颗粒自由沉淀实验报告.docx
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颗粒自由沉淀实验报告
建筑与测绘工程学院之迟辟智美创作
《水处置实验设计与技术》
实验报告
实验1颗粒自由沉淀实验
颗粒自由沉淀实验是研究浓度较低时的单颗粒的沉淀规律.一般是通过沉淀柱静沉实验，获取颗粒沉淀曲线.它不单具有理论指导意义，而且也是给水排水处置工程中沉砂池设计的重要依据.
一、实验目的
加深对自由沉淀特点、基本概念及沉淀规律的理解.
掌握颗粒自由沉淀实验的方法，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
浓度较低的、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、等速下沉，其沉速在层流区符合Stokes（斯托克斯）公式.
可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，因而沉淀效果、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，但其直径应足够年夜，一般应使内径D≥100mm以免颗粒沉淀受柱壁干扰.
具有年夜小分歧颗粒的悬浮物静沉总去除率η与截留沉速u0剩余颗粒重量百分率P的关系如下：
（1）
此种计算方法也称为悬浮物去除率的累积曲线计算法.
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.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组成相同，悬浮物浓度为C0（mg/L），此时去除率η=0.
实验开始后，分歧沉淀时间ti，颗粒最小沉淀速度ui相应为：
（2）
此即为ti时间内从水面下沉到池底（此处为取样点）的最小颗粒di所具有的沉速.此时取样点处水样悬浮物浓度为Ci，而：
（3）
此时去除率η0，暗示u≥ui（d≥di）的颗粒除去率，而：
（4）
则反映了ti时，未被除去之颗粒即d＜di的颗粒所占百分比.
图1颗粒自由沉淀示意
实际上沉淀时间ti内，由水中沉至柱底的颗粒是由两部份颗粒组成，即沉速us≥ui的那一部份颗粒能全部沉至柱底.除此之外，颗粒沉速us＜ui的那一部份颗粒，也有一部份能沉至柱底.这是因为，这部份颗粒虽然粒径很小，沉速us＞ui，可是这部份颗粒其实不都在水面，而是均匀地分布在整个沉柱的高度内，因此，只要在水面以下，它们下沉至池底所用的时间能少于或即是具有沉速ui的颗粒由水面降至池底所用的时间ti，那么这部份颗粒也能从水中被除去.
沉速us＜ui的那部份颗粒虽然有一部份能从水中去除，但其中也是粒径年夜的沉到柱底的多，粒径小的沉到柱底的少，各种粒径颗粒去除率其实不相同.因此若能分别求出各种粒径的颗粒占全部颗粒的百分比，并求出该粒径在时间ti内能沉
至柱底的颗粒占本粒径颗粒的百分比，则二者乘积即为此种粒径颗粒在全部颗粒
中的去除率.如此分别求出us＜ui的那些颗粒的去除率，并相加后，即可得这部份颗粒的去除率.
为了推导出其计算式，我们首先绘制P与u关系曲线，其横坐标为颗粒沉速u，纵坐标为未被去除颗粒的百分比P，如图2所示.由图中可见：
（5）
故ΔP是被选择的颗粒沉速u1降至u2时，整个水中所能多去除的那部份颗粒的去除率，也就是所选择的要去除的颗粒粒径由的d1减到d2时，此时水中所能多去除的，即粒径在d1～d2间的那部份颗粒所占的百分比.因此当ΔP间隔无限小时，则dP代表了小于d1的某一粒径d占全部颗粒的百分比.这些颗粒能沉至柱底的条件，应是由水中某一点沉至柱底所用的时间，必需即是或小于具有沉速为ui的颗粒由水面沉至柱底的时间，即应满足：
图2P与u关系曲线
由于颗粒均匀分布，又为等速沉淀，故沉速ux＜ui的颗粒只有在x水深以内才华沉到柱底.因此能沉至柱底的这部份颗粒，占这种粒径的百分比为
，如图4-1所示，而：
此即为同一粒径颗粒的去除率.取u0=ui.且为设计选用的颗粒沉速（又称截留沉速）；us=ux则有：
由上述分析可见，dPs反映了具有us的颗粒占全部颗粒的百分比，而
则反映了在设计沉速为u0的前提下，具有沉速us（＜u0）的颗粒去除量占本颗粒总量的百分比.故：
（6）
正是反映了在设计沉速为u0时，具有沉速为us的颗粒所能被去除的部份占全部颗粒的比例.利用积分求解这部份us＜u0的颗粒的去除率，则为：
故颗粒的去除率为：
（7）
工程中经常使用下式计算：
（8）
三、实验设备及用具
（1）有机玻璃管沉淀柱一根，内径D≥100mm，高1.5m.有效水深即由溢流口至取样口距离，共两种H1=0.9m，H2=1.2m.每根沉淀柱上设溢流管、取样管、进水及放空管.
