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水质净化实验

发布时间:2020-10-30 15:15

  水质净化实验_能源/化工_工程科技_专业资料。本文档为水质净化的大部分实验,可供大家参考

  前言 本书根据火力发电水净化实验教学大纲编写, 目的是巩固和加强 学生对水净化课程基本原理的理解,贯通和融化,培养学生实验中的 操作技能,提高独立思想,分析问题和解决问题的能力,提高学生对 实验数据的分析处理能力。 全书分五部分:结论:数据的误差与实验数据的分析处理:实验 内容:水质分析测定的方法:常用仪器的使用说明及附录. 限于编者水平,错误及不妥之处,恳请读者批评指正。 -1- 目录 第一部分 绪论 一 实验的目的,任务和结果·················1 ················ 二 实验教学中的要求····················1 ··················· 三 实验研究工作(设计性实验)的一般程序··········2 ········· 四 实验设计方法······················3 ····················· 五 学生实验守则······················14 ····················· 六 实验室安全工作守则···················14 ·················· 第二部分 数据的误差及实验数据的分析处理 一 数据误差的基本概念···················16 ·················· 1 数据误差的概念及分类················· ·················16 2 实验的误差分析···················· ····················17 二 实验数据 id 整理及分析··················20 ················· 1 实验数据的整理·····················21 ···················· 2 实验数据的分析·····················23 ···················· 第三部分 实验内容 实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七 实验八 实验九 实验十 实验十一 混凝沉淀实验····················26 ··················· 混凝加药实验····················28 ··················· 混凝 pH 实验·····················31 ···················· 混凝条件优化实验·················· ··················34 过滤反冲洗实验··················· ···················36 活性炭吸附实验··················· ···················39 水处理中基本操作·················· ··················44 阳离子交换树脂工作交换容量的测定·········· ··········47 离子交换树脂的鉴别实验··············· ···············50 纯水的制备····················· ·····················52 水处理剂阻垢剂性能的测定············· ·············54 -2- 实验十二 第四部分 附录 水处理剂缓蚀剂性能的测定·············· ··············59 附录 A 推荐得到标准配制水···················63 ·················· 附录 B 腐蚀率的换算系数····················63 ··················· 附录一 水的硬度测定方法····················64 ··················· 附录二 DWS—51 型钠离子浓度计的使用方法··········· ···········66 附录三 DDS—11 型电导率仪的使用方法··············69 ············· 附录四 PHS—2 型酸度计的使用方法··············· ···············73 附录五 SZT—22 型电度计的使用方法···············76 ·············· 附录六 621 定时变速搅拌仪的使用方法·············· ··············77 附录七 JBY—II 型絮搅拌仪的使用方法·············· ··············78 附录八 7230 型分光光度计的使用方法···············79 ·············· 附录九 KZC—I 阻垢性能测试仪的使用方法············ ············80 附录十 RCC 系列旋转腐蚀挂片实验仪的使用方法··········81 ········· -3- 第一部分 一 水净化实验室的基本要求 1 实验目的 任务 结果 实验目的: 绪论 同过对实验操作,实验现象的观察,实验结果的分析,能够对水净化的基本概念,基本 原理得到验证,巩固,充实和提高并适当地扩大知识面。