【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 水深以內(nèi)才能沉到池底。因此能沉至池底的這部分顆粒，占這種粒徑的百分比為x/H，如圖1所示，而此即為同一粒徑顆粒的去除率。取u0=ui，則設(shè)計(jì)選用的顆粒沉速us=ux有由上述分析可見，dPs反映了具有沉速us的顆粒占全部顆粒的百分比，而，則反映了在設(shè)計(jì)沉速為u0的前提下，具有沉速us(u0)的顆粒去除量占本顆粒總量的百分比。故 正是反映了設(shè)計(jì)沉速為u0時(shí)，具有沉速us的顆粒所能去除的部分占全部顆粒的比率。利用積分求解這部分usu0的顆粒的去除率，則為故顆粒的去除率為： 工程中常用下式計(jì)算：三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試劑：硅藻土配水：自由沉淀實(shí)驗(yàn)裝置、燒杯、玻璃棒等。：分析天平、稱量瓶、干燥器、烘箱、抽濾裝置、定量濾紙等。四、實(shí)驗(yàn)步驟，開啟循環(huán)管路閘門2，用泵循環(huán)或機(jī)械攪拌裝置攪拌，待池內(nèi)水質(zhì)均勻后，從池內(nèi)取樣，測(cè)定懸浮物濃度，此即為C0值。、3，關(guān)閉閘門2，水經(jīng)配水管進(jìn)入沉淀管內(nèi)，當(dāng)水上升到溢流口，并流出后，關(guān)閉閘門3，停泵。記錄時(shí)間，沉淀實(shí)驗(yàn)開始。，10min，20min，30min，40min，60min分別由取樣口取樣，取樣前要先排出取樣口的積水10mL，每次取300mL左右，分兩個(gè)100mL（平行樣），過濾、烘干、稱重。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 水樣性質(zhì)及來源：沉淀柱直徑d= 柱高H=水溫/℃ 原水懸浮物濃度C0/(mg/L)。將實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)按表2－2整理，以備計(jì)算分析之用。表2－1顆粒自由沉淀實(shí)驗(yàn)記錄沉淀時(shí)間/min沉淀高度(H/cm)稱量瓶號(hào)稱量瓶+濾紙質(zhì)量/g瓶紙+SS質(zhì)量/g水樣SS質(zhì)量/g取樣體積（mL）C0/(mg/L)/(mg/L)05102030406090表2－2 實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)整理表沉淀時(shí)間/min05102030406090沉淀高度/cm實(shí)測(cè)水樣SS/(mg/L)計(jì)算用SS/(mg/L)顆粒沉速u/(mm/s)未被移除顆粒百分比Pi懸浮物的去除率Ei六、注意事項(xiàng)，速度要適中。既要較快完成進(jìn)水，以防進(jìn)水中一些較重顆粒沉淀；又要防止速度過快造成柱內(nèi)水體紊動(dòng)，影響靜沉實(shí)驗(yàn)效果。，一定要記錄管中水面至取樣口距離H0(cm)。，先排除管中積水而后取樣，每次約取300～400ml。，因顆粒較重，從燒杯取樣要邊攪邊吸，以保證兩平行水樣的均勻性。貼于移液管壁上細(xì)小的顆粒一定要用蒸餾水洗凈。七、思考題。=，H=，兩組實(shí)驗(yàn)成果是否一樣，為什么？，按E=[(C0－Ci)/C0]100﹪計(jì)算不同沉淀時(shí)間t的沉淀效率E，繪制E～t,E～u的靜沉曲線，并合上述整理結(jié)果加以對(duì)照與分析，指出上述兩種整理方法結(jié)果的適用條件。