水质工程学实验报告材料.docx
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水质工程学实验报告材料
实验一曝气充氧实验
一、实验目的
（1）掌握氧转移机理及影响因素。
（2）学会图解法求曝气设备氧总转移系数KLa方法。
（3）了解掌握曝气设备清水充氧性能的测定方法。
二、实验原理
活性污泥处理过程中氧气设备的作用是使氧气、活性污泥、营养物三者充分混合，使污泥处于悬浮状态，促使氧气从气相转移到液相，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，因此工程设计人员通常通过实验来评价曝气设备的供氧能力。
根据氧转移基本方程
积分整理后，所得到的氧总转移系数表达式为
。
式中：
KLa—— 总转移系数，h-1；
t —— 曝气时间，h；
cs —— 饱和溶解氧浓度mg/L；
c0 —— 曝气筒内初始溶解氧浓度mg/L，本实验中t=0时，c0 =0 ；
ct ——t时刻曝气筒内溶解氧浓度mg/L；
整理得
，以
为纵坐标，t为横坐标绘制直线，通过图解法求得直线斜率可以确定KLa值。
本实验采用间歇非稳态法，即实验过程中不进水也不出水的清水实验对充氧性能进行测定。
三、实验设备与仪器
（1）溶解氧侧定仪。
（2）空气压缩机。
（3）曝气筒，内径18.5cm，有效水深为2.2m。
（4）搅拌器。
（5）秒表。
（6）分析天平。
四、实验用试剂
（1）脱氧剂：
无水亚硫酸钠。
（2）催化剂：
氧化钻（0.1mg/L）。
五、实验操作步骤
（1）向曝气筒中注入清水至2.2m，取水样测得水中溶解氧值5.66mg/L，并根据溶解氧浓度公式确定水中溶解氧量：
（2）计算脱氧剂无水硫酸钠用量其反应式为
由方程式得
，即亚硫酸钠的用量可以由下式计算
，其中（1.1~1.5）为安全系数，通常取1.5，则
（3）计算催化剂用量。
所用催化剂浓度为0.1mg/L，则加入催化剂量为
。
（4）将所得的脱氧剂与催化剂加入曝气筒内充分混合后，反应10min左右测DO值。
（5）当水样脱氧至零后，开始正常曝气，计时每隔1、2、3等分钟取样一次，在现场测定DO值，直至水中溶解氧值不再增长，饱和溶解氧为12.62mg/L。
（6）记录数据。
六、实验数据及结果整理
根据公式计算不同时刻
的值，并将计算数据填入下表，以
为纵坐标，t为横坐标绘制直线，通过图解计算斜率方法，求出KLa值。
曝气充氧实验计算数据
t/min
ct（mg/L）
1
0.43
0.035
2
9.36
1.354
2.5
11.56
2.477
3
12.22
3.452
3.5
12.43
4.196
4
12.49
4.576
5
12.54
5.061
6
12.48
4.501
曝气充氧实验所得关系图
则由图可以看出，
，
=1.57h-1。
七、思考题
1.简述曝气在活性污泥生物处理法中的作用。
答：
曝气的作用主要有：
1）充氧。
活性污泥法是利用好氧活性污泥处理污水的一种生物处理方法，其原理就是利用微生物在好氧条件下的氧化分解和代谢去除水中有机污染物。
所以，充氧很重要。
2）搅拌混匀作用。
曝气可以使活性污泥分布均匀，从而使去除率更高。
2.简述曝气充氧原理及影响氧转移因素。
答：
曝气充氧是指人为通过一些设备，强制加速向水体中传递氧气，使空气中的氧气、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，促使氧气从水相移到液相，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。
影响因素有曝气水水质，曝气水水温，氧分压，气液间接触面积和时间，水的紊流程度等。
3.分析曝气的种类和各自特点。
答：
曝气方法主要有三种，即鼓风曝气、机械曝气、鼓风机械曝气。
鼓风曝气是在鼓风机的作用下，经过空气扩散，在水中形成不同尺寸的气泡。