通过综合性,设计性实验,使学 生将学到的各门课程融会贯通,并学会如何进行实验方案的设计,掌握数精华实验研究方 法和基本测试技能。 实验任务: (1) (2) 掌握水净化实验参数测定的分析方法,学会对常用实验仪器设备的使用方法。 通过基本技能实验, 培养学生动手能力和解决实际技术问题的能力; 通过综合 性,设计性实验,提高学生独立思考问题,解决问题和创新能力。 (3) 学会对实验数据测定,分析的处理方法并通过实验得到可靠结论。 实验结果: 培养学生求实,认真,勤奋,节约的科学态度和工作作风。 二 实验教学中的基本要求 1 课前预习 (1)明确实验的目的,原理和内容,认真阅读实验教材和专业书籍,使实验具有充分 理论基础,以更好的指导实验。 (2)写好预习报告。预习报告包括:实验目的,原理,主要内容,需要测试原因和测 试方法;实验注意事项;实验表格准备等。 (3)了解实验中所需的装置,设备,容器并配制好试验中所需试剂。 (4)实验小组做好实验分工,互相配合完成实验,如取样,操作,分析,观察,记录, 使整个实验在进行中有条不紊,准确无误,使每名学生都各尽其责。 2 设计实验 对于设计性实验,设计实验方案是非常重要的环节,实验方案包括实验目的装置,步 骤,计划,测试项目和测试方法等。 -4- 3 实验过程中的基本要求 (1)开始实验前,有实验教师检查学生的预习报告 (2) 实验中的特殊仪器要首先请教老师,不能擅自使用,以免造成误操作。 (3)按照实现分工,各尽其职,完成实验。 (4)实验结束,要将实验过程的全部记录,教师审核签字后方可离开。 4 实验数据的整理与分析 实验数据的分析与整理包括:实验误差,有效数据的取舍,实验数额据的整理,实验数 据的完善,实验数据的计算,分析,实验数据中可能存在的异常点,完善实验数据。 5 编写实验报告 实验报告使对整个实验的全面总结, 是整个实验的宝贵资料。 要求全篇报告文字通顺, 字迹端正,图标整齐,结果正确,讨论认真。实验报告书写要求如下: (1) 应在实验完成后规定时间内独立完成。 (2) 实验报告的内容包括:实验目的,原理,操作过程,原始数据及数据处理,结 果分析及问题讨论。 (3) 问题讨论是报告中重要的一项,主要是对实验时观察的重要现象及实验中出现 操作误差带来的不正确结果与预想效果不一致的原由进行讨论,也可以对实验 提出改进性的意见及新的要求和希望。 三 实验研究工作(设计性实验)的一般程序 1 问题的提出 根据已经掌握的知识,提出打算验证的基本概念和探索研究的问题。 2 设计实验方案 确定实验目标后改进人力,设备,药品和技术能力等方面的具体情况进行实验方案的 设计。实验方案应包括实验目的,装置,步骤,计划,测试项目和测试方法等内容。 3 实验研究 (1) 根据设计好的实验方案进行实验,按时进行测试: (2) 收集实验数据: (3) 定期整理分析实验数据。 实验数据的可靠性和定期整理分析是实验工作的重要环节没声音者必须用自己掌握的 基础概念分析实验数据。 通过数据分析加深对基础概念的理解, 并发现实验设备, 操作运行, -5- 测试方法和实验方向等方面的问题,以便及时解决,使实验工作能较顺利地进行。 (4) 实验小结 通过实验数据的分析,对实验结果进行评价。小结的内容包括一下几个方面: 1) 通过实验掌握了那些新的知识: 2) 是否解决了提出研究的问题: 3) 是否证明了课程讲授中的某些论点: 4) 当实验数据吧合理时,应分析原因,提出型的实验方案。 由于受课程学时等条件的限制,学时只能在已有的实验装置和规定的实验条件范围 内进行实验,并通过本课程的学习得到初步的本样和训练,为今后从事实验研究和 进行科学实验打好基础。 四 实验设计方法 (一) 实验设计简介 实验设计的目的是选择一种对所研究的特定问题最有效的实验安排,以使用最少的人 力和时间获得满足要求的实验结果。广义说,它包括实验目的,确定测定参数,确定需要控 制或改变的条件,选择实验方案和测量仪器,确定测量精度要求,实验方案设计和数据处理 步骤等。 实验设计是实验研究过程的重要环节, 通过实验设计可以使我们的实验安排在有效 的范围内,以保证通过较少的实验得到预期的的实验结果。 实验设计的方法很多,邮单因素试验设计,双因素试验设计,正交试验设计,析因分 析试验设计,序贯实验设计。各种试验设计方法的目的和出发点不同,因此,在进行实验设 计时应根据研究对象的具体情况决定采用哪一种方法。 在生产过程和科学研究中,对试验指标有影响的条件,通常称为因素。在实验中可以 认为地加以调节和控制的,叫可控因素。例如,混凝试验中的投药量和 pH 值是可以认为控 制的,属于可控因素。另一类因素,由于技术,设备和自然条件的限制,暂时还不能认为控 制的,叫不可控制因素。例如,气温,风对沉淀效果的影响都是不可控制因素。