【正文】 水污染控制工程實(shí) 驗(yàn) 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(shí)驗(yàn)一 混凝實(shí)驗(yàn)主題詞：混凝 混凝劑 投藥量主要操作：攪拌 測(cè)定濁度一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆稚⒃谒械哪z體顆粒帶有電荷，同時(shí)在布朗運(yùn)動(dòng)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。混凝劑的混凝效果不僅取決于混凝劑投加量，同時(shí)還取決于水的PH、水流速度梯度等因素。通過本實(shí)驗(yàn)希望達(dá)到下述目的：（1）觀察混凝現(xiàn)象及過程，了解混凝的凈水機(jī)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(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)，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。化學(xué)混凝的處理對(duì)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(dá)到廢水凈化效果的目的。關(guān)于化學(xué)混凝的機(jī)理主要有以下四種解釋。壓縮雙電層機(jī)理當(dāng)兩個(gè)膠粒相互接近以至雙電層發(fā)生重疊時(shí)，就產(chǎn)生靜電斥力。加入的反離子與擴(kuò)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(kuò)散層厚度減小。由于擴(kuò)散層減薄，顆粒相撞時(shí)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橹鳎w粒就能相互凝聚。吸附電中和機(jī)理異號(hào)膠粒間相互吸引達(dá)到電中和而凝聚；大膠粒吸附許多小膠粒或異號(hào)離子，ξ電位降低，吸引力使同號(hào)膠粒相互靠近發(fā)生凝聚。 吸附架橋機(jī)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(xì)微懸浮物等發(fā)生吸附橋連的現(xiàn)象。沉淀物網(wǎng)捕機(jī)理當(dāng)采用鋁鹽或鐵鹽等高價(jià)金屬鹽類作凝聚劑時(shí)，當(dāng)投加量很大形成大量的金屬氫氧化物沉淀時(shí)，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(jī)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(shí)現(xiàn)膠?！懊摲€(wěn)”；②同時(shí)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(dá)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(shí)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(dú)存在的，往往同時(shí)存在，只是在一定情況下以某種現(xiàn)象為主。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試劑1. 智能型混凝試驗(yàn)攪拌儀1臺(tái)。2. PHS2型酸度計(jì)1臺(tái)。3. HACH 2100N濁度儀1臺(tái)。4. 燒杯（200mL，7個(gè)）5. 移液管（1mL ，2mL ，5mL ，10mL ，各1支）6. 洗耳球1個(gè)，配合移液管移藥用。7. 量筒（1000mL， 1個(gè)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用原水）四、實(shí)驗(yàn)步驟混凝實(shí)驗(yàn)分為最佳投藥量、最佳pH、最佳水流速度梯度三部分。在進(jìn)行最佳投藥量實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shí)驗(yàn)步驟（1）確定原水特征，即測(cè)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(shí)的混凝劑量作為形成礬花的最小投加量。（3）用6個(gè)1000mL的燒杯，分別放入800mL原水，置于混凝試驗(yàn)攪拌儀平臺(tái)上。（4）確定實(shí)驗(yàn)時(shí)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(hào)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(hào)燒杯的混凝劑投加量。加藥時(shí)，把混凝劑分別加到儀器上1～6號(hào)加藥管中，這樣可以保證同時(shí)加藥。（5）啟動(dòng)攪拌機(jī)，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(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，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(jī)，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(cè)定濁度（每杯水樣測(cè)定三次），記入表1中。2. 最佳pH實(shí)驗(yàn)步驟（1）用6個(gè)1000mL的燒杯，分別放入800mL原水，置于混凝試驗(yàn)攪拌儀平臺(tái)上。（2）調(diào)整原水pH，用移液管依次向1號(hào)，2號(hào)，， 10%濃度的鹽酸。依次向5號(hào)， ， 10%濃度的氫氧化鈉。（3）啟動(dòng)攪拌機(jī)，快速攪拌30 s，轉(zhuǎn)速約300 r/min。用酸度計(jì)測(cè)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(shí)驗(yàn)1中得出的最佳投藥量結(jié)果）。（5）啟動(dòng)攪拌機(jī)，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(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，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(jī)，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(cè)定濁度（每杯水樣測(cè)定三次），記入表2中。注意事項(xiàng)：①在最佳投藥量、最佳pH實(shí)驗(yàn)中，向各燒杯投加藥劑時(shí)要求同時(shí)投加，避免因時(shí)間間隔較長各水樣加藥后反應(yīng)時(shí)間長短相差太大，混凝效果懸殊。②在測(cè)定水的濁度、用注射針筒抽吸上清液時(shí)，不要擾動(dòng)底部沉淀物。同時(shí)，各燒杯抽吸的時(shí)間間隔盡量減小。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理1. 最佳投藥量實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄實(shí)驗(yàn)小組號(hào) 姓名 實(shí)驗(yàn)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(hào)123456投藥量（mg/L）初礬花時(shí)間（min）礬花沉淀情況剩余濁度（NTV）表2 最佳pH水樣編號(hào)123456HCl（mL）NaOH（mL）水樣pH剩余濁度（NTV）六、思考題1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象，簡(jiǎn)述影響混凝的幾個(gè)主要因素。2. 為什么最大投藥量時(shí)，混凝效果不一定好?3. 根據(jù)最佳投藥量實(shí)驗(yàn)曲線，分析沉淀水濁度與混凝劑投加量的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)二 自由沉淀實(shí)驗(yàn)主題詞：自由沉淀 去除率 沉淀柱 顆粒主要操作：取樣 測(cè)定懸浮物含量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）加深對(duì)自由沉淀特點(diǎn)、基本概念及沉淀規(guī)律的理解；（2）掌握顆粒自由沉淀的實(shí)驗(yàn)方法；（3）對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理、計(jì)算和繪制顆粒自由沉淀曲線。二、實(shí)驗(yàn)原理濃度較稀的、粒狀顆粒的沉淀屬于自由沉淀，其特點(diǎn)是靜沉過程中顆粒互不干擾、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(shí)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(gè)顆粒沉淀時(shí)的運(yùn)動(dòng)變化特點(diǎn)，（考慮的是懸浮物個(gè)體），而對(duì)成層沉淀的研究卻是針對(duì)懸浮物整體，即整個(gè)渾液面的沉淀變化過程。成層沉淀時(shí)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(shí)程度。為了研究濃縮，提供從濃縮角度設(shè)計(jì)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(shí)地反映客觀實(shí)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(jī)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(dú)立完成勻速沉降過程。自由沉淀實(shí)驗(yàn)一般在沉淀柱里進(jìn)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(jì)算三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試劑1. 沉淀用有機(jī)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(gè)，，。2. 配水系統(tǒng)一套。3. 計(jì)量水深用標(biāo)尺、計(jì)時(shí)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(shí)驗(yàn)步驟1. 檢查