《水污染控制工程》实验指导书
环境工程系
二〇一三年三月
实验一 颗粒自由沉淀实验
一、实验目的
1.1 研究浓度较稀时的单颗粒沉淀规律，加深其对沉淀特点、基本概念的理解。
1.2 掌握颗粒自由沉淀试验的方法，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
浓度较稀的、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、等速下降，其沉速在层流区符合斯托克斯（Stocks ）公式。但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，因而沉降效果、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，但其直径应足够大，一般D mm 100≥，以免颗粒沉淀受柱壁干扰。
具有大小不同颗粒的悬浮物静沉总去除率（η）与截流速度（u 0）、颗粒重量百分率的关系如下：
dP u u P P s
⎰
+-=0
0)1(η 20-1 式中：η——沉淀效率；
0u ——理想沉淀池截流沉速：
0P ——所有沉速小于0u 的颗粒质量占原水中全部颗粒质量的百分率； s u ——小于截流沉速的颗粒沉速。
此种计算方法也称为悬浮物去除率的累积曲线计算方法。
设在一水深为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η=0。
实验开始后，不同沉淀时间i t ，颗粒沉淀速度i u 相应为：
i
i t H
u =
20-2 式中：i u ——颗粒沉淀速度，mm/s ；
Ｈ——取样口至水面高度，mm ；
i t ——沉淀时间，min 。
此即为i t 时间内从水面下沉到池底（此处为取样点）的颗粒所具有的沉速。此时取样点处水样悬浮物浓度为i C ，未被去除的颗粒所占的百分比为：
C C P i
i =
20-3 式中：i P －悬浮颗粒剩余率；
0C －原水（０时刻）悬浮颗粒浓度，mg/L ； i C －i t 时刻悬浮颗粒浓度，mg/L 。
此时被去除的颗粒所占的百分比为：
11C C P i
i i -
=-=η 20-4 式中：i η－悬浮颗粒去除率；
i P 、0C 、i C 同上。
需要说明的是，实际沉淀时间i t 时间内，由水中沉至池底的颗粒是由两部分颗粒组成，即沉速i u u ≥的那一部分颗粒可能全部沉至池底。除此之外，颗粒沉速i u u <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i u u <，但是这部分颗粒并不都在水面，而是均匀分布在整个沉淀柱的高度内。因此，只有在水面下它们下沉至池底所用的时间能少于或等于具有沉速i u 的颗粒由水面降至池底所用的时间i t ，那么这部分颗粒也能从水中被除去；沉速i u u <的那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。因此公式（20-４）未包含i u u <的那部分颗粒被去除。
注：本实验用浊度代替悬浮物浓度进行各种计算。
三、实验仪器及用具
（1）自由沉淀实验装置如图20-1所示。 （2）浊度仪。
图20-1 自由沉淀实验装置
1—配水箱；2—水泵；3—搅拌装置；4—1.2m 高有效水位沉淀柱；5—0.9m 高有效水位沉淀柱；6—水循环用阀；7—配水阀门；8—沉淀柱上水阀门；9—放空阀门；10—取水样阀门；11—溢流管
四、实验步骤
4.1 准备实验原水。取适量硅藻土和自来水配制水样，置于水箱中。 4.2 开启循环管路阀门，启动水泵和搅拌装置。
4.3 水箱内水质均匀后，开启进水阀，等进水达到预定水高时，关闭进水阀，停水泵。过3~5分钟后，开动秒表记录时间，沉淀实验开始。
4.4 当时间为0min、2min、5min、10min、15min、30min、40min、60min时，取水样测浊度（注意：取水样时，需先放掉一些水，以便冲洗取样口处的沉淀物），每次取30ml,在每次取样前后读出水面高度。相关数据记录如表20-1和20-2所列。
表20-1 颗粒自由沉降实验记录取样口高度为0.5m
静沉时间t/min 水样浊度/NTU 取样前取样口至水面高
度H前/mm 取样前取样口至水面高度H前/mm
2
5
10
15
20
40
60
表20-2 颗粒自由沉降实验记录取样口高度为1.0m
静沉时间t/min 水样浊度/NTU 取样前取样口至水面高
度H前/mm 取样前取样口至水面高度H前/mm
2
5
10
15
20
40
60
五、成果整理
5.1 计算悬浮物去除率η、悬浮物剩余率p、沉淀速度u，将结果填入表20-3和20-4。5.2 据表20-3和20-4中数据，绘制t-η曲线、u-η曲线、u-P曲线。
表20-3颗粒自由沉淀实验成果表取样口高度为0.5m
取样口至水面高度H=（H前+H后）/2静沉时间
t/min
悬浮物去除率
η/%
悬浮物剩余率
p/%
沉降速度u/
（mm/s）
2
5
10
15
30
40
60