实验方案设 计一般只使用于可控因素。 下面说到因素, 凡没有特别说明的, 都是指可控因素。 在试验中, 影响影响因素通常不止一个, 但我们往往不是对所有因素都加以考虑。 有的因素在长期实践 中已经比较清楚,可暂时不考察,固定在某一状态上,只考虑一个因素,这种考察一个因素 的试验,叫做单因素试验。考察两个因素的试验称为双因素试验。考察两个以上要因素的试 验称多因素试验。 -6- 在实验设计中用开衡量试验效果好坏所采用的标准称为实验标准,或简称指标。例如 在进行地面水的混凝实验时为了确定最佳投药量和最佳 pH,选择浑浊度作为评定比较各次 实验效果好坏的标准,即浊度是混凝实验的指标。 进行实验方案设计的步骤如下: 1 明确试验的目的,确定试验指标。 确定对象是需要解决的问题,一般不止一个。例如,在进行混凝效果研究时,要解决 的问题有最佳投药量,最佳 pH 值和水流速度梯度问题。我们不可以通过一次实验把所有这 些问题都解决, 因此实验前首先确定这次实验的目的究竟是解决哪一个, 或者哪几个主要问 题,然后确定相应的指标。 2 挑选因素 在明确试验目的和确定试验指标后,要分析研究影响试验指标的因素,从所有的影响 因素中排除那些影响不大或者已经掌握的因素, 让它们固定在某一状态下, 挑选那些对试验 指标有较大影响的因素来进行考察。 例如, 在进行 BOD 模拟的参数估计时影响因素有温度, 菌种数,硝化作用及时间等,通常把温度和菌种数控制在一定状态上,并排除硝化作用的干 扰,只通过考察 BOD 随时间的变化来估计参数。 3 选定实验设计方法 因素选定后可估计研究对象的具体情况决定选用哪一种试验设计方法,例如,对于单 因素问题,应选用单因素试验设计法:三个以上因素的问题,可以用正交试验设计法:要进 行模拟筛选或确定已知模拟的参数估计可采用序贯实验设计法。 4 实验安排 上诉问题都解决后,便可以进行实验点位置安排,开展具体的实验工作 下面我们仅介绍单因素实验设计,双因素实验设计及正交实验设计法的部分基本方法, 原理部分可根据需要参阅有关书籍。 (二)单因素实验设计 单因素实验设计方法有 0.618(黄金分割法) ,对分法,分数法,均分法,爬山法和抛物 线法等。 前三种方法可以用较少的实验次数迅速找到最佳点, 适用于一次只能出一个试验结 果的问题。对分法效果最好,每做一个实验就可以去掉试验范围的议案不能。分数法应用较 广, 因为它还可应用于实验点只能取整数或某特定数的情况, 以及限制实验次数和精确度的 情况。 均分法适用于一次可得出许多试验结果的问题。 爬山法适用于研究对象不适宜或者不 易大幅度调整的问题。 -7- 下面介绍对分法,分数法和均分法 1 对分法 采用对分法时,首先要根据经验确定实验范围。实验范围 a—b 之间,第一次试验点安 b ),若实验结果表明 x1 取大了,则丢去大的一半,第二次实 2 a?b 验点安排在(a,x1)的中间点 X2(X2= ).如果第一次实验结果表明 X1 取小了,便丢去小 2 排在(a,b)的中点 X1(X1=a+ 于 X1 一半,第二次试验点就取在(X1,b)的中点。这个方法的优点是每做一次试验便可以 去掉一半,且取点方便。适用于预先已经了解所考察因素对指标的影响规律,能够从一个实 验的结果直接分析出该因素的值是取大了或取小了的情况。 例如,确定消毒时加氯量的试验,可以采用对分法。 2 分数法 分数法又叫斐波那契数列法, 它是利用斐波那契数列进行单因素优化试验设计的一种方 法。当实验点只能取整数,或者限制试验次数的情况下,采用分数法较好。例如,如果只能 做一次实验时,就在 1/2 处做,其精度为 1/2,即这点与实际最佳点的最大可能距离为 1/2。 如果只能做两次实验,第一次实验在 2/3 处做,第二次在 1/3 次做,其精度为 1/3.如果能 做三次,第一次在 3/5 处做实验,第二次在 2/3 处做,第三次在 1/5 或 4/5 处做,其精确度 为 1/5···,做几次实验就在几次实验范围内 Fn/Fn+1 处做,其精度为 1/Fn+1.如表 1 所示。 ··· 表 1 分数法试验点位置与精确度 试验次数 等分试验范围的份数 第一次试验点的位置 2 3 2/3 1/3 3 5 3/5 1/5 4 8 5/8 1/8 5 13 8/13 1/13 6 21 13/21 1/21 7 34 12/34 1/34 ·· · ·· · ·· · ·· · n Fn+1 Fn/Fn+1 1/Fn+1 ·· · ·· · ·· · ·· · ·· · ·· · ·· · ·· · 精确度 表中的 Fn 及 Fn+1 叫“斐波那契数”,它们可由下列递推式确定: F0=F1=1; Fk=Fk-1+Fk-2 由此得 (k=2、3、4?) F2=F1+F0=2, F3=F2+F1=3, F4=F3+F2=5·· Fn-1=Fn+Fn-1·· ·, · 因此,表 1 中第三行各分数,从分数 2/3 开始,以后的每一分数,其分子都是前一分数 的分母, 而其分母都是前一分数的分子与分母之和, 照此方法不难写出所需要的第一次试验 点的位置。 分数法各试验点的位置,可用下列公式求得: -8- 第一试验点=(大数-小数)× Fn + 小数 Fn ? 