颗粒自由沉淀实验报告

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进行，但其直径应足够大，一般应使径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u 0剩余颗粒重量百分率P 的关系如下：

()dP P u u P s

⎰+-=00

001η

( 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C 0（mg/L ），此时去除率η=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：

i

i t H u = ( 2 ) 此即为t i 时间从水面下沉到池底（此处为取样点）的最小颗粒d i 所具有的沉速。此时取样点处水样悬浮物浓度为C i ，而：

00

0011η=-=-=-i i

i P C C C C C ( 3 )

此时去除率η0，表示u ≥u i （d ≥d i ）的颗粒除去率，而：

C C P i

i =

( 4 )

则反映了t i 时，未被除去之颗粒即d ＜d i 的颗粒所

占百分比。

实际上沉淀时间t i ，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u s ＜u i 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u s ＞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柱的高度，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除去。

沉速u s ＜u i 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t i 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u s ＜u i 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：

02

1020121C C C C C C C P P P -=-=-=∆

( 5 ) 故ΔP 是当选择的颗粒沉速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的d 1减到d 2时，此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 代表了小于d 1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u i 的颗粒由水面沉至柱底的时间，即应满足：

i

x u H

u x ≤ i

x

u Hu x ≤ 由于颗粒均匀分布，又为等速沉淀，

图1 颗粒自由沉淀示意

图2 P 与u 关系曲线

故沉速u x ＜u i 的颗粒只有在x 水深以才能沉到柱底。因此能沉至柱底的这部分颗

粒，占这种粒径的百分比为H

x

，如图4-1所示，而：

i

x

u u H x = 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（又称截留沉速）；u s =u x 则有：

u u u u s

i x = 由上述分析可见，dP s 反映了具有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：

dP u u s

( 6 ) 正是反映了在设计沉速为u 0时，具有沉速为u s 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u s ＜u 0的颗粒的去除率，则为：

dP P u u s

⎰000

故颗粒的去除率为：

()dP P u u P s

⎰+

-=00001η

( 7 )

工程中常用下式计算：

0)1(u P u P s ∑

∆•+-=η

( 8 )

三、实验设备及用具

（1）有机玻璃管沉淀柱一根，径D ≥100mm ，高1.5m 。有效水深即由溢流口至取样口距离，共两种H 1=0.9m ，H 2=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。