（2）配水及投配系统包括钢板水池、搅拌装置、水泵、配水管、循环水和计量水深用标尺，如图3所示.
（3）计量水深用标尺，计时用秒表.
图3颗粒自由沉淀静沉实验装置
（4）玻璃烧杯，移液管，玻璃棒，瓷盘等.
（5）悬浮物定量分析所需设备有万分之一天平、带盖称量瓶、干燥皿、烘
箱、抽滤装置、定量滤纸等.
（6）水样可用燃气洗涤污水，轧钢污水，天然河水或人工配制水样.
四、实验步伐及记录
（1）将实验用水倒人水池内，开启循环管路阀门2用泵循环或机械搅拌装置搅拌，待池内水质均匀后，从池内取样，测定悬浮物浓度，记为C0值.
（2）开启阀门1、3，关闭循环阀门2，水经配水管进入沉淀柱内，当水上升到溢流口并流出后，关闭阀门.
（3）向沉淀柱内通人压缩空气将水样搅拌均匀.
（4）记录时间，沉淀实验开始，隔2、5、10、15、20、30、40、60min由取样口取样，记录沉淀柱内液面高度.
（5）观察悬浮颗粒沉淀特点、现象.
（6）测定水样悬浮物含量.
（7）实验记录用表见表1.
表1颗粒自由沉淀实验记录表
静沉时间（min）
滤纸编号
滤纸重（g）
取样体积（ml）
滤纸+SS重（g）
水样SS重（g）
C0（mg/L）
沉淀高度H0（cm）
0
1
1.1926
10.00
1.2202
0.0276
2760
1.200
2
2
1.2100
10.00
1.2362
0.0262
2620
1.185
5
3
1.2248
10.00
1.2442
0.0194
1940
1.170
10
4
1.1925
10.00
1.2062
0.0137
1370
1.155
15
5
1.2073
10.00
1.2172
0.0099
990
1.140
20
6
1.2041
10.00
1.2102
0.0061
610
1.125
30
7
1.2246
10.00
1.2292
0.0046
460
1.110
40
8
1.2024
10.00
1.2062
0.0038
380
1.095
60
9
1.3381
10.00
1.3402
0.0021
210
1.080
（1）向沉淀柱内进水时，速度要适中，既要较快完成进水，以防进水中一些转重颗粒沉淀，又要防止速渡过快造成柱内水体紊动，影响静沉实验效果.
（2）取样前，一定要记录柱中水面至取样口距离H0（以cm计）.
（3）取回时，先排除取样管中积水再取样，每次约取300～400ml.
（4）测定悬浮物时，因颗粒较重，从烧杯取样要边搅边吸，以保证两平行水样的均匀性，贴于移液管壁上的细小颗粒一定要用蒸馏水洗净.
五、功效整理
（1）实验基本参数整理
实验日期：
2017.4.15水样性质及来源污水厂
水温：
20℃原水悬浮物浓度C0（mg/L）
绘制沉淀柱草图及管路连接图.
（2）实验数据整理
将实验原始数据按表2整理，以备计算分析之用.