1 (1) (2) 新试验点=(大数-小数)+小数 式中:中数—已试的试验点的数值。 上述两式推导如下:首先由第一试验点 x1 取在实验范围内的 范围左端点(小数)的距离等于实验范围总长度的 Fn 处,所以 X1 与试验 Fn ? 1 Fn 倍,即 Fn ? 1 Fn 第一试验点——小数=【大数(右端点)-小数】× Fn ? 1 移项后,既得式(1) 。 又由于新试点(X2,X3·· ·)安排在余下范围内与已试点相对称的点上,因此,不仅新试 点到余下范围的中点的距离等于已试点到中点的距离, 而且新试点到左端点的距离也等于已 试点到右端点的距离(图 1)即 新试点-左端点=右端点-已试点 移项后即得式(2) 图 1 分数法试验点位置示意图 下面以具体例子说明分数法的应用。 某污水厂准备投加三氯化铁改善污泥的脱水性能, 根据初步调查投药量在 160mg/l 以下, 要 求通过四次实验确定出最佳投药量。具体计算方法如下: (1) 根据式(1)可得第一个实验点的位置 (160-0)× 5 +0=100(mg/l) 8 (2) 根据式(2)得到第二个实验点位置 (160-0)+0=60(mg/l) (3)假定第一个比第二个点好,所以在 60——160 之间找第三点,丢去 60——0 的一 段,即 (160-1000)+60=120(mg/l) (4)第三点与第一点结果一样,此时可用“对分法”进行第四点实验,即在 -9- 100 ? 120 =100(mg/l) 处进行实验得到的效果最好。 2 3、均分法 当完成实验需要较长时间, 或者测试一次需要很大代价, 而每次同时测试几个样品和测 试一个样品所花的时间,人力或费用相近时,采用均分法较好。这种方法是每批试验均匀地 安排在实验范围内,例如每批要做四个实验,我们可以先将实验范围(a,b)均分为五分, 则去掉小于 X1,X2,X3,X4 处做四个实验将四个实验样品同时进行测试分析,如果 X3 好,则 去掉小于 X2 和大于 X4 的部分,留下(X2,X4)范围。然后将留下部分在分成无份,在未做过 实验的四个分点上做实验,这样一直下去,就能找到最佳点。 图2 均分法示意图 均分法时一种古老的实验方法。优点是只需把实验放在等分点上,实验可以同时安排, 也可以一个一个地安排:其缺点是实验次数较多,代价较大。 (三)双因素试验设计。 对于双因素问题,往往采取把俩个因素变成一个因素的办法(即降维法)来解决,也就 是先固定第一个因素, 做第二个因素的实试验, 然后固定第二个因素再做第一个因素的试验。 这里介绍两种双因素试验的设计方法。 1、从好点出发法 这种方法是先把一个因素,例如 X 固定在试验范围内 的某一点 X1(0.618 点或其他点处) ,然后用单因素试验设 计对另一因素 y 进行试验,得到最佳试验点 A1(x1,y1) , 再把因素 y 固定在好点 y1 处,用单因素方法最 x 进行试验, 得到最佳点 A2(x2,y1) 。若 x2x1,则去掉小于 x1 的部分。 然后,在剩下的试验范围内,得到最佳试验点 A3(x2,y2) ,于 图3 从好点出发示意图 是再沿直线 的部分范围去掉,这样继续下去,能较好的找到需要的最佳点 - 10 - (见图 3) 。 这个方法的特点是对某一于是继续设计最佳点时, 另一个于是都是固定在上次实验结果 的好点上(除第一次外) 。 2、平行线法 如果双因素问题的两个因素中有一个因素不 易改变时,宜采用平行线法。具体方法如下: 设因素 y 不易调整,我们就把 y 固定在其试验 范围的 0.5(或 0.618)处,过该点做平行于 ox 的 直线,并用单因素方法找出另一因素 x 的最佳点 A1。 再把因素 y 该点在 0.25 除,用单因素法杂货哦出因 素 x 的最佳点 A2。比较 A1 和 A2,若 A1 比 A2 好,则 沿直线 将下面的部分去掉。然后在剩下的范 围内再用对分法找出因素 y 的第三点 0.625,第三次 实验将因素 y 该点在 0.625 处,用单因素法找出因素 图 4 平行线法示意图 x 的最佳点 A3,若 A3 比 A1 好,则也可将直线 以上的部分去掉。这样一直做下去,就 能找到满意的结果(见图 4) 。 例如,混凝效果与混凝剂的投加量,PH 值,水流速度梯度因素有关。根据经验分析, 主要的因素是投加量与 PH 值,因此,根据经验把速度梯度该点在某一水平上,然后用双因 素试验设计法选择试验点进行试验。 (四) 正交试验设计 在生产和科学研究中遇到的问题,一般都是比较复杂的,包括多种因素,且各因素又 有不同的状态,它们往往相互交织,错综复杂。要解决这类问题,常常需要做大量试验。例 如,某工业废水欲采用样样消化处理,经过分析研究后, 决定考虑三个因素(如温度、时间、 负荷率) ,而每个因素又可能有三种状态(如温度因素为 25 C,30 C,35 C 等三个水平) ,它 们之间可能有 27 种不同组合, 也就是说要经过 27 种试验后才能知道哪一种组合最好。 显然 这种全面进行试验的方法,非但费时费钱,有时甚至时不可能的。对于这样的一个问题,如 果我们采用正交设计安排试验,只要经过 9 次试验就能得到满意结果。