實(shí)驗(yàn)九 混凝實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)意義及目的(1)觀察混凝現(xiàn)象，加深對(duì)混凝機(jī)理的理解，了解混凝效果的影響因素。(2)掌握混凝燒杯攪拌實(shí)驗(yàn)的方法和一般步驟。 (3)通過燒杯實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)確定一般水體最佳混凝條件的基本方法，包括投藥量，pH和速度梯度。二、實(shí)驗(yàn)原理混凝是通過向水中投加藥劑使膠體物質(zhì)脫穩(wěn)并聚集成較大的顆粒，以使其在后續(xù)的沉淀過程中分離或在過濾過程中能被截除?；炷墙o水處理中的一個(gè)重要工藝過程。天然水中由于含有各種懸浮物、膠體和溶解物等雜質(zhì)，呈現(xiàn)出濁度、色度、臭和味等水質(zhì)特征。其中膠體物質(zhì)是形成水中濁度的主要因素。由于膠體物質(zhì)本身的布朗運(yùn)動(dòng)特性以及所具有的電荷特性(ξ電位)在水中可以長(zhǎng)期保持分散懸浮狀態(tài)，即具有穩(wěn)定性，很難靠重力自然沉降而去除。通過向水中投加混凝劑可使膠體的穩(wěn)定狀態(tài)破壞，脫穩(wěn)之后的膠體顆粒則可借助一定的水力條件通過碰撞而彼此聚集絮凝，形成足以靠重力沉淀的較大的絮體，從而易于從水中分離，所以，混凝是去除水中濁度的主要方法。在給水處理工藝中，向原水投加混凝劑，以破壞水中膠體顆粒的穩(wěn)定狀態(tài)，使顆粒易于相互接觸而吸附的過程稱為凝聚。其對(duì)應(yīng)的工藝過程及設(shè)備在工程上稱為混合(設(shè)備)；在一定水力條件下，通過膠粒間以及和其他微粒間的相互碰撞和聚集，從而形成易于從水中分離的物質(zhì)，稱為絮凝。其對(duì)應(yīng)的工藝設(shè)備及過程在工程上稱為絮凝(設(shè)備)。這兩個(gè)階段共同構(gòu)成了水的混凝過程。(一)混凝機(jī)理 水的混凝現(xiàn)象及過程比較復(fù)雜，混凝的機(jī)理隨著所采用的混凝劑品種、水質(zhì)條件、投加 量、膠體顆粒的性質(zhì)以及介質(zhì)環(huán)境等因素的不同，一般可分為以下幾種。1．電性中和電性中和又分為壓縮雙電層和吸附電中和兩種。通過投加電解質(zhì)壓縮擴(kuò)散層以導(dǎo)致膠粒間相互凝聚的作用機(jī)理稱為壓縮雙電層作用機(jī)理。這種機(jī)理主要以靜電原理(現(xiàn)象)為基礎(chǔ) 解釋游離態(tài)離子(簡(jiǎn)單離子)對(duì)膠體產(chǎn)生的脫穩(wěn)作用。吸附電中和是指當(dāng)采用鋁鹽或鐵鹽作 為混凝劑時(shí)，高價(jià)金屬離子在水中以水解聚合離子狀態(tài)存在，隨溶液pH的不同可以產(chǎn)生各 種不同的水解產(chǎn)物。這些產(chǎn)物由于氫鍵、共價(jià)鍵或范德華力的作用而對(duì)膠體顆粒產(chǎn)生一種特 異的吸附能力。利用這種吸附能力，這些離子可直接進(jìn)入滑動(dòng)面內(nèi)與膠核上的電位離子發(fā)生 吸附中和作用，這種吸附不受電性中和的約束，只要有吸附空位就會(huì)發(fā)生。這種由于異號(hào)離子、異號(hào)膠?；蚋叻肿訋М愄?hào)電荷部位與膠核表面的直接吸附作用而產(chǎn)生的電性中和，從而降低了靜電斥力(ξ電位)使膠體脫穩(wěn)的機(jī)理，稱為吸附電中和作用機(jī)理。2．吸附架橋作用機(jī)理吸附架橋作用機(jī)理主要用來解釋高分子混凝劑的作用過程。