废水处理工程实验

废水处理工程实验 ——南京师范大学化科院

废水处理工程实验 • 废水处理工程实验大纲 • 废水处理工程实验的基本要求 • 实验项目

学分：1 课程总学时：24 开课学期：6 是否独立设课：是废水处理工程实验大纲 • 实验室名称：水处理工程实验室

实验目的与要求： 通过水处理工程实验，了解和掌握不同污水（废水）处理方法、原理、工艺以及相关设计参数的获得途径，加深对水处理工程技术理论课的理解。在实验中结合理论，培养学生观察、思考、分析和解决问题的能力，加强学生动手能力的训练。结合每项试验，初步培养学生组织试验研究的能力，并提高与完善学生的操作技能及分析试验数据的能力。实验目的是：(1) 掌握水处理实验原理及实验设备的结构性能；(2) 掌握水处理指标分析方法、仪器设备工作原理及操作方法；(3) 培养学生通过实验完成一整套的实验报告分析及实验结论。

实验项目与提要： 本实验包括曝气充氧设备性能实验、加压溶气气浮实验、活性炭吸附实验、紫外光催化降解水中的亚甲蓝、厌氧消化实验等实验方法。

成绩考核方法：实验操作、平时实验成绩平均值结合笔试成绩成绩考核方法：实验操作、平时实验成绩平均值结合笔试成绩 • 教材及主要参考书：教材：《环境科学与工程实验》，钟文辉主编，南京师范大学出版社，2004。主要参考书：《水污染控制工程实验》，陈泽堂编，化学工业出版社，2003。《水处理实验技术》，李燕诚编，中国建筑工业出版社，1997。《排水工程》（下册），哈尔滨建筑工程学院，中国建筑工业出版社，1987。《水污染控制工程》（下册），高廷耀顾国维主编，高等教育出版社，2003。《水污染控制原理》谢嘉主编，四川大学出版社，2003。撰写人：李时银审订人：钟文辉

废水处理工程实验的基本要求 • 实验前的预习工作 • 实验小组的分工和合作 • 实验必须测取的数据 • 实验数据的读取和记录 • 实验过程中的注意点 • 实验数据的整理 • 实验报告的编写

实验前的预习工作 • 阅读实验讲义，弄清本次实验的目的和要求。 • 根据本次实验的具体任务，研究实验的理论根据和实验的具体做法，分析哪些参数需要直接测量得到，那些参数不需要直接测量，而能够间接获得，并且要估计实验数据的变化规律。 • 到实验现场了解摸索实验流程，先看主要设备的构造，测料仪表的种类和安装位置，了解它们的测量原理和使用方法，最后全面审查整个实验流程的布置是否合理，审查主要设备的结构和安装是否合适，测量仪表的的量程、精度是否合适以及所装位置是否合理。 • 根据实验任务的现场勘查，最后确定实验方案，确定实验操作程序。

实验小组的分工和合作 废水处理工程实验一般都是由4-5人为一小组合作进行的，因此实验开始前必须做好组织工作，做到既分工又合作；既能保证质量，又能获得全面训练。每个实验小组要有1个组长负责执行实验方案、联络和指挥，与组员讨论实验方案，以使每个组员各司其职（包括操作、读取数据、记录数据及现象观察等），而且要在适当的时候轮换工作。

实验必须测取的数据 凡是影响实验结果或是数据整理过程中必须的数据都必须测取。它包括大气条件、设备有关尺寸、物料性质及操作数据等。但并不是所有数据都要直接测取，凡可以根据某一数据导出或从手册中查出的其他数据，就不必直接测定。例如水的密度、粘度、比热等物理性质，一般只要测出水温后即可查出，因而不必直接测定水的密度、粘度、比热，而只要测定水的温度就可以了。