对于多因素问题,采 用正交实验设计可以达到事半功倍的效果, 这是因为我们可以通过正交试验合理地挑选和安 排试验点,较好的解决多饮水问题中的两个突出问题: (1)全面实验的次数与实际可行的试验次数之间的矛盾。 0 0 0 - 11 - (2)实际所作的少数试验与要求掌握的事物的内在规律之间的矛盾。 正交试验设计法是研究多饮水试验问题的数学方法。它主要时使用正交表这一工具从 所有坑的试验搭配中挑选出若干必要的试验, 然后再有统计分析方法对试验结果进行综合处 理,得出结果。下面线介绍两个有关的概念: (1) 水平因素变化的各种状态叫因素的水平。 某个因素在试验中需要考察它的几种状 态,就叫它是几水平的因素。因素试验中所处状态(即水平)的变化,可能引起指标发生变 化。例如:在污泥艳阳消化试验时要考虑三个因素:温度,泥龄和负荷率,温度因素选择为 25 C,30 C,35 C 三种状态,这里的 25 C,30 C,35 C 就是温度因素的三个水平。 因素的水平有的坑用数量表示(如温度) ,有的则不能用数量表示,例如,在采用不同 混凝剂做试验时, 要研究哪种混凝剂比较好, 在这里各种混凝剂就表示混凝剂这个因素的水 平,不能用数量表示。凡是不能用数量表示水平的因素,叫做定性因素。在多因素试验中, 有时会遇到定性因素。 对定性因素只要对每个水平规定具体含义, 就可与定量因素一样对待。 (2)正交表:用正交设计安排试验都要用正交表。 它是正交试验设计中合理安排试验,以及对数据进行统 计分析的工具。正交表都以同一的形式记号来表示,如 L4(2 ) (图 5) ,字母 L 代表正交表 L,右下角数字“4” 代表正交表有 4 行,即安排四次试验,括号内的指数“3” 图 5 正交表记号示意图 3 0 0 0 0 0 0 表示表中有 3 列,即最多可与考察三个因素,括号的底数“2”表示表中每列有 1、2 两种数 据,即安排试验是你,被考察的因素有两种水平 1 与 2,称为 1 水平和 2 水平。如表 2 所示。 表 2 L4(2 )正交表 试验号 1 1 2 3 4 1 1 2 2 列号 2 1 2 1 2 3 1 2 2 1 3 - 12 - 如果被考察各因素的水平不同时,应采用混合型正交表,其表示方式略有不同。如 L8 (4×2 ) ,它表示有 8 行(即要做 8 次试验)5 列(即有 5 个因素) ,括号内的第一项“4” 表示被考察对象的第一个因素是 4 水平,在正交表中位于第一列,这一列有 1、2、3、4 四 种数字组成。括号内第二项的指数“4”表示另外还有 4 个考察因素,底数“2”表示后边 4 个因素是 2 水平,即后 4 列由 1、2 两种数字组成。用 L8(4×24)安排试验时,最多可以考 察一个具有五因素的问题,其中一因素为 4 水平,另四个因素为 2 水平,共要做 8 次试验。 1 正交设计法安排多因素试验的步骤: 第一步:明确试验目的,确定试验指标。 第二步:挑因素选水平,列出因素水平表。 影响试验成果的因素很多,但是,我们不是对每一个因素都进行考察。例如,对于不可 控应是,由于无法测出因素的数值,因而看不出不同水平的差别,难以判断该因素的作用, 所以不能列为被考察的因素。 对于可控因素则应挑选那些对指标影响很大, 但又没有把握的 因素来进行考察,特别注意不能把重要因素固定(即固定在某一状态上不进行考察) 。 对于选出的因素, 可以根据经验定出它们的实验范围, 在此范围内选出每个因素的水平, 即确定水平的个数各个水平的数量。因此水平选定后决定对温度,泥龄,投配率等三因素进 行考察, 并确定了各因素均为 2 水平和每个水平的数值。 此时可以列出因素水平表 (见表 3) 。 表 3 污泥厌氧消化实验水平表 水平 温度( C) 1 2 25 35 第三步:选用正交表 常用的正交表有十几个,究竟选用哪一个正交表。需要综合分析后决定,一般是根据因 素和水平的多少,试验工作量的大小和允许条件而定。实际安排试验时,挑选因素,水平和 选用正交表等步骤有时是结合进行的,例如,根据试验目的,选好四个因素,如果每个步骤 取 4 个水平,则需用 L16(4 )正交表,需要做 16 次实验,但是由于时间和经费上的原因希 望减少试验次数,因此,改为每个因素 3 个水平,则改用 L (3 )正交表做,9 次实验就够 了。 第四步:表头设计 9 4 4 0 4 因素 泥龄(d) 5 10 污泥投配率(%) 5 8 - 13 - 表头设计就是根据实验要求,确定各因素在正交表中的位置如表 4 所示。 第五步:列出实验方案 根据表头设计,从 L4(2 )正交表(表 5 中)把 1,2,3 列的 1 和 2 换成表 4 所给的相 应的水平,既得试验方案表(表 6) 。 表4 因素 列号 温度 1 污泥厌氧消化试验的表头 泥龄 2 表 5 L4(2 )表 实验 1 1 2 3 4 1 1 2 2 列号 2 1 2 1 2 3 1 2 2 1 3 3 污泥投配率 3 表 6 污泥厌氧消化试验方案表 因素 试验号 A 温度( C) (1) 1 2 3 4 25(1) 25(1) 35(2) 35(2) 2 试验结果的分析——直观分析法 通过试验获得大量试验数据后,如何科学地分析这些数据,从中得到正确的结论,是试 验设计法不可分割的组成部分。 