【正文】 水污染控制工程實 驗 講 義《環(huán)境工程》教研組 編徐州師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院實驗一 混凝實驗主題詞：混凝 混凝劑 投藥量主要操作：攪拌 測定濁度一、實驗?zāi)康姆稚⒃谒械哪z體顆粒帶有電荷，同時在布朗運動及其表面水化膜作用下，長期處于穩(wěn)定分散狀態(tài)，不能用自然沉淀法去除。向這種水中投加混凝劑后，可以使分散顆粒相互結(jié)合聚集增大，從水中分離出來。由于各種原水有很大差別，混凝效果不盡相同?；炷齽┑幕炷Ч粌H取決于混凝劑投加量，同時還取決于水的PH、水流速度梯度等因素。通過本實驗希望達到下述目的：（1）觀察混凝現(xiàn)象及過程，了解混凝的凈水機理及影響混凝的重要因素；（2）掌握求得某水樣最佳混凝條件（投藥量、pH）的基本方法。二、實驗原理水中粒徑小的懸浮物以及膠體物質(zhì)，由于微粒的布朗運動，膠體顆粒間的靜電斥力和膠體的表面作用，致使水中這種渾濁狀態(tài)穩(wěn)定?；瘜W(xué)混凝的處理對象主要是廢水中的微小懸浮物和膠體物質(zhì)。根據(jù)膠體的特性，在廢水處理過程中通常采用投加電解質(zhì)、不同電荷的膠體或高分子等方法破壞膠體的穩(wěn)定性，然后通過沉淀分離，達到廢水凈化效果的目的。關(guān)于化學(xué)混凝的機理主要有以下四種解釋。壓縮雙電層機理當(dāng)兩個膠粒相互接近以至雙電層發(fā)生重疊時，就產(chǎn)生靜電斥力。加入的反離子與擴散層原有反離子之間的靜電斥力將部分反離子擠壓到吸附層中，從而使擴散層厚度減小。由于擴散層減薄，顆粒相撞時的距離減少，相互間的吸引力變大。顆粒間排斥力與吸引力的合力由斥力為主變?yōu)橐砸橹?，顆粒就能相互凝聚。吸附電中和機理異號膠粒間相互吸引達到電中和而凝聚；大膠粒吸附許多小膠?；虍愄栯x子，ξ電位降低，吸引力使同號膠粒相互靠近發(fā)生凝聚。 吸附架橋機理吸附架橋作用是指鏈狀高分子聚合物在靜電引力、范德華力和氫鍵力等作用下，通過活性部位與膠粒和細微懸浮物等發(fā)生吸附橋連的現(xiàn)象。沉淀物網(wǎng)捕機理當(dāng)采用鋁鹽或鐵鹽等高價金屬鹽類作凝聚劑時，當(dāng)投加量很大形成大量的金屬氫氧化物沉淀時，可以網(wǎng)捕、卷掃水中的膠粒，水中的膠粒以這些沉淀為核心產(chǎn)生沉淀。這基本上是一種機械作用。向水中投加混凝劑后，由于：①能降低顆粒間的排斥能峰，降低膠粒的ζ電位，實現(xiàn)膠?！懊摲€(wěn)”；②同時也能發(fā)生高聚物式高分子混凝劑的吸附架橋作用；③網(wǎng)捕作用，而達到顆粒的凝聚。消除或降低膠體顆粒穩(wěn)定因素的過程叫做脫穩(wěn)。脫穩(wěn)后的膠粒，在一定的水力條件下，才能形成較大的絮凝體，俗稱礬花。直徑較大且較密實的礬花容易下沉。自投加混凝劑直至形成較大礬花的過程叫混凝。在混凝過程中，上述現(xiàn)象常不是單獨存在的，往往同時存在，只是在一定情況下以某種現(xiàn)象為主。三、實驗設(shè)備與試劑1. 智能型混凝試驗攪拌儀1臺。2. PHS2型酸度計1臺。3. HACH 2100N濁度儀1臺。4. 燒杯（200mL，7個）5. 移液管（1mL ，2mL ，5mL ，10mL ，各1支）6. 洗耳球1個，配合移液管移藥用。7. 量筒（1000mL， 1個，量原水體積）8. 混凝劑：聚合硫酸鐵（PFS）、聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵鋁（PAFS）、聚丙烯酰胺（PAM）等；濃度1%或10g/L9. 