实验数据的读取和记录 • 实验开始前拟好记录表格，在表格中应记下各次物理量的名称、表示符号及单位。每位实验者都应有一专用实验记录本，不应随便用一张纸或讲义的空白处进行记录，要保证数据完整，条理清楚，避免记录错误。 • 实验时一定要等现象稳后才开始读取数据，条件改变，要稍等一会儿才读取数据，这是因为条件的改变破坏了原来的稳定状态，重新建立稳定态需要一定的时间（有的实验甚至要花很长时间才能到达稳定），而仪表通常又有显示数据滞后现象的缘故。 • 每个数据记录后，应该立即复核，以免发生错读或错记数据的事故。

实验数据的读取和记录 • 数据的记录必须反映仪表的精确度。一般要记录到仪表上最小分度以下位数。例如温度计的最小分度为1℃，若当时的温度读数为20.5 ℃，则不能记为20 ℃；若当时的温度读数刚好为20 ℃，那应该记录为20.0 ℃。 • 记录数据要以实验当时的实验读数为准。 • 实验中如果出现不正常情况，以及数据有明显误差时，应在备注栏中加以说明。

实验过程中的注意点 • 操作者必须密切注意仪表指示值的变动，随时调节，务使整个操作过程都在规定的条件下进行，尽量减少实验操作条件和规定操作条件的差距。操作人员要坚守岗位，不得擅离职守。 • 读取数据后，应立即和前次数据相比较，也要和其他有关数据相对照，分析相互关系是否合理，数据变化趋势是否合理。如果发现不合理的情况，应该立即共同研究可能存在的原因，以便及时发现问题、解决问题。 • 实验过程中还应该注意观察实验中产生的各种现象，特别是发现某些不正常现象时更应该抓住时机，研究产生不正常现象的原因，排除故障。有的实验者在做实验时，只读取数据，其他一概不管，这是不对的。实验过程中除了读取数据外，还应做好下列诸事：

实验数据的整理 • 数据整理时应根据有效数字的运算规则，舍弃一些没有意义的数字。一个数字的精确是由测量仪表本身的精确度所决定的，它绝不因为计算时位数增加而提高。但是任意减少位数也是不许可的，因为这样做就降低了应有的精确度。 • 数据整理时，如果过程比较复杂，实验数据又多，一般以采用列表整理为宜，同时应将同一项目一次整理。这种整理方法既简洁明了，又节省时间。 • 计算示例。在所列表格下面要给出计算示例，即任取一列数据进行详细的计算，以便检查。

实验报告的编写 一份优秀的实验报告必须写得简洁明了，数据完整，交待清楚，结论正确，有讨论，有分析，得出的公式或曲线、图形有明确的实验条件。报告的内容一般包括： • 报告的题目。 • 报告写作者及及同实验小组人员的姓名。 • 实验的目的。 • 实验的理论依据。 • 实验设备说明（应包括流程示意图和主要设备、仪表的类型及规格）。

实验报告的编写 • 实验数据。应包括与实验结果有关的全部数据，报告中的实验数据不是指原始数据，而是指经过加工后用于计算的全部数据，至于原始记录则可作为附录附于报告后面。 • 数据整理及计算示例。其中引用的数据要说明来源，简化公式要写出导出过程，要列出一列数据的计算过程作为计算示例。 • 实验结果。根据实验任务，明确提出本次实验的结论，用图示法、经验公式或列表法均可，但都必须注明实验条件。 • 分析讨论。要对本次实验结果做出评价，分析误差大小及原因，对实验中发现的问题等作必要的讨论，对实验方法、实验设备有何建议也可写入此栏。

实验项目 • 曝气设备充氧性能实验 • 加压溶气气浮实验 • 活性炭吸附实验 • 紫外光催化降解水中的亚甲蓝 • 厌氧消化实验

曝气设备充氧性能实验 • 实验目的 • 实验原理 • 实验装置及流程 • 实验步骤

实验目的 • 加深理解曝气充氧的机理及影响因素； • 了解掌握曝气设备清水充氧性能测定的方法； • 测定曝气设备氧的总转移系数KLa，氧的利用率η％等； 4. 掌握测定修正系数α、β的方法。