正交试验设计法的数据分析是要解决: 挑选的因素中, (1) 哪些水平能得到满意的结果, 从而找到最佳的管理运行条件。 直观分析法是一种常用的分析试验结果的方法,其具体步骤如下: 0 B 泥龄(d) (2) 5(1) 10(2) 5(1) 10(2) C 试验指标:产氧 污泥投配率(%) 量(1/kgCOD) (3) 5(1) 8(2) 8(2) 5(1) - 14 - (1)填写试验指标 表 7 是采取直观分析法时的试验结果分析表示例。试验结束后,应归纳各组试验数据, 填入表 7 中的“试验结果”栏中,并找出试验中结果最好的一个,计算指标的总和填入 表内。 例如: 将前述某污水厂厌氧消化试验所得的 4 次产气量结果填入表 8 中, 找出 3 号试验 的产气量最高(8171/kgCOD) ,它的使用条件是 A2B1C2.并将产气量的总和 2854 (2854=627+628+729)也填入表内。 (2)计算各列的 Ki、Ki 和 R 值,并填入表 7 Ki(第 m 列)= 第 m 列中数字与“i”对应的指标值之和 ?? ? Ki (第 m 列)= Ki(第m列) 第m列中“i”水平的重复次数 R 称为极差。极差是衡量数据波动大小的重要指标,极差越大的因素越重要。 表 7 L4(2 )的试验结果 试验号 1 1 2 3 4 K1 K2 1 1 2 2 列号 2 1 2 1 2 3 1 2 2 1 n 3 试验结果 (指标) X1 X2 X3 X4 ? x (n=试验次 i?n 数) ??? K1 ??? K2 R 例如:表 8 的第一列中与(1)和(2)相应的试验指标分别为“627”“628”和“817” 、 、 - 15 - “728” ,所以 K1(第 1 列)=627+682=1309(l/KgCOD) K2 (第 2 列) =817+728=1545 (l/KgCOD) 表 8 中第一列的水平(1)和(2)重复次数均为 2 次,所以 K1(第 1 列)=K1(第 1 列)/2=13.90/2=654.5(1/KgCOD) K2(第 1 列)=K2(第 1 列)/2=1545/2=772.5(1/KgCOD) R(第 1 列)=772.5-654.5=118(1/KgCOD) 表 8 厌氧消化试验结果分析 因素(列号) 试验号 A 温度( C) (1) 1 2 3 4 K1 K2 K1 K2 R 25(1) 25(1) 35(2) 35(2) 1309 1545 654.5 772.5 118 0 B 泥龄 (2) 5(1) 10(2) 5(1) 10(2) 1444 1410 722 705 17 C 试验结果(试验 污泥投配率 (%) 指标)产气量 (1/KgCOD) 5(1) 8(2) 8(2) 5(1) 1355 1499 677.5 749.5 72 627 682 817 728 2854 (3)作因素与指标的关系图 以指标的 K 为纵坐标,因素水平为横坐标 作图。该图反映了在其他因素基本上是相 同变化的条件下,该因素与指标的关系。 例如:表 8 中所列的 K 与 A,B,C 三因 素的关系可绘得图 8.图 8 中是我们可以很 直观地看出三因素中,对产气量影响最大 - 16 - 的是温度,影响最小的是泥龄。 (4)比较个因素的极差 R 排除因素 的主次顺序 图6 K 与 A、B、C 三因素关系 例如:根据表 8,厌氧消化达程中影响产气量大小的三因素的主次顺序是: 主—— ?次 温度 污泥投配率 泥龄 应该注意,实验分析得到的因素的主次,水平的优劣,都是相对于某具体条件而言。一 次试验中是主要因素,在另一次试验中,由于条件变了,就可能成为次要因素。反过来,原 来的次要因素,也可能由于条件的变化而转变为主要因素。 (5)选取较好的水平组 从表 8 中可以看到, 个试验中产气量最高的是 A2B1C2,通过计算分析找出的好的操作条 4 件也是 A2B1C2。因此可以认为 A2B1C2 是一组好的操作条件。如计算分析结果与按试验安排进 行试验后得到的结果不一致时, 应将各自得到的好的操作条件再各做两次试验加以验证, 最 后确定哪一组操作条件最好。 五、学生实验守则 1、学生必须按时到指定实验室做实验(有预约的实验,严格按预约规定) ,不得迟到。 2、学生进入实验室做实验,必须严格遵守实验室的规章制度,服从授课教师和实验技 术人员的指导。 3、实验前,学生必须充分预习实验指导书中的有关内容,独立完场实验准备工作。实 验时经指导教师检验认可后,才能开始做实验准备。 4、试验前应该核对自己所用的仪器、工具等,如有问题立即向指导教师报告,未经许 可不许动用与本实验无关的仪器设备;实验时,要严肃认真,正确操作,仔细观察,真实记 录实验结果,不得抄袭他组数据。 5、实验中,要注意安全,遵守《实验室安全规程》及有关操作规程。 6、仪器设备出现不正常现象时,应及时报告指导教师,发生人身事故时要及时切断相 应的电源、气源等,并听从指导教师的指挥,要沉着冷静,注意保护现场。 7、实验中如发现仪器设备故障或损坏,应及时报告,查明原因。凡属违反操作规程私 自拆卸,导致仪器设备损坏的,要追究责任,照章赔偿。 