建筑与测绘工程学院《水处理实验设计与技术》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。它不仅具有理论指导意义，而且也是给水排水处理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。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，但其直径应足够大，一般应使内径D≥100mm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与截留沉速u0剩余颗粒重量百分率P的关系如下：()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，不同沉淀时间ti，颗粒最小沉淀速度ui相应为：()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：()此时去除率η0，表示u≥ui（d≥di）的颗粒除去率，而：()则反映了ti时，未被除去之颗粒即d＜di的颗粒所占百分比。实际上沉淀时间ti内，由水中沉至柱底的颗粒是由两部分颗粒组成，即沉速us≥ui的那一部分颗粒能全部沉至柱底。除此之外，颗粒沉速us＜ui的那一部分颗粒，也有一部分能沉至柱底。这是因为，这部分颗粒虽然粒径很小，沉速us＞ui，但是这部分颗粒并不都在水面，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等于具有沉速ui的颗粒由水面降至池底所用的时间ti，那么这部分颗粒也能从水中被除去。沉速us＜ui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柱底的多，粒径小的沉到柱底的少，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，即可得这部分颗粒的去除率。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：()故ΔP是当选择的颗粒沉速u1降至u2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间的那部分颗粒所占的百分比。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，必须等于或小于具有沉速为ui的颗粒由水面沉至柱底的时间，即应满足：图1颗粒自由沉淀示意由于颗粒均匀分布，又为等速沉淀，故沉速ux＜ui的颗粒只有在x水深以内才能沉到柱底。因此能沉至柱底的这部分颗粒，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：()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分占全部颗粒的比例。利用积分求解这部分us＜u0的颗粒的去除率，则为：故颗粒的去除率为：()工程中常用下式计算：()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...
