自由沉淀实验

实验一 颗粒自由沉淀实验一、实验目的1.加深对自由沉淀特点、基本概念及沉淀规律的理解。

2.掌握颗粒自由沉淀的实验方法，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、实验原理沉淀是水污染控制中用以去除水中杂质的常用方法。

根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀通常可以分成四种不同的类型：自由沉淀、絮凝沉淀、区域沉淀、压缩沉淀。

浓度较稀的、粒状颗粒的沉降称为自由沉淀，其特点是在静沉过程中颗粒互不干扰、等速下沉，其沉淀在层流区符合Stokes(斯托克斯)公式。

但是由于水中颗粒的复杂性，颗粒粒径、颗粒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，但其直径应该足够大，一般应使D≥100mm，以免沉淀颗粒受柱壁的干扰。

自由沉淀所反映的一般是沙砾、河流等的沉淀特点。

具有大小不同颗粒的悬浮物静沉总去除率E 与截留速度u 0、颗粒质量分数的关系如下：dp u ui P E p ⎰+-=001)1( (1-1)式中 E ——总沉淀效率；P 0——沉速小于u i 的颗粒在全部悬浮颗粒中所占的百分数；1-P 0——沉速大于或等于u i 的颗粒去除百分数； u i ——某一指定颗粒的最小沉降速度；u ——小于最小沉降速度u i 的颗粒沉速。

公式推导如下：设在水深为H 的沉淀柱内进行自由沉淀实验。

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的组成相同，悬浮物浓度为C 0(mg/L)，此时去除率E=0。

实验开始后，不同沉淀时间t i ，颗粒最小沉淀速度u i 相应为u i ＝it H（1-2） u i 此即为t i 时间内从水面下沉到取样点的最小颗粒d i 所具有图1－1 自由沉淀实验示意的沉速。

此时取样点处水样悬浮物浓度为C i ，未被去除之颗粒即示意d<d i 的颗粒所占的百分比为取样口u i uP i =C C i（1-3） 因此，被去除的颗粒(粒径d≥d i )所占比例为E 0=1－P i （1-4）实际上沉淀时间t i 内，由水中沉至池底的颗粒是由两部分颗粒组成。

即沉速u≥u i 的那一部分颗粒能全部沉至池底；除此之外，颗粒沉速u<u i 的那一部分颗粒,也有一部分能沉至池底。

这是因为，这部分颗粒虽然粒径很小，沉速u<u i ，但是这部分颗粒并不都在水面，而是均匀地分布在整个沉淀柱的高度内。

因此只要在水面下，他们下沉至池底所用的时间能少于或等于具有沉速u i 的颗粒由水面降至池底所用的时间t i ，那么这部分颗粒也能从水中被去除。

沉速u<u i 的那一部分颗粒虽然有一部分能从水中去除,但其中也是粒径大的沉到池底的多,粒径小的沉到池底的少,各种粒径颗粒去除率并不相同.因此若能分别求出各种粒径的颗粒占全部颗粒的百分比,并求出可颗粒在时间t i 内能沉到池底的颗粒占本颗粒粒径的百分比,则二者乘积即为此中颗粒粒径在全部颗粒中的去除率。

如此分别求出u<u i 的那些颗粒的去除率，并相加后，即可得出这部分颗粒的去除率。

为了推求其计算式，我们绘制P ～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 ，如图所示。

由图中可见ΔP = P 1-P 2 =01C C －02C C = 021C C C (1-4) 故ΔP 是当选择的颗粒沉速由u 1降至u 2时，整个水中所能多去除的那部分颗粒的去除率，也就是所选择的要去除的颗粒粒径由d 1减到d 2时水中所能多去除的，即粒径在d 1～d 2间的那部分颗粒所占的百分比。

因此当ΔP 间隔无限小时，则dP 代表了直径为小于di 的某一粒径d 的颗粒占全部颗粒的百分比。

这些颗粒能沉至池底的条件，应是在水中某图1－2 P ～u 关系曲线 点沉至池底所用的时间，必须等于或小于具有沉速为u i 的颗粒由水面沉至池底所用的时间，即应满足x u x ≤i u H即 x≤ix u Hu (1-5) 由于颗粒均匀分布，又为等速沉淀，故沉速u x <u i 的颗粒只有在x 水深以内才能沉到池底.因此能沉到池底的这部分颗粒，占这种颗粒的百分比为Hx，如图1-1所示，而H x =ix u u (1-6) 此即为同一粒径颗粒的去除率。

取u 0=u i ，且为设计选用的颗粒沉速；u s =u x ，则有i x u u = 0u u s(1-7) 由上述分析可见，dP s 反映了具有沉速u s 的颗粒占全部颗粒的百分比，而u u s则反映了在设计沉速为u 0的前提下，具有沉速u s (<u 0)的颗粒去除量占本颗粒总量的百分比。