高分子混凝劑多為一種松散的網(wǎng)狀長(zhǎng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，分子量高，分子大，具有能與膠粒表面某些部位作用的化學(xué)基團(tuán)，對(duì)水中膠粒產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附作用和粘結(jié)橋連作用。當(dāng)向溶液投加高分子物質(zhì)時(shí)，膠體微粒與高分子物質(zhì)之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附作用，這種吸附主要由于各種物化過程，如氫鍵、共價(jià)鍵，范德華力等以及靜電作用(異號(hào)集團(tuán)，異號(hào)部位)共同產(chǎn)生，與高分子物質(zhì)本身結(jié)構(gòu)和膠體表面的化學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)有關(guān)；某一高分子基團(tuán)與膠粒表面某一部位產(chǎn)生特殊的反應(yīng)而互相吸附后，該高分子的其余部位則伸展在溶液中，可以與另一表面有空位的膠粒吸附，這樣就形成了一個(gè)“膠粒一高分子一膠?！钡男跄w，高分子起到了對(duì)膠粒進(jìn)行架橋連接的作用。通過高分子鏈狀結(jié)構(gòu)吸附膠體，微?？梢詷?gòu)成一定形式的聚集物，從而破壞膠體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3．沉淀物的卷掃(網(wǎng)捕)作用當(dāng)金屬鹽作混凝劑時(shí)，如果投加量非常大，足以達(dá)到沉析金屬氫氧化物或金屬碳酸鹽時(shí)，水中的膠體顆?？杀贿@些沉析物在形成時(shí)所卷掃(網(wǎng)捕)，從而隨之一起沉淀。此時(shí)膠體顆粒的結(jié)構(gòu)并沒有大的改變，基本上是一種機(jī)械作用，只是成為金屬氫氧化物沉淀形成的核心。 上述這三種混凝機(jī)理在水處理過程中不是各自孤立的現(xiàn)象，而往往是同時(shí)存在的，只不過隨不同的藥劑種類、投加量和水質(zhì)條件而發(fā)揮作用程度不同，以某一種作用機(jī)理為主。對(duì)于水處理中常用的高分子混凝劑來說，主要以吸附架橋機(jī)理為主；而無機(jī)的金屬鹽混凝劑則電性中和和粘結(jié)架橋作用同時(shí)存在；當(dāng)投量很多時(shí)，還會(huì)有卷掃作用。 (二)影響混凝效果的因素由于膠體的混凝過程比較復(fù)雜，原水水質(zhì)又各異，因此混凝效果的好壞受許多因素的影響，主要有水溫、水的pH和堿度、原水水質(zhì)、水力條件及混凝劑種類及投加量等。分述如下。1．水溫的影響水溫對(duì)混凝效果有明顯影響。水溫低時(shí)，即使增加混凝劑的投加量往往也難以取得良好的混凝效果，生產(chǎn)實(shí)踐中表現(xiàn)為絮體細(xì)小、松散，沉淀效果差。溫度對(duì)混凝效果產(chǎn)生影響的主要原因?yàn)樗疁赜绊懰巹┤芙馑俣龋簾o機(jī)鹽混凝劑水解是吸熱反應(yīng)，低溫時(shí)混凝劑水解困難；水溫影響水的黏滯性：低溫水的黏度大，使水中雜質(zhì)顆粒布朗運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度減弱，碰撞機(jī)會(huì)減少，不利于膠粒脫穩(wěn)凝聚；同時(shí)，水的黏度大，水流剪力也增大，影響絮體的成長(zhǎng)；水溫還對(duì)膠體顆粒的水化膜形成有影響：水溫低時(shí)，膠體顆粒水化作用增強(qiáng)，水化膜增厚，妨礙膠體凝聚，而且水化膜內(nèi)的水由于黏度和重度增大，影響了顆粒之間粘附強(qiáng)度。