8、实验结束时,实验数据要由实验教师审阅、签字,并整理好实验环境,经指导教师 统一后方可离开实验室。 - 17 - 9、学生要进入开放实验室做自行设计实验时,应事先和有关实验室联系,书面报告实 验目的、内容和所需仪器,经同意后在规定时间进行。 六、实验室安全工作规程 1、实验室是教学、科研工作的重要基地,进入实验室工作的所有人员必须遵守实验室 的一切规章制度,保证室内整洁、安静。 2、 使用仪器设备者, 必须严格遵守操作规程, 严禁违章使用, 以确保人身及设备安全。 3、保持所有电器设备的干燥、清洁,经常检查电器设备和线路安全,发现隐患及时处 理。 4、使用烘箱、电炉、电烙铁等电热器具时,要有专人管理,照章使用,用完立即切断 电源。严禁非工作使用电热器具。 5、加强对易燃、易爆、有毒物品的管理。易燃、易爆、有毒物品要单独存放,专人保 管,严格执行保存和应用制度,对贵重物品的管理要落实到人,严防盗窃或丢失。 6、加强对电源、气源、水源的管理,要保持闸、阀门、开关的设备处于完好状态。 7、下班前,应有专人负责关好门窗、切断电源、关闭水龙头、气阀等。 8、实验室内严禁烟火。消防器材应按规定放置,不得挪作他用。 9、各级安全负责人应认真积极的工作,随时发现不安全隐患,发现问题及时报告、所 有工作人员均应高度重视安全工作。 10、实验室主任应定期对实验室状况进行检查。 - 18 - 第二部分 数据的误差与实 验数据的分析处理 实验数据的处理是整个实验过程中的一个重要组成部分,实验过程中应随时进行数据 的整理分析。一方面可以预计实验结果能否达到预期目的;另一方面又可以随时发现问题, 修改实验方案,指导下一步实验的进行。整个实验结束后更要对实验数据进行分析,进行数 据可靠性判断、数据取舍,从而确立因素主次、最佳运行条件、建立实验公式、给出事物内 在规律。 水处理工程实验,需要一系列的测定结果工作,并取得大量数据。实验表明,每一项实 验都有误差,同一项的多次重复测量,结果总有差异,网赚,即实验值与真实值之间的差异。这是 由于实验环境不理想、实验人员技术水平不高、实验设备的不完善造成的,实验中的误差可 以不断的减少, 但是不可能做到没有误差。 因此, 绝不能认为得到啦实验数据就万事大吉了, 一方面,必须对所测对象进行分析研究,估计测试结果的可靠程度,并对取得的数据给予合 理的解释;另一方面,还必须将所得的数据加以整理归纳,用一定方式表示出个数据之间的 相互关系。前者为误差分析,后者为数据处理。 对实验结果进行分析与数据处理的目的在于: (1) 根据科学实验的目的,洁而亮选实验装置、仪器、条件和方法。 (2) 正确处理实验数据,以便在一定条件下得到接近线) 合理选定实验结果的误差,避免由于误差选取不当造成人力物力的浪费。 (4) 总结测定的结果,得到正确的实验结论,并通过必要的整理归纳(如绘成 实验曲线或得到经验公式) ,为验证理论分析提供条件。 误差与数据处理内容很多,在此,只介绍一些基本知识,读者需要深入了解时,可参阅 有关参考书 一 数据误差的基本概念 1、数据误差的概念及分类 试验过程中要做各种测试工作,由于仪器、测试方法、环境、人的观察力、实验方法等 都不可能做到完美无缺,所以很多因素都会使测量值与真实值有所偏差,这种偏差即误差。 误差通常可分为系统误差、偶然误差和过失误差三大类。 - 19 - (1) 系统误差 系统误差又称恒定误差, 是指在测定中由未确认的有所所引起的误差。 这些有所使测量 结果永远朝一个方向发生偏差其大小及符号在一个试验中完全相同。 残生相同误差的原因有 一下几种: 1 ○仪器不良,如刻度不准,砝码未校正等; 2 ○环境的改变,如外界温度、压力和湿度等; 3 ○个人的习惯和偏向,如读数偏高或偏低等。 以上这类误差可以根据引起的性能、环境条件和个人偏差等加以校正克服,使之降低。 (2)偶然误差 偶然误差又称随机误差。单次测量时,观测值总是有些变化且变化不定,其误差时大、 时小、时正、时负,方向不定,但是多次测量后其平均值趋于零,具有这只能够性质的误差 称为偶然误差。 偶然误差产生的原因一般是不清楚的, 因而无法人为控制。 偶然误差可用概率理论处理 数据而加以避免。 (3)过失误差 过失误差是由于操作人员工作粗枝大叶、 过度疲倦或操作不正确引起的, 是一种明显与 事实不符的误差。过失误差是可以避免的。 2、实验的误差分析 误差分析的目的在于确定实验直接测量值与间接测量值误差的大小,数据可靠性的大 小,从而判断数据准确度是否符合工程实践要求。 (1)直接测量值与间接测量值 实验要对一些物理量进行测量,物理测量可分为两类,一类为直接测量,一类为间接 测量。水处理实验中到处可见这两种测量值。 1 ○直接测量值 在一次试验中实测值为直接测量。例如,曝气设备清水充氧实验中,充氧时间长短及水 中溶解氧值 Ot(仪表测定)都是直接可得的值,即为直接测量值。 2 ○间接测量值是经过公式计算后所得到一些测量值。例如,设备的氧总转移系数 K 时 L - 20 - 通过计算才能得到值,即为间接测量值。 (2)直接测量值误差分析 1 ○单次测量值误差分析 水处理实验,不仅影响因素多,而且测试量大,更多测量是在动态实验下进行,不容 许对被测量值做重复测量,所以,实验中往往对某些测量值只进行一次测量。