实验原理 曝气是人为地通过一些设备加速向水中传递的过程，常用的曝气设备分为机械曝气与鼓风曝气两大类，无论哪一种曝气设备，其充氧过程均属于传质过程，氧传递机理为双膜理论，如图所示，在氧传递过程中，阻力主要来自液膜，氧传递基本方程为：

由于液膜厚度YL和液体流态有关，而且实验中无法测定与计算，同样气液接触面积A的大小也无法测定与计算，故用氧总转移系数KLa代替。由于液膜厚度YL和液体流态有关，而且实验中无法测定与计算，同样气液接触面积A的大小也无法测定与计算，故用氧总转移系数KLa代替。将上式积分整理后得曝气设备氧总转移系数KLa计算式:

由上式中可见，氧总转移系数KLa是指在单位传质推动力的作用下，在单位时间内向单位曝气液体中充入的氧量。它的倒数1/KLa单位是时间，表示将满池水从溶解氧为零充到饱和值时所用时间，因此KLa是反映氧传递速率的一个重要指标，影响氧传递速率KLa得因素很多，除了曝气设备本身结构尺寸，运行条件之外，还与水质水温等有关。为了进行互相比较，以及向设计、使用部门提供产品性能，故产品给出的充氧性能均为清水，标准状态下，即清水（一般多为自来水）一个大气压20℃下的充氧性能。除氧总转移系数KLa外，常用指标还有充氧能力Qc和氧利用率η％。由上式中可见，氧总转移系数KLa是指在单位传质推动力的作用下，在单位时间内向单位曝气液体中充入的氧量。它的倒数1/KLa单位是时间，表示将满池水从溶解氧为零充到饱和值时所用时间，因此KLa是反映氧传递速率的一个重要指标，影响氧传递速率KLa得因素很多，除了曝气设备本身结构尺寸，运行条件之外，还与水质水温等有关。为了进行互相比较，以及向设计、使用部门提供产品性能，故产品给出的充氧性能均为清水，标准状态下，即清水（一般多为自来水）一个大气压20℃下的充氧性能。除氧总转移系数KLa外，常用指标还有充氧能力Qc和氧利用率η％。

实验装置及流程 1、模型曝气池 2、泵型叶轮 3、电动机 4、温压电源 5、溶解氧探头 6、溶解氧仪

实验步骤 1．测定曝气池的容积（20L）； 2．溶解氧测定仪的校准按下“ON或OFF“键，仪器将显示“JPSJ－605”和“雷磁”商标，此显示几秒后，仪器自动进入溶解氧浓度值测量工作状态。预热仪器30分钟，30分钟后进行以下校准。 (1) 零氧校准当仪器按“零氧”键，使仪器处于“零氧”校准状态。同时，将溶解氧电极放入5％的新鲜配置的亚硫酸钠溶液中，待仪器显示读数趋于稳定后，按下“确认”键，仪器即完成校准并返回测量工作状态。在校准过程中仪器显示溶解氧浓度值、溶解氧饱和度值或电流值可通过按“模式”键选择，仪器完成零氧校准后，必须进入满度校准。

(2) 满度校准 当仪器按“满度”键，使仪器处于“满度”校准状态，把溶解氧电极从溶液中取出，用水冲洗干净，用滤纸小心吸干薄膜表面的水分，并放入盛有蒸馏水容器靠近水面的空气上或者放入空气中，但电极表面不能沾上水滴，待读数稳定后，按下“确认”键，仪器完成满度校准并返回测量状态。若在校准过程中按下“取消”键，仪器取消满度校准并返回测量工作状态。在校准过程中仪器显示溶解氧浓度值、溶解氧饱和度值或电流值可通过按“模式”键选择。 (3) 气压校准在仪器完成零氧校准、满度校准后，若当时大气压与标准大气压相差甚大时，须进行气压校准，按“气压”键，使仪器处于“气压”校准状态。然后，通过按上下键，调节气压设置参数，参数范围为（77.0－110.0）Kpa。再按“确认”键，仪器即完成气压校准并返回测量工作状态。若在调节过程中，按下“取消”键，仪器取消气压校准并返回测量工作状态；