2．pH的影響對(duì)于不同的混凝劑，水的pH的影響程度也不相同。對(duì)于聚合形態(tài)的混凝劑，如聚合氯化鋁和有機(jī)高分子混凝劑，其混凝效果受水體pH的影響程度較小。鋁鹽和鐵鹽混凝劑投入水中后的水解反應(yīng)過程，其水解產(chǎn)物直接受到水體pH的影響，會(huì)不斷產(chǎn)生H＋，從而導(dǎo)致水的pH降低。水的pH直接影響水解聚合反應(yīng)，亦即影響水解產(chǎn)物的存在形態(tài)。因此，要使pH保持在合適的范圍內(nèi)，水中應(yīng)有足夠的堿性物質(zhì)與H＋中和。天然水中都含有一定的堿度，對(duì)pH有一定緩沖作用。當(dāng)水中堿度不足或混凝劑投量大，pH下降較多時(shí)，不僅超出了混凝劑的最佳作用范圍，甚至影響混凝劑的繼續(xù)水解，因此，水中堿度高低對(duì)混凝效果影響程度較大，有時(shí)甚至超過原水pH的影響程度。所以，為了保證正?；炷璧膲A度，有時(shí)就需考慮投加堿劑(石灰)以中和混凝劑水解過程中所產(chǎn)生的H＋。每一種混凝劑對(duì)不同的水質(zhì)條件都有其最佳的pH作用范圍，超出這個(gè)范圍則混凝的效果下降或減弱。3．原水水質(zhì)的影響對(duì)于處理以濁度為主的地表水，主要的水質(zhì)影響因素是水中懸浮物含量和堿度，水中電解質(zhì)和有機(jī)物的含量對(duì)混凝也有一定的影響。水中懸浮物含量很低時(shí)，顆粒碰撞機(jī)率大大減小，混凝效果差，通常采用投加高分子助凝劑或礬花核心類助凝劑等方法來提高混凝效果。如果原水懸浮物含量很高，如我國(guó)西北、西南等地區(qū)的高濁度水源，為了使懸浮物達(dá)到吸附電荷中和脫穩(wěn)，鋁鹽或鐵鹽混凝劑的投加量將需大大增加，為減少混凝劑投量，一般在水中先投加高分子助凝劑，如聚丙烯酰胺等。4．水力條件的影響 混合、絮凝階段的G和GT值不同，是混凝工藝過程中的重要控制參數(shù)。甘布(T．R．Camp)和斯泰因(P．c．Stein)通過一個(gè)瞬間受剪力而扭轉(zhuǎn)的單位體積水流所消耗的功率來計(jì)算G值。機(jī)械攪拌：G= p/μ 式中P——單位體積流體所耗功率(W／m3)；μ——水的動(dòng)力黏滯系數(shù)，可查表。水力攪拌：G= pgh/Tμ= gh/νT等． 式中v——水的運(yùn)動(dòng)黏度(m2／s)；h——經(jīng)混凝設(shè)備的水損(m)； T——水流在混凝設(shè)備中的停留時(shí)間(s)；g——重力加速度(m/s2)。從藥與水混合到絮體形成是整個(gè)混凝工藝的全過程。根據(jù)所發(fā)生的作用不同，混凝分為混合和絮凝兩個(gè)階段，分別在不同的構(gòu)筑物或設(shè)備中完成。在混合階段，以膠體的異向凝聚為主，要使藥劑迅速均勻地分散到水中以利于水解、聚合及脫穩(wěn)。這個(gè)階段進(jìn)行得很快，特別是Al3+、Fe3+鹽混凝劑，所以必須對(duì)水流進(jìn)行劇烈、快速的攪拌。要求的控制指標(biāo)為：混合時(shí)間10～30 s，≤2 min；攪拌強(qiáng)度以G值表示，控制在：700～1000(s1)。在絮凝階段，主要以同向絮凝(以水力或機(jī)械攪拌促使顆粒碰撞絮凝)為主。同向絮凝效果與速度梯度G和絮凝時(shí)間丁有關(guān)。由于此時(shí)絮體已經(jīng)長(zhǎng)大，易破碎，所以G值比前一階段減小，即攪拌強(qiáng)度或水流速度應(yīng)逐步降低。主要控制指標(biāo)為：平均值G：20～70s1，平均GT值=l104～1105。5．