气泡经上升和随水流动，最后在液面处破裂，在这一过程中产生氧向混合液中转移的作用。
机械曝气采用机械装置在驱动力作用下使混合液充分搅动，促进氧的转移。
鼓风机械曝气是以上两者的结合。
4.氧总转移系数KLa的意义是什么？
答：
表征曝气池中溶解氧浓度从起始提高到饱和所需要的时间。
氧总转移系数表达式为
。
5.鼓风曝气设备与机械曝气设备充氧性能指标有何不同？
答：
（1）动力效率Ep：
即每消耗1kw·h电能转移到混合液中的氧量，单位是kgO2／（kW·h）。
（2）氧的利用率EA：
通过鼓风曝气转移到混合液中的氧量，占总供氧量的百分比（％）。
（3）氧的转移效率EL：
也称充氧能力，通过机械曝气装置，在单位时间内转移到混合液中的氧量，单位是kg／h。
通常用动力效率和氧的利用率两项指标评判鼓风曝气设备的性能，而用动力效率和氧的转移效率两项指标评判机械曝气设备的性能。
最基本的差异如下：
1）鼓风曝气设备；布气均匀、氧转移率高、能耗低、搅拌效果略差些。
2）机械曝气设备；布气不匀、氧转移率低、能耗大、搅拌效果好一些。
实验二污泥吸附性能的测定
一、实验目的
（1）通过实验加深对活性污泥活性的理解。
（2）学会对污泥吸附性能的实验测定及计算方法。
二、实验原理
活性污泥是活性污泥法污水处理系统中的主体作用物质，活性污泥的性能优劣，对活性污泥处理系统的净化效果起着决定性的影响，所以，只有活性污泥反应器——曝气池中的活性污泥具有很高的活性才能有效地降解水中的有机污染物，达到净化水体的目的。
通常，活性好的活性污泥从外观上看呈黄褐色絮绒颗粒状，因此，它又被称为“生物絮凝体”。
它主要是由栖息在活性污泥上的大量微生物聚集而成。
通常来讲，性能优良的活性污泥应该具有很强的吸附性能和凝聚沉降性能。
由于活性污泥具有很大表面积，当活性强的活性污泥（通常活性污泥上的微生物处于内源呼吸器）与污水接触时，就会在较短时间内，将污水中呈悬浮和胶体状的有机污染物凝聚吸附在自身表面，从而使有机物得到去除，即所谓的“初期吸附去除”。
在此阶段COD含量会急剧下降，但接下来COD含量略有升高，这是因为吸附在活性污泥表面的部分非溶解性小分子重新回到污水中造成的。
此时，活性污泥微生物进入营养过剩的“壮龄”阶段，因而微生物处于分散状态，这也进一步促使COD值上升，而随着活性污泥净化反应的不断进行，有机物不断被降解，COD值又缓慢下降。
整个过程可由图1表示。
图1活性污泥吸附曲线
三、实验仪器及设备
秒表、量筒（100ml）、锥形瓶、磁力搅拌器、溶氧仪、污泥离心浓缩机
四、实验用试剂
50g/L的葡萄糖溶液，浓缩污泥、蒸馏水
五、实验步骤
（1）将活性污泥浓缩脱水后去除上清液。
（2）取80ml污泥于锥形瓶中，再加入200ml葡萄糖溶液。
（3）将溶氧仪探头放进锥形瓶内，保持探头与锥形瓶的接口处密封，记下0min时的溶解氧读数。
（4）打开磁力搅拌器搅拌混合液，每隔0.5min读一次数，记录下溶解氧的变化。
（5）同时做对照实验，取280ml蒸馏水重复上述操作，并记录数据。
实验数据见下表。
（6）绘制吸附曲线见下图。
DO溶解氧mg/L
时间t/min
污泥吸附
清水
DOmg/l
DOmg/l
0.5
10.77
6.60
1.0
10.37
6.38
1.5
10.13
6.31
2.0
9.92
6.29
2.5
9.73
6.34
3.0
9.61
6.39
3.5
9.43
6.30
4.0
9.21
6.27
4.5
8.95
6.26
5.0
8.71
6.26
5.5
8.53
6.31
6.0
8.31
6.28
6.5
8.14
6.22
7.0
7.92
6.16
7.5
7.72
6.25
8.0
7.48
6.22
8.5
7.27
6.22
9.0
7.07
6.20
9.5
6.92
6.22
10.0
6.74
6.20
10.5
6.54
6.20
11.0
6.20
6.30
11.5
