算,计算方法如下: 式中: —— 2的投加量(mg); (3)将所称得的脱氧剂和催化剂用温开水化开,由筒顶带入曝气筒中,充分混合后,反应10分钟左右取水样,测定水样中溶解氧浓度。 (4)待溶解氧降为零并稳定后,打开空气压缩机向曝气筒内充氧,同时开始计时,每隔10~15秒测定一次水中溶解氧浓度,并记录,直至水中溶解氧值不再增长为止。 (5)重复实验一次。 (6)记录空气流量(务必稳定)、气温、水温、压力。 (7)观察气泡现象 注意事项: (1)溶解氧测定仪需在指导下正确操作。 (2)注意实验期间要保证供气量恒定。 六实验结果整理 1记录实验设备及操作条件的基本参数 实验日期: 年月日 模型曝气池内径D=m高度H=体积V=L 水温℃室温℃气压(kPa) 实验条件下自来水的Csmg/L CoCl2投加量(g) Na2SO3投加量(g) 2记录不稳定状态下充氧实验测得的溶解氧值。 表不稳定状态下充氧实验记录 T(min) C(mg/L) Cs-C(mg/L) 3.以溶解氧浓度C为纵坐标,时间t为横坐标,用上表数据作C与t关系曲线。 4.根据C与t实验曲线计算相应于不同C值的dC/dt,以1n(Cs—C)和dC/dt为纵坐标,时间t为横坐标,绘制出二条实验曲线,计算Kla值。 5.计算温度修正系数,其公式为 6.计算耗氧速率R0(kg/L)m其公式为 7.计算动力效率EP,,计算式为 七实验结果讨论 1比较数据整理方法,哪一种误差小些? 2试考虑如何测定推流式曝气池内曝气设备的KLa。 3Cs值偏大或偏小对实验结果的影响如何? 实验四完全混合式活性污泥法处理系统的观测和运行 一、实验目的 (1)通过观察完全混合式活性污泥法处理系统运行,加深对其运行特点规律的认识。 (2)通过对模型实验系统的调试和控制,初步培养进行小型模拟实验的基本技能。 (3)熟悉和了解活性污泥处理系统的控制方法。 二、实验原理 活性污泥法是当前活水生物处理技术领域中应用最广泛的技术之一,它的主要意图就是采取适当的人工措施,创造适宜的条件,向反应器——曝气池中提供足够的溶解氧,满足活性污泥微生物生化作用的需要,并使得有机物、微生物、溶解氧三相充分混合,从而强化活性污泥微生物的新陈代谢作用,加速它对有机物的降解,以达到净化水体目的。 1、活性污泥净化反应过程 在活性污泥处理系统中,有机污染物被活性污泥微生物摄取、代谢、利用的过程,即经过了“活性污泥反应”该过程由两个阶段组成。 (1)初期吸附作用: 这是由于活性污泥有很强的吸附能力,可以在较短的时间内在物理吸附和生物吸附的共同作用下将污水中的有机物凝聚和吸附而得到去除。 (2)微生物代谢作用: 在这一阶段中吸附在活性污泥中的有机物在一系列酶的作用下被微生物摄取,一方面有机物得到降解去除,另一方面,微生物自身得到繁殖增长。 2、活性污泥处理系统运行方式 在该处理系统中,可以认为污水或回流的污泥进入曝气池后,立即与池内已经处理而未被泥水分离的处理水充分混合。 这种运行方式有以下几个特点: (1)对冲击负荷有较强的适应能力,适于处理浓度较高的工业废水。 (2)污水在曝气池内均匀分布,各部位水质相同,污泥负荷(F/M)值相等,微生物群体的组成和数量几进一致。 (3)相对于推流式活性污泥处理方式,污泥负荷率较高。 (4)相对于推流式活性污泥处理方式,曝气池内混合液的需氧速度均衡,动力消耗较低。 3、运行参数的控制 (1)污泥负荷(COD)污泥负荷是活性污泥生物处理系统在设计和运行上的一项重要参数,它表示曝气池内单位质量(kg)的活性污泥,在单位时间(d)内能够接受,并将其降解到预定程度的有机污染物量(COD),它是决定有机污染物降解速度,活性污泥增长速度,以及溶解氧被利用的最重要的因素。 计算公式为 F/M=NS=QSa/XV 式中NS——污泥负荷; F——有机物量; M——微生物量; Q——污水流量(m3/d); Sa——原污水中有机污染物(COD)的浓度(mg/l); X——混合液悬浮固体(MLSS)浓度(mg/l); V——曝气池有效容积; (2)污泥龄污泥龄指的是曝气池内活性污泥总量与每日排放污泥量之比,它表示活性污泥在曝气池内的平均停留时间,可由下式计算: QC=VX/[QWXr+(Q–QW)Xe] 式中QC——污泥龄(d); V——曝气池有效容积; X——曝气池内污泥浓度; QW——作为剩余污泥排放的污泥量; Xr——剩余污泥浓度; Q——污水流量; Xe——排放处理水中的悬浮固体浓度。 (3)溶解氧浓度氧是以好氧为主的,活性污泥微生物种群维持生命的必须物质。 在活性污泥净化反应过程中,必须提供足够的溶解氧,否则,微生物生理活动和处理进程都要受到影响,溶解氧浓度不宜低于2mg/l。 三、实验设备和仪器 (1)完全混合活性污泥实验装置(带有转子流量计、配气、配水系统); (2)COD测定仪; (3)溶解氧测定仪; (4)广泛pH试纸(或酸度计); (5)空气压缩机; (6)恒温器; 四、实验试剂 (1)活性污泥; (2)含COD的污水水样。 五、实验操作步骤 (1)将待处理的污水注入水箱,将活性污泥装入曝气池中,调节好污泥回流缝及挡板高度。 (2)调节进水流量,使流量界于0.5~0.7ml/s之间。 (3)认真观察曝气池中的气水混合,污泥在二沉池中沉淀过程,以及污泥从二沉池向曝气池回流的情况。 若池中混合不好,可以稍微加大些曝气量,若沉淀池中污泥沉淀不理想应稍微减小污泥的回流量,若回流污泥不畅,应适当加大回流缝高度。 (4)测定曝气池内水温、pH值及溶解氧浓度。 (5)测定进出水COD值。 六、根据测定的进出水COD浓度计算在给定条件下的有机物除解率 η=(Sa–Se)/Sa×100% 式中Sa——进水COD质量浓度(mg/l); Se——出水COD质量浓度(mg/l)。 七、思考题 (1)简述完全混合式活性污泥法的优缺点。 (2)影响活性污泥法处理系统的因素有哪些? (
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