混凝劑投加量投加量過少效果難以保證，而過多又會(huì)造成浪費(fèi)，對(duì)某些混凝劑來說投量過大還會(huì)影響混凝效果。混凝劑的最佳投加量是指能達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)的最小投加量。最佳投藥量具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義，最好通過燒杯試驗(yàn)確定。如何根據(jù)原水水質(zhì)、水量變化和既定的出水水質(zhì)目標(biāo)，確定最優(yōu)混凝劑投加量，是水廠生產(chǎn)管理中的重要內(nèi)容。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室混凝燒杯攪拌試驗(yàn)確定最優(yōu)投加量，簡(jiǎn)單易行，是經(jīng)常采用的方法之一。三、實(shí)驗(yàn)裝置與用品(1)六聯(lián)攪拌器1臺(tái)。(2)酸度計(jì)1套。(3)濁度儀l套。(4)溫度計(jì)1支。(5)l000 mL燒杯8個(gè)，200 mL燒杯4個(gè)。(6)1000 mL量筒1個(gè)；(7)1 mL移液管2支，2 mL移液管、5 mL移液管各1支。(8)5000 mL水樣瓶1個(gè)。(9)50 mL注射針筒4支。(10)酸、堿溶液各1瓶。(11)混凝劑溶液1瓶。四、實(shí)驗(yàn)步驟(一)內(nèi)容(1)熟悉和掌握混凝燒杯攪拌實(shí)驗(yàn)方法。(2)確定實(shí)驗(yàn)所用混凝劑的最佳投藥量。(3)確定所用混凝劑的最佳pH。(4)測(cè)定并計(jì)算和判斷實(shí)驗(yàn)條件下的混凝過程的G值和GT值是否在適宜范圍內(nèi)。(二)步驟1．最佳投藥量確定(1)將4個(gè)1000 mL的燒杯中分別放人l000 mL原水，置于實(shí)驗(yàn)用攪拌機(jī)平臺(tái)上，使攪拌葉片位于燒杯正中，注意保持各燒杯中葉片的位置相同。(2)分別測(cè)定原水水樣的溫度、濁度和pH并記錄。如果有條件還可測(cè)定其ξ電位或膠體顆粒數(shù)目。(3)初步確定水樣中能形成礬花的近似最小混凝劑用量。方法：在另外一個(gè)燒杯中，裝入200 mL原水，慢慢攪動(dòng)燒杯中的水樣， mL的混凝劑投加量，直至出現(xiàn)礬花為止，這時(shí)的混凝劑投加量作為形成礬花的最小投加量。(4)分別向4個(gè)燒杯中投加混凝劑，使它們的濃度變化接近最小混凝劑投 量的25％－200％。也可以根據(jù)原水的濁度，參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定投加量范圍。(5)熟悉攪拌器的操作，按要求調(diào)整攪拌器運(yùn)行參數(shù)。①混合攪拌轉(zhuǎn)速：100～160 r／min；②混合時(shí)間：1～3 min，可取2 min；③絮凝攪拌轉(zhuǎn)速：20。40 r／min(太快會(huì)打碎礬花，太慢會(huì)使礬花沉淀)；④絮凝時(shí)間：10—30 min，可取15 min。把選擇好的轉(zhuǎn)速和時(shí)間在調(diào)節(jié)器上預(yù)設(shè)好，檢查確定水樣已配制好后準(zhǔn)備開始實(shí)驗(yàn)。(6)按混合攪拌速度開動(dòng)攪拌機(jī)，當(dāng)預(yù)定的混合時(shí)問到達(dá)后，立即按預(yù)定的絮凝攪拌速度，降低攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速。在預(yù)定的絮凝時(shí)間到達(dá)后，關(guān)閉攪