(4) 盐度校准 在仪器完成上述步骤后，仪器若用于海水或海水养殖场测量时，按“盐度”键，使仪器处于“盐度”键，使仪器处于“盐度”校准状态。然后，通过按上下键调节盐度设置参数，其参数为被测溶液的盐度值，参数范围为（0.0-40.0）g/L。再按下“确认”键，仪器即完成盐度校准并返回测量工作状态。校准好后的溶解氧测定仪和电极处于测量工作状态，电极放入蒸馏水中备用。 3．曝气池内注入自来水，并用校准好后的溶解氧测定仪测定曝气池中自来水的溶解氧浓度，并记录溶解氧浓度；

4．计算CoCl2和Na2SO3的需要量 Na2SO3＋1/2O2 → Na2SO4 从上式可知，每去除1mg溶解氧需要投加7.9mg Na2SO3。根据水的容积（20L）和自来水（或污水）的溶解氧浓度可以算出Na2SO3的理论需要量。实际投加量应为理论值为1.2倍，计算方法为：W1＝V×Cs×7.9×1.2，式中：W1为Na2SO3的实际投加量（kg或g），V 为曝气池水体积（m3或L）。催化剂CoCl2的投加量，按维持池子中的钴离子浓度为0.05－0.5mg/L左右计算，计算方法如下：W2＝V×0.5×129.9/58.9，式中：W2为CoCl2的投加量（kg或g），V的单位同上，本实验20L自来水约需要CoCl2的量为20mg。

5．将校准后的溶解氧电极固定在曝气池内（电极插入水中约10cm）；5．将校准后的溶解氧电极固定在曝气池内（电极插入水中约10cm）； 6．将Na2SO3和CoCl2直接投加到曝气池中，依次打开控制器的电源开关、110V输出开关和搅拌机开关，慢慢调节搅拌转速微调开关到40V（切记：输出电压不能超过50V）； 7．待溶解氧指示值从零开始上升时，同时记录时间（用秒表）和溶解氧浓度数据，每隔2分钟读数一次，直到溶解氧达到饱和值时（溶解氧浓度显示值变化不明显）结束试验； 8. 重复试验一次。

加压溶气气浮实验 • 实验目的 • 实验原理 • 实验装置和流程 • 实验方法

实验目的 • 进一步了解和掌握压力溶气气浮净水方法的原理及其工艺流程。 • 掌握气浮法设计参数“气固比”的测定方法及整个实验的操作技术。

实验原理 • 加压溶气气浮法就是使空气在一定压力的作用下溶解于水，并达到饱和状态，然后使加压水表面压力突然减到常压，此时溶解于水中的空气便以微小气泡的形式从水中逸出来。这样就产生了供气浮用的合格的微小气泡。 • 加压溶气气浮法可分为无回流系统和有回流系统两种。本实验主要介绍无回流加压溶气气浮法，并通过实验求出设计参数“气固比”。、

气固比A/S是设计气浮系统时经常使用的一个基本参数，是空气量与固体物数量的比值，无量纲。定义为：气固比A/S是设计气浮系统时经常使用的一个基本参数，是空气量与固体物数量的比值，无量纲。定义为：

实验装置和流程 1.污水槽 2 .溶气水泵 3.溶气罐进水阀 4.空压机 5. 溶气罐进压阀 6.限压阀 7.排气阀 8.溶气罐 9.气浮装置系统控制器 10.水位传感器 11.溶气罐除水阀 12.气体释放气阀 13.气浮槽 14.刮渣装置 15.除浮渣槽 16.除水调节阀