表2实验原始数据整理表
沉淀高度（cm）
1.200
1.185
1.170
1.155
1.140
1.125
1.110
1.095
沉淀时间（min）
0
2
5
10
15
20
30
40
60
实测水样SS（mg/L）
2760
2620
1940
1370
990
610
460
380
210
计算用SS（mg/L）
2760
2620
1940
1370
990
610
460
380
210
未被去除颗粒百分比Pi
1
0.9493
0.7029
0.4964
0.3587
0.2210
0.1667
0.1377
0.0761
去除颗粒百分比
颗粒沉速ui（mm/s）
10.0000
3.9500
1.9500
1.2833
0.9500
0.6250
0.4625
0.3042
表中分歧沉淀时间ti时，沉淀柱内未被去除的悬浮物的百分比及颗粒沉速分别桉下式计算，未被去除悬浮物的百分比：
式中，C0——原水中SS浓度值（mg/L）
Ci——某沉淀时间后，水样中SS浓度值（mg/L）
（3）相应颗粒流速
（mm/s）.
（4）以颗粒沉速u为横坐标，以P为纵坐标，在普通直角坐标纸上绘制P
与u关系曲线.
（5）利用图解法列表（表4-3）计算分歧沉速时，悬浮物的去除率.
表3颗粒去除率η计算
序号
u0
P0
1-P0
△P
us
us·△P
∑（us·△P）
∑（us·△P）/u0
η=（1-P0）+∑（us·△P）/u0
1
2
10.0000
0.0507
10.0000
0.5072
3.2935
0.3293
0.3801
3
3.9500
0.2464
6.9750
1.7185
2.7862
0.2786
0.5757
4
1.9500
0.2065
2.9500
0.6092
1.0677
0.1068
0.6104
5
1.2833
0.1377
1.6167
0.2226
0.4585
0.0458
0.6872
6
0.9500
0.1377
1.1167
0.1537
0.2359
0.0236
0.8026
7
0.6250
0.0543
0.7875
0.0428
0.0822
0.0082
0.8416
8
0.4625
0.0290
0.5438
0.0158
0.0394
0.0039
0.8663
9
0.3042
0.0616
0.3833
0.0236
0.0236
0.0024
0.9263
（6）根据上述计算结果，以η为纵坐标，分别以u及t为横坐标，绘制η与u、η与t关系曲线.见图3，4，5.
六、思考题
（1）自由沉淀中颗粒沉速与絮凝中沉淀颗粒沉速有何区别？
自由沉淀和絮凝沉淀的沉淀条件分歧，以致他们的沉速存在区别.自由沉淀过程中，颗粒彼此没有干扰，只受到颗粒自己在水中的重力和水流阻力的作用，匀速下沉，下沉速度与沉淀高度无关且沉淀过程颗粒的物理性质（如颗粒年夜小、间隔等）不发生改变.絮凝沉淀过程中，颗粒由于相互接触絮凝而改变年夜小、形状和密度，沉淀过程中轨迹呈曲线.
（2）绘制自由沉淀静沉曲线的方法及意义.
本实验通过丈量分歧沉淀时间所对应的悬浮物浓度和沉淀柱高度，算出每个沉淀时间所对应的颗粒沉速u和未被去除颗粒百分比P，绘制P-u关系曲线图.由P-u关系曲线图算出积分
再通过公式
求得悬浮物去除率η，从而可以绘制η-u、η-t关系曲线图.
通过绘制自由沉降曲线，可以了解颗粒自由沉淀的自由沉淀规律和特点，沉淀效果，认识颗粒自由沉淀过程中沉淀时间、颗粒沉速及悬浮物去除率之间的关系，为实际工程应用中沉淀池的设计作理论指导.
（3）沉淀柱高分别为H=1.2m、H=0.9m，两组实验功效是否一样，为
什么？
因为自由沉淀的沉速与沉淀高度无关，因此，沉淀柱高度分歧，所得实验结果是一样的.
（4）利用上述实验资料，按下式计算去除率η：
计算分歧沉淀时间t的沉淀效率η，绘制η与t、η与u静沉关系曲线，并和上述整理结果加以对比与分析，指出上述两种整理方法结果的适用条件.
图3P与u关系曲线
图4η与u关系曲线
图5η与t关系曲线
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