鹽酸、氫氧化鈉（濃度10%）10. 注射針筒11. 實驗用原水（取河水或用黏土和自來水配成水樣20L，靜沉6h，其上清液為實驗用原水）四、實驗步驟混凝實驗分為最佳投藥量、最佳pH、最佳水流速度梯度三部分。在進行最佳投藥量實驗時，先選定一種攪拌速度變化方式和pH，求出最佳投藥量。然后按照最佳投藥量求出混凝最佳pH。最后根據(jù)最佳投藥量、最佳pH，求出最佳的速度梯度。1. 最佳投藥量實驗步驟（1）確定原水特征，即測定原水水樣渾濁度、pH、溫度。（2）確定形成礬花所用的最小混凝劑量。方法是通過慢速攪拌（或50r/min）燒杯中800mL原水，直至出現(xiàn)礬花為止。這時的混凝劑量作為形成礬花的最小投加量。（3）用6個1000mL的燒杯，分別放入800mL原水，置于混凝試驗攪拌儀平臺上。（4）確定實驗時的混凝劑投加量。根據(jù)步驟（2）得出的形成礬花最小混凝劑投加量，取其1/4作為1號燒杯的混凝劑投加量，取其1/2，3/4，1，3/2，2倍作為2～6號燒杯的混凝劑投加量。加藥時，把混凝劑分別加到儀器上1～6號加藥管中，這樣可以保證同時加藥。（5）啟動攪拌機，快速攪拌30 s，轉(zhuǎn)速約300 r/min；中速攪拌6min，轉(zhuǎn)速約100 r/min；慢速攪拌6min，轉(zhuǎn)速約50 r/min。如果用污水進行混凝實驗，污水膠體顆粒比較脆弱，攪拌速度可適當(dāng)放慢。（6）關(guān)閉攪拌機，抬起攪拌槳，靜置沉淀5 min，用50 mL注射針筒抽出燒杯中的上清液（共抽三次約100mL）放入200 mL燒杯內(nèi)，立即用濁度儀測定濁度（每杯水樣測定三次），記入表1中。2. 最佳pH實驗步驟（1）用6個1000mL的燒杯，分別放入800mL原水，置于混凝試驗攪拌儀平臺上。（2）調(diào)整原水pH，用移液管依次向1號，2號，， 10%濃度的鹽酸。依次向5號， ， 10%濃度的氫氧化鈉。（3）啟動攪拌機，快速攪拌30 s，轉(zhuǎn)速約300 r/min。用酸度計測定各水樣的pH，記入表2中。（4）利用儀器的加藥管，向各燒杯中加入相同劑量的混凝劑（最佳劑量采用實驗1中得出的最佳投藥量結(jié)果）。（5）啟動攪拌機，快速攪拌30 s，轉(zhuǎn)速約300 r/min；中速攪拌6min，轉(zhuǎn)速約100 r/min；慢速攪拌6min，轉(zhuǎn)速約50 r/min。如果用污水進行混凝實驗，污水膠體顆粒比較脆弱，攪拌速度可適當(dāng)放慢。（6）關(guān)閉攪拌機，抬起攪拌槳，靜置沉淀5 min，用50 mL注射針筒抽出燒杯中的上清液（共抽三次約100mL）放入200 mL燒杯內(nèi)，立即用濁度儀測定濁度（每杯水樣測定三次），記入表2中。注意事項：①在最佳投藥量、最佳pH實驗中，向各燒杯投加藥劑時要求同時投加，避免因時間間隔較長各水樣加藥后反應(yīng)時間長短相差太大，混凝效果懸殊。②在測定水的濁度、用注射針筒抽吸上清液時，不要擾動底部沉淀物。同時，各燒杯抽吸的時間間隔盡量減小。五、實驗結(jié)果整理1. 最佳投藥量實驗結(jié)果整理（1）把原水特征、混凝劑投加情況、沉淀后的剩余濁度記入表1中。（2）以剩余濁度為縱坐標(biāo)，投藥量為橫坐標(biāo)，繪制剩余濁度與投藥量關(guān)系曲線，從曲線上可求得不大于某一剩余濁度的最佳投藥量值。2. 最佳pH實驗結(jié)果整理（1）把原水特征、混凝劑投加情況、酸堿加注情況、沉淀后的剩余濁度記入表2中。