5.83
6.39
12.0
5.51
6.39
12.5
5.23
6.25
13.0
4.98
6.21
13.5
4.79
6.27
14.0
4.57
6.36
14.5
4.34
6.32
15.0
4.11
6.18
15.5
3.92
6.30
16.0
3.70
6.17
16.5
3.51
6.22
17.0
3.29
6.20
17.5
3.09
6.18
18.0
2.86
6.18
18.5
2.63
6.18
19.0
2.46
6.20
19.5
2.31
6.19
20.0
2.20
6.18
20.5
2.10
6.20
21.0
2.06
6.21
21.5
2.04
6.22
22.0
1.97
6.22
22.5
1.89
6.23
23.0
1.82
6.23
23.5
2.06
6.23
24.0
2.19
6.25
24.5
2.08
6.25
25.0
2.01
6.26
25.5
2.02
6.26
26.0
1.87
6.26
26.5
1.60
6.27
27.0
1.52
6.27
27.5
1.51
6.27
28.0
1.40
6.28
28.5
1.34
6.29
29.0
1.29
6.29
29.5
1.26
6.28
30.0
1.23
6.28
实验三污泥沉降性能的测定
一、实验目的
（1）掌握污泥吸附性能、污泥沉降比、污泥指数的测定及计算方法。
（2）加深对活性污泥的沉淀特点和规律的认识。
二、实验原理
活性污泥是活性污泥法污水处理系统中的主体作用物质，活性污泥性能的优劣，对活性污泥处理系统的净化效果起着决定性的影响，所以，只有活性污泥反应器—曝气池中的活性污泥具有很高的活性才能有效地降解水中有机污染物，达到净化水体的预定目标。
通常，活性好的活性污泥从外观上呈黄褐色絮绒颗粒状，因此，它又通常被称作“生物絮凝体”。
它主要是由栖息在活性污泥上大量的微生物聚集而成。
通常来讲，性能优良的活性污泥应该具有很强的吸附性能和凝聚沉淀性能。
在工程上人们也常通过测定污泥吸附或沉淀性能来判断污泥活性。
一般应用以下两个指标来评价活性污泥的沉降性能:
①污泥沉降比（SettlingVelocity），简称为SV污泥沉降比又称为30min沉降率。
它是指混合液在量筒中静置30min后所形成的沉淀污泥的容积V占原混合液容积V0的百分率，以百分数表示，即SV=100V/V0（%）污泥沉降比不仅在一定程度上反映了活性污泥的沉降性能，还能够反映曝气池运行过程中的活性污泥量，可用以控制、调节剩余污泥的排放量，还能通过它及时发现污泥膨胀等异常现象，它是评价污泥数量和质量的重要参数。
②污泥指数（SludgeVolumeIndex），简称为SVI污泥指数也称为污泥容积指数。
它是指曝气池出口处的混合液，在经过30min净沉后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占有容积，单位为ml/g，通常习惯把单位省去。
SVI值可通过下式计算，即
MLSS：
污泥干重，g/l污泥指数表示的是经30min静沉后污泥浓度的倒数，因此它能客观的评价活性污泥的松散程度和沉淀、凝聚的性能，及时地反映出污泥是否有膨胀的倾向或已经发生污泥膨胀。
SVI越低，沉降性能越好。
对城市污水，一般认为SVI＜100沉降性能好，100＜SVI＜200沉降性能一般，200＜SVI＜300沉降性能较差，SVI＞300污泥膨胀。
正常情况下，城市污水在100-150间。
三、实验设备及仪器
（1）实验用模型
（2）烘箱（1台）
（3）秒表、量筒（100ml）、滤纸、漏斗、三角瓶、移液管、称量瓶、干燥器
（4）测悬浮物仪器
（5）可选用污泥离心浓缩机
四、实验用试剂
（1）水样（生活污水或自行配制）
五、实验步骤
（1）将活性污泥浓缩脱水后去除上清液。
（2）量取一定量的浓缩污泥放入大烧杯中。