故u u sdP 正是反映了在设计沉速为u 0时，具有沉速为u s (<u 0)的颗粒所能去除的部分占全部颗粒的比率。

利用积分求解这部分u s < u 0的颗粒的去除率，则为dp u u p s⎰。

故颗粒的去除率为：E = (1-P 0) +dp u u p s⎰(1-8) 工程中常用下式计算：E = (1-P 0) +u Pu s∑∆ (1-9)三、实验仪器与装置1. 自由沉淀装置（沉淀柱，储水箱，水泵空压机），如图1－3；2. 计时用秒表或手表；3. 100ml 量筒、移液管、玻璃棒、瓷盘等；4. 悬浮物定量分析所需设备：电子天平、带盖称量瓶、干燥皿、烘箱、抽滤装置、定量滤纸等；5. 水样可用煤气洗涤污水、轧钢污水、天然河水或人工配制水样。

图1－3 颗粒自由沉淀实验装置四、实验步骤1.了解管道连接情况，检查是否符合实验要求。

2.启动水泵，水力搅拌5min，使水槽内水质均匀。

3.打开进水阀，让水平稳的从沉淀筒底进入沉淀柱中，直至120cm高度，停泵，沉淀实验开始。

3.开动秒表开始计时，此时t=0，当时间为0、5、10、20、30、50、80min时，由同一取样口取样50ml，并记录沉淀柱内取样口到液面高度。

4.测定各水样悬浮物含量。

将所取水样过滤（滤膜预先放入称量瓶内，与称量瓶一起烘干至恒重，并称量）。

过滤完毕后，用镊子取出滤膜放入称量瓶中，移入烘箱中于103~105℃下烘干一小时后移入干燥器中，使冷却到室温，称其重量。

反复烘干、冷却、称量，直至两次称量的重量差≤0.4 mg为止。

计算悬浮物浓度。

5. 记录实验原始数据，填入表1－1中。

五、实验结果整理1.实验基本参数整理实验日期：水样性质及来源：配制的石灰水沉淀柱直径(m)：沉淀柱高：水温(℃)：原水样悬浮颗粒浓度C0（mg/L）2. 实验数据整理表中不同沉淀时间ti 时，沉淀管内未被移除的悬浮物的百分比及颗粒沉速分别按下式计算未被移除悬浮物的百分比Pi=C C i×100% 式中：C 0 — 原水中SS 浓度值，mg/L ；C i — 某沉淀时间后，水样中SS 浓度值，mg/L 相应颗粒沉速：u i =iit H (mm/s) 3. 以颗粒沉速u 为横坐标，以P 为纵坐标，在普通格纸上绘制u ～P 关系曲线。

10203040506070809010000.511.522.53u/mm/sP /%图1－4 P ～u 关系曲线4.利用图解法列表计算不同沉速时，悬浮物的去除率。

5. 根据上述计算结果，以E 为纵坐标，分别以u 及t 为横坐标，绘制E ～u ，E ～t 关系曲线。

六、注意事项（1）向沉淀柱内进水时，速度要适中。

既要较快完成进水，以防进水中一些较重颗粒沉淀，又要防止速度过快造成柱内水体紊动，影响静沉实验效果。

（2）取样前，一定要记录沉淀柱水面至取样口的距离H0（cm）。

（3）取样时，先排除管中积水而后取样，排空约20～50mL积液。

（4）测定悬浮物时，因颗粒较重，从烧杯取样要边搅边吸，以保证水样均匀。

贴于移液管壁上细小的颗粒一定要用蒸馏水洗净。

附录：悬浮物浓度测定方法一、原理水质中的悬浮物是指水样通过孔径为0.45μm的滤膜，截留在滤膜上并于103—105℃烘干至恒重的固体物质。

二、仪器1.烘箱:可控制恒温在103—105℃2.分析天平3.孔径0.45µm滤膜4.玻璃漏斗5.称量瓶：30×70mm6.干燥器7. 扁嘴无齿镊子三、步骤1.将滤膜放在称量瓶中,打开瓶盖,放在烘箱中调节温度至103—105℃烘干0.5h；2.烘干后取出，放在干燥器中等待冷却至室温，然后称重，直至恒重（两次称量相差≤0.2mg）,记录重量B；3.用100ml量筒量取均匀适量的水样（使悬浮物大于2.5mg），同时将恒重的滤膜放到玻璃漏斗中，此时将水样倾入带滤膜的漏斗中过滤，最后用蒸馏水洗涤取样量筒，使残渣全部洗入漏斗中而不会丢失；4.过滤完毕取下漏斗中的滤膜，放在原称量瓶内，在103—105℃烘箱内烘干1h后取出放入干燥器中冷却至室温后称重，反复烘干、冷却、称量，直至两次称量的重量差≤0.4mg。

记录重量A。

四、数据处理悬浮物含量C（mg/L）按下式计算：（A—B）╳ 106C = ——————V式中：C——水中悬浮物浓度，mg/L；A——悬浮物+滤膜与称量瓶重量，g；B——滤膜与称量瓶重量，g；V——试样体积，ml。

实验总结：悬浮颗粒在沉淀过程中呈离散状态，其形状、尺寸、质量等物理性状均不改变，下沉速度不受干扰，单独沉降互不聚合，各自完成独立的沉淀过程。

在各个过程中只受到颗粒自身在水中的重力和水流阻力的作用。

这种类型多表现在沉砂池、初沉池初期。

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