（2）以剩余濁度為縱坐標(biāo)，水樣pH為橫坐標(biāo)，繪制剩余濁度與pH關(guān)系曲線，從圖上求出所投加混凝劑的混凝最佳pH及其適用范圍。實驗結(jié)果記錄實驗小組號 姓名 實驗日期 混凝劑 混凝劑濃度 原水濁度 原水pH 原水溫度 最小混凝劑量（mL） 相當(dāng)于（mg/L） 表1 最佳混凝劑投加量水樣編號123456投藥量（mg/L）初礬花時間（min）礬花沉淀情況剩余濁度（NTV）表2 最佳pH水樣編號123456HCl（mL）NaOH（mL）水樣pH剩余濁度（NTV）六、思考題1. 根據(jù)實驗結(jié)果以及實驗中所觀察到的現(xiàn)象，簡述影響混凝的幾個主要因素。2. 為什么最大投藥量時，混凝效果不一定好?3. 根據(jù)最佳投藥量實驗曲線，分析沉淀水濁度與混凝劑投加量的關(guān)系。實驗二 自由沉淀實驗主題詞：自由沉淀 去除率 沉淀柱 顆粒主要操作：取樣 測定懸浮物含量一、實驗?zāi)康模?）加深對自由沉淀特點、基本概念及沉淀規(guī)律的理解；（2）掌握顆粒自由沉淀的實驗方法；（3）對實驗數(shù)據(jù)進行分析、整理、計算和繪制顆粒自由沉淀曲線。二、實驗原理濃度較稀的、粒狀顆粒的沉淀屬于自由沉淀，其特點是靜沉過程中顆?；ゲ桓蓴_、等速下沉，其沉速在層流區(qū)符合Stokes(斯篤克斯)公式。懸浮物濃度不太高，一般在600~700mg/L以下的絮狀顆粒的沉淀屬于絮凝沉淀，沉淀過程中由于顆粒相互碰撞，凝聚變大，沉速不斷加大，因此顆粒沉速實際上是一變速。濃度大于某值的高濃度水，顆粒的下沉均表現(xiàn)為渾濁液面的整體下沉。這與自由沉淀、絮凝沉淀完全不同，后兩者研究的都是一個顆粒沉淀時的運動變化特點，（考慮的是懸浮物個體），而對成層沉淀的研究卻是針對懸浮物整體，即整個渾液面的沉淀變化過程。成層沉淀時顆粒間相互位置保持不變，顆粒下沉速度即為渾液面等速下沉速度。該速度與原水濃度、懸浮物性質(zhì)等有關(guān)而與沉淀深度無關(guān)。但沉淀有效水深影響變濃區(qū)沉速和壓縮區(qū)壓實程度。為了研究濃縮，提供從濃縮角度設(shè)計澄清濃縮池所必需的參數(shù)，應(yīng)考慮沉降柱的有效水深。此外，高濃度水沉淀過程中，器壁效應(yīng)更為突出，為了能真實地反映客觀實際狀態(tài)，沉淀柱直徑一般要≥200mm，而且柱內(nèi)還應(yīng)裝有慢速攪拌裝置，以消除器壁效應(yīng)和模擬沉淀池內(nèi)刮泥機的作用。非絮凝性或弱絮凝性固體顆粒在稀懸浮液中的沉淀，屬于自由沉淀。由于懸浮固體濃度低，而且顆粒之間不發(fā)生聚集，因此在沉降過程中顆粒的形狀、粒徑和密度都保持不變，互不干擾地各自獨立完成勻速沉降過程。自由沉淀實驗一般在沉淀柱里進行，其直徑應(yīng)足夠大，一般應(yīng)使D≥100mm，以免顆粒沉淀受柱壁干擾。在沉淀柱內(nèi)，顆粒物的總?cè)コ蕿槭街? E總沉淀效率； P0沉速小于ui的顆粒在全部懸浮顆粒中所占的百分?jǐn)?shù)； 1P0沉速大于或等于ui的顆粒去除百分?jǐn)?shù)； ui某一指定顆粒的最小沉降速度； u小于最小沉降速度ui的顆粒沉速。工程上常用下式計算三、實驗設(shè)備與試劑1. 沉淀用有機玻璃柱，內(nèi)徑D=150mm，高H=1700mm。工作水深即由柱內(nèi)液面至取樣口的距離，取樣口共有6個，，。2. 配水系統(tǒng)一套。3. 計量水深用標(biāo)尺、計時用秒表；4. 懸浮物定量分析用電子天平、定量濾紙、稱量瓶、烘箱、抽濾裝置、干燥器等裝置；四、 實驗步驟1. 檢查