（3）用虹吸管准备取出100ml混合液注入100ml量筒内，当液面到100ml刻度时开始计时，并观察沉淀过程，当时间为1min，3min，5min，10min，15min，20min，30min时分别记下污泥容积。
（4）沉淀30min时的污泥容积即为污泥沉降比。
（5）将经30min沉淀后的污泥和上清夜用定量滤纸过滤，测污泥浓度。
（6）将以上测得数据记入表2。
六、数据记录及整理
表2沉降性能实验数据
时间/min
1
3
5
10
15
20
30
量筒内污泥所占体积/ml
95
24.5
18.5
16.1
14.0
13.0
12.2
MLSS
124.96g/L
SV（ml/L）
950
245
185
161
140
130
122
SVI（ml/g）
7.60
1.96
1.48
1.29
1.12
1.04
0.98
（1）测定污泥沉降比SV值。
填入上表
（2）计算污泥容积指数SVI值。
填入上表
（3）以污泥容积为纵坐标，以时间为横坐标，绘制污泥容积随时间变化曲线。
七、思考题
1.分析影响活性污泥吸附性能的因素。
答：
活性污泥的性能指标包括：
混合液悬浮固体（MLSS），污泥沉降比（SV），污泥指数[污泥体积指数（SVI），污泥密度指数（SDI）]。
影响活性污泥性能的环境因素：
溶解氧——溶解氧浓度以不低于2mg/L为宜（2—4mg/L）。
水温——维持在15～25摄氏度，低于5摄氏度微生物生长缓慢。
营养料——在培养微生物时，可按菌体的主要成分比例供给营养。
微生物赖以生活的主要外界营养为碳和氮，此外，还需要微量的钾，镁，铁，维生素等。
碳源--异氧菌利用有机碳源，自氧菌利用无机碳源。
氮源--无机氮（NH3及NH4+）和有机氮（尿素，氨基酸，蛋白质等）。
一般比例关系：
BOD：
N：
P=100：
5：
1好氧生物处理：
BOD5=500——1000mg/l
有毒物质
主要毒物有重金属离子（如锌，铜，镍，铅，铬等）和一些非金属化合物（如酚，醛，氰化物，硫化物等）。
2.发育良好地污泥具有哪些特征？
答：
首先，污泥的颜色为棕褐色，沉降性能良好。
SVI值保持在70~100，没有污泥膨胀发生。
MLSS值一般在2~4g/L。
3.污泥容积指数与污泥沉降比区别于联系。
答：
区别：
容积指数表示单位质量的干污泥所占有的体积数。
沉降比表示沉降30min后，污泥占总混合液体积的百分数。
联系：
SVI=SV/MLSS。
两者都是评价污泥性能的指标。
4.分析活性好的污泥的沉降过程有何特征。
答：
性能好的污泥，沉降的速度和效率高。
自由沉降的速度快，混合液很快就分层。
絮凝沉淀时，絮凝体颗粒较大，粒度均匀，下降速度快。
下层开始成层沉淀和压缩沉淀的时间短，最后的污泥体积指数SVI较小，污泥较紧密。
实验四不含好氧微生物的污水曝气充氧修正系数α、β值的测定
一、实验目的
（1）了解α、β的意义。
（2）掌握非耗氧微生物污水α，β的测定方法。
二、实验原理
曝气水的水质对氧转移的影响表现在以下两个方面：
由于待曝气充氧的污水中含有各种各样的杂质，它们会对氧的转移产生一定的影
响，所以相对于清水，污水曝气充氧得到的氧转移系数
会比清水的氧转移系数
值低，为此引入修正系数
由于污水中含有大量盐分，它会影响氧在水中的饱和度，相对于相同条件下清水
而言，污水中氧的饱和度
要比清水中的饱和度
低，为此引入修正系数
由此可知，
、
的测定实际上就是分别测定同一曝气设备在清水和污水中充氧的氧总
转移系数及饱和溶解氧值。
对曝气液体内无生物消耗物质的清水，曝气池的上清液等，曝气池内存在如下关系：
对曝气池混合液曝气充氧时，由于有生物耗氧物质，池内存在如下关系式：
式中：
—单位污泥好氧速率；
x—污泥浓度。
实验采用间歇非稳态方法进行，当水样为污水或曝气池上清液时，在相同条件下按照
清水充氧实验方法，分别进行清水与污水充氧实验，求出清水充氧的
、
和污水中
充氧的
、
，并按式
、
求出
、
值。
三、实验设备及仪器