实验方法 （一）静态实验 1. 准备工作（1）将原污水或清水加入污水槽中，不断搅拌使悬浮物均匀；（2）将板面气（水）压力表上下限分别调至2及4kg/cm2。（3）电源总开关应打至OFF位置，所有其它开关也应打至OFF位置。 2. 实验操作（1）打开总电源开关至ON；（2）启动溶气水泵，使水进入溶气罐，此时开关上附属指示灯应亮（若溶气水泵不起动，表明水位已达到所需要的高度）；（3）当溶气水泵自动停止后，启动溶气空压机，使空气压入溶气罐；

（4）当溶气罐压力达到4kg/cm2上限后，空压机自动停止，静置3分钟后，此时溶气水形成；（4）当溶气罐压力达到4kg/cm2上限后，空压机自动停止，静置3分钟后，此时溶气水形成；（5）将一定体积的废水或污泥加入到气浮分离管中，然后以1/2，1/3，1/4，1/5的回流比释放溶气水进入气浮分离管，同时测定悬浮物界面随时间变化的情况（0，5，10，15，20，25，30分钟各测定一次）。即在各回流比时每隔5分钟测定一次界面高度，至到界面上升到水面为止。（6）在5中每个回流比的界面随时间变化率测定完后，从分离管每各取样口取样澄清水样测定其pH、SS、浊度以及COD值。如果分离效果很差，应在5中所加废水或污水中投加20％的Al2（SO4）3或其它混凝剂，提高分离效果（混凝剂的最佳用量及混凝条件应事先通过烧杯试验确定或通过气浮出水的分析结果确定）。

（7）采用步骤1-4相同的条件进行加压溶气，然后在溶气测定管中充满水，而加压水量测定管中的液体应放空，再把不同压力加压溶气水送入溶气测定管中，至到溶气测定管和加水量测定管中液面达到一定式，读出气体量和加压水量【分别从湿式流量计中和加压水测定管中读取，加压水量＝（溶气管中液体容积＋加压水量测定管中水容积）－（未放溶气时溶气管中所放水的容积）】。（7）采用步骤1-4相同的条件进行加压溶气，然后在溶气测定管中充满水，而加压水量测定管中的液体应放空，再把不同压力加压溶气水送入溶气测定管中，至到溶气测定管和加水量测定管中液面达到一定式，读出气体量和加压水量【分别从湿式流量计中和加压水测定管中读取，加压水量＝（溶气管中液体容积＋加压水量测定管中水容积）－（未放溶气时溶气管中所放水的容积）】。（二）动态实验 1．打开气浮主机侧板面上的溶气水出口开关，于是有乳白色溶气水流入气浮槽，其中乳白色为空气微泡； 2．控制气浮槽出流阀以调节最佳刮泡液面； 3．启动刮泡机进行刮泡作业；

4．当气浮作业完毕，关闭控制器电源总开关，并同时将控制气上所有开关都打至OFF；4．当气浮作业完毕，关闭控制器电源总开关，并同时将控制气上所有开关都打至OFF； 5．从气浮槽排水管处取处理后水样进行SS含量分析，并与原水样对比以评判处理效果； 6．原污水样和处理后水样中的SS测定方法采用重量法（CJ/T57-1999），即将搅拌混合均匀的原废水和气浮处理后的废水各取100mL，分别用110℃烘干并称重的滤纸过滤，再将过滤后含悬浮物的滤纸烘干至恒重，称重，并记录数据。

活性炭吸附实验 • 实验目的 • 实验原理 • 实验装置和流程 • 实验步骤

实验目的 • 通过实验进一步了解活性炭的吸附工艺及其性能 • 掌握用间歇法、连续流法确定活性炭处理污水的设计参数的方法

实验原理 • 活性炭吸附就是利用活性炭的固体表面对水中一种或者几种物质的吸附作用，以达到净化水质的目的。活性炭的吸附作用产生于两个方面，一是由于活性炭的内部分子在各个方向都受到同等大小的力而在表面的分子受到不平衡的力，这就使其他分子吸附在其表面上，此为物理吸附；另一个是由于活性炭与被吸附物质之间的化学作用，此为化学吸附。活性炭吸附是上述两种吸附综合作用的结果。当活性炭在溶液中的吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内活性炭吸附的数量等于解吸的数量时，被吸附物质在溶液中的浓度和在活性炭表面的浓度不再变化，而达到了平衡，此时的动态平衡称为活性炭吸附平衡。而此时被吸附的物质在溶液中的浓度称为平衡浓度。活性炭的吸附能力以吸附量q表示:

在温度一定的条件下，活性炭的吸附量随被吸附物质平衡浓度的提高而提高，两者之间的变化曲线称为吸附等温线，通常用费兰德利希式加以表达。在温度一定的条件下，活性炭的吸附量随被吸附物质平衡浓度的提高而提高，两者之间的变化曲线称为吸附等温线，通常用费兰德利希式加以表达。 K、n值求法如下：通过间歇式活性炭吸附实验测得q、C一一相应之值，将费兰德利希经验式取对数后变换为下式将相应值点绘在双对数坐标纸上，所的直线的斜率为1/n，截距为K。

由于间歇式静态吸附法处理能力低、设备多，故在工程中多采用连续流活性炭吸附法，即活性炭动态吸附法。由于间歇式静态吸附法处理能力低、设备多，故在工程中多采用连续流活性炭吸附法，即活性炭动态吸附法。采用连续流方式的活性炭吸附性能可用Bohart和Adams所提出的关系式来表达。当工作时间为t=0时，能使出水浓度小于CB的碳层理论深度称为活性炭层的临界深度，其值由上式t=0推出。

实验装置和流程 间歇式、连续式活性炭吸附实验装置示意图

实验步骤 1．间歇式活性炭吸附实验（1）将待处理水样用滤布过滤，去除水中悬浮物，测定水样的COD、SS值。（本实验中选择自配的亚甲基蓝水样，主要测定水体中的该物质浓度）（2）将活性炭放在蒸馏水中浸泡24小时，然后放在烘箱中至恒重，在6个500mL的三角烧瓶中分别加入0、100、200、300、500mg活性炭。（3）在每个三角瓶中投加相同体积的处理水样，测定水温，将三角瓶放在振荡器上振荡，当达到吸附平衡时可以停止振荡。（4）过滤处理后的水样，测定相关的参数，求出吸附量q。

2．连续流活性炭吸附实验 （1）测定待处理水样的有关参数（如COD、浓度、pH、温度等）。（2）在有机玻璃管柱中装入一定量处理过的活性炭（本实验中装入量为60克）。（3）以每分钟10~40mL的流量，按降流式运行（运行时应该尽量减少空气气泡的存在），实验中至少使用三种以上的不同流速。（4）在每次流速稳定后，每隔10分钟由各活性炭柱取样，分析其中的亚甲基蓝的浓度，测定吸附率的数值。

紫外光催化降解水中的亚甲蓝 • 实验目的 • 实验原理 • 实验装置和流程 • 实验步骤

实验目的 掌握采用紫外光催化降解法处理废水中有机物的方法。

实验原理 半导体材料在光照射下，通过把光能转化为化学能，促进化合物的合成或降解的过程称之为光催化。TiO2光催化材料是当前最有应用潜力的一种光催化剂。它的优点是：来源丰富、性质稳定、对生物无毒性、耐酸碱性好、能隙较大、有很强的氧化性和还原性，作为耐久性的光催化剂已被广泛应用在处理各种环境问题上。一些难于生物降解的有机化合物，可以用该方法逐步降解为CO2、H2O和无毒的无机物。

TiO2半导体粒子的价带和导带之间存在禁带，其禁带宽度一般在3.0eV以下。当能量大于或等于能隙的光( hυ≥Eg )照射到半导体时，半导体粒子吸收光，产生电子－空穴对。空穴可以夺取半导体颗粒表面被吸收物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光的物质被活化并被氧化，电子受体通过接受表面的电子而被还原。其作用机理如下 :

废水处理工程实验

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