曝气罐：
有机玻璃内径18cm，高度H=2.2m，内设工字形布气管，孔径0.75mm，热电偶测温计，搅拌叶片，溶解氧测定仪探头等。
仪器控制箱：
装有溶解氧测定仪转子流量计、电压表、温度表、可控硅电压调整器等；
溶解氧记录仪；
小型空气压缩机；
实验用水样；
脱氧剂：
无水亚硫酸钠；
催化剂：
氯化钴0.1mg/L。
四、实验步骤及记录
1）向曝气筒中注入清水至2.2m，取清水样测得水中溶解氧值5.66mg/L，并根据溶解氧浓度公式确定水中溶解氧量：
同样，取污水水样测得溶解氧为5.60mg/L，同理计算水中溶解氧量为330.96mg。
2）计算脱氧剂无水硫酸钠用量其反应式为
由方程式得
，即亚硫酸钠的用量可以由下式计算
，其中（1.1~1.5）为安全系数，通常取1.5，则
清水：
污水：
g=3.972g
（3）计算催化剂用量。
所用催化剂浓度为0.1mg/L，则加入催化剂量为
。
（4）将所得的脱氧剂与催化剂分别加入两个曝气筒内充分混合后，反应10min左右测DO值。
（5）当水样脱氧至零后，开始正常曝气，计时每隔1、2、3等分钟取样一次，在现场测定DO值，直至水中溶解氧值不再增长，饱和溶解氧为12.62mg/L。
（6）记录数据。
六、实验数据及结果整理
根据公式计算不同时刻
的值，并将计算数据填入下表，以
为纵坐标，t为横坐标绘制直线，通过图解计算斜率方法，求出KLa值。
清水曝气充氧实验计算数据
t/min
ct（mg/L）
1
0.43
0.035
2
9.36
1.354
2.5
11.56
2.477
3
12.22
3.452
3.5
12.43
4.196
4
12.49
4.576
5
12.54
5.061
6
12.48
/
污水曝气充氧实验计算数据
t/min
ct（mg/L）
1
5.03
0.59
1.5
6.87
0.96
2.0
7.04
1.01
2.5
7.06
1.01
3.0
7.45
1.12
3.5
7.88
1.25
4.0
7.97
1.28
4.5
8.89
1.65
5.0
9.75
2.20
5.5
9.85
2.29
6.0
10.93
/
由折线图可以看出，KLa’/2.303=0.1703，
’=0.39h-1。
所以，α=KLa‘/KLa=0.25
β=Cs’/Cs=10.93/12.48=0.87
七、思考题
1.简述α、β的含义。
答：
由于待曝气充氧的污水中含有各种各样杂质，如表面活性剂、油脂、悬浮固体等，它们会对氧的转移产生一定影响，特别是在两活性物质这类两亲分子会集结在气、液接触面上，阻碍氧的扩散。
相对于清水，污水曝气充氧得到的氧转移系数K`La会比清水中的氧总转移系数KLa低，为此引入修正系数α=K`La/KLa;该式是在相同的设备中，在相同条件下数值比较。
另外，由于污水中含有大量盐分，它会影响氧在水中的饱和度，相对于相同条件的清水而言，污水中氧的饱和度C`S要比清水中的氧饱和度CS低，为此引入β=C`S/CS;转移速度由下式表示：
dc/dt=K`La（C`S-CS）（式中符号同上）
2.α、β各受什么影响？
为什么？
1）温度对α值的影响，水温对曝气充氧的影响，已有定论。
水温增加，水中饱和溶解氧虽有所降低,但是由于微生物分解速率加快、液体粘滞度减小、分子扩散系数增大、液膜厚度减小、所以有利于氧的传递。
从而使污水中KLa值增加,
2）有机物对α值影响
α值随有机物的增加而减少。
因为污水中许多有机组分是疏水性物质。
它们能自动地粘附于气泡表面,形成的吸附膜可部分或整个地将气泡复盖,起到分离气相与液相的作用,从而减少气液接触面积,增加液膜厚度,增大氧由气相向液相转移的阻力,导致了KLa的降低和α值的减小。
3）水中无机物含量影响饱和溶氧值，即影响β值。
一般β值随水中无机物增多而减小,但变化幅度不大。
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