例如,曝气设 备清水充氧实验中,取样时间、水中溶解氧值(仪器测定) 、压力计量等,均为一次测定值。 这些测定值的误差,应根据具体情况具体分析,对于偶然误差较小的测定值,可按仪器上著 名的误差范围进行分析计算;无注明时,可按仪器最小刻度的 1/2 作为单次测量的误差,如 用上海第二分析仪器厂的 SJ6-203 溶解氧测量仪记录,仪器精度为 0.5 级。当测得 DO=3.2mg/l 时,其误差值为 3.2×0.005=0.016mg/l;若仪器未给出精度,由于仪器最小刻 度为 0.2mg/l,故每次测量的误差可按 0.1mg/l 考虑。 2 ○重复多次测量值误差分析——算术平均误差及均方根偏差 为了能得到较为准确可靠的测量值,在条件允许的情况下,尽可能较小多次测量,并以 测量结果事物算术平均值近似代替该物理量的真值。 该值误差的大小, 在工程上除用算术平 均值表示外,多用均方根偏差或标准偏差来表示。 a、算术平均误差,是指测量值与算术平均值之差的绝对值的算术平均值 设各测量值为 Xi,则算术平均值为 ?? 1 n ? X ? ? xi n i ?n 偏差 di=xi— X ,则算术平均误差 ?x 为 (2.1) ?? ? ?X ? ?? ? ? di i ?n n n ? ? i ?n n ?? ? Xi ? X n (2.2) 则真值可表示为 a= X ±△X。 b、 均方跟偏差又叫标准偏差, 是指各测量值与算术平均值的平方和的平均值的平方根, 故又称为均方偏差。其计算式为 ?? ? 1 n ?? ? Xi ? X n i ?n ? ? 2 ? ?d i ?1 n 2 i n (2.3) - 21 - 在有限次测量中,工程上常用下式计算标准偏差 ?n ?1 ? ?? ? 1 n ? Xi ? X n ? 1 i ?n ? ? 2 (2.4) 由于上式中是用算术平均值代替了未知的真值, 故用偏差这个词代替了误差, 将由此式 得到的均方根误差 也称为均方根偏差。测量次数越多,算术平均值越接近于真值,则各偏 差也越接近于误差。因此,工程中一般不去区分误差与偏差的细微区别,而将均方根偏差称 之为均方根误差,简称为均方差,则真值可用多次测量值的结果表示为 ?? ? a = X ?? (3)间接测量值误差分析 间接测量值是通过一定公式,由直接测量值计算而得。由于直接测量值均有误差,故间 接测量值也必有一定的误差。该值大小不仅取决于计算而得。还取决于公式的形式。表达各 直接测量值误差与间接测量值误差的关系式,称之为误差传递公式。 1)间接测量算术平均误差计算 这种误差分析,是在考虑各项误差同时出现最不利情况时,其绝对值相加而得。计算时 可分为一下几类。 a、家减法运算中间接测量值误差分析 设 N=A+B 或 N=A-B,则有 ?N ? ?A ? ?B 即惩处运算的相对误差等于个直接测量值相当误差之和。 b、乘除运算中间接测量值误差 设 N=A+B 或 N= (2.5) A 则有 B ?N ?A ?B ?? ? ? N A B (2.6) 即乘除运算的相对误差等于各直接测量值相对误差之和。 有上述结论可见,当间接测量值计算式只含加减运算时,以先计算绝对误差后计算相 对误差为宜;当式中只含乘除乘方开方时,以先计算相对误差,后计算绝对误差为宜。 2)间接测量值标准误差计算 由于间接测量值算术平均误差是考虑各项误差 同时出现最不利情况下的计算结果,这 在实际工程中出现的可能性是很小的,因而按此方法计算得的误差夸大了间接测量值的误 差,故工程实际多采取标准误差进行间接测量值的误差分析,其误差传递公式如下。 - 22 - 绝对误差 2 2 2 ?? ? ? .? X 1 ? ? ? .? X 2 ? ..... ? ? ? .? Xn ? ?X 1 ? ? ?X 2 ? ? ?Xn ? ? ?f ? 2 ? ?f ? 2 ? ?f ? 2 (2.7) 相对误差 ?? 式中 ? N (2.8) ? ——间接测量值的标准误差; · ·· ? X 1 , ? X 2 ·· ? Xn ——直接测量值 X1,·,Xn 的标准误差; ?f ?f ?f , ·· · ——函数 f(X1,X2··Xn)对变量 X1,·,Xn 的偏导 · ·· ?Xn ?X 1 ? X 2 ??? ??? 数,并以 X 1 , X 2 ··带入其值。 · 由于上式更真实地反映了各直接测量值误差与间接测量值误差间的关系, 因此, 在正式 误差分析计算中都用此式。但实际实验中,并非对所有直接测量值都进行多次测量,此时所 算得的甲劫财来自误差,相对各直接测量值的误差均比标准误差算得的误差大一些。 (4)测量仪器精度的选择 掌握了误差分析理论后, 就可以在实验中正确选择所用仪器的精度, 以保证实验结果有 足够的精度。 工程中,当要求间接测量值 N 的相对误差为 将其完成分配给各个直接测量值 X1,即 ?N N ? ? N ? A 时,通常采用等分配方案, ? Xi Xi ?? A (2.9) 式中 X1——某待测量 X1 的直接测量值; ? Xi ——某直接测量值 Xi 的绝对误差值; N——待测量值的数目。 则根据 A1/n 的大小就可以选定测量 X1 时所用仪器的精度。 在仪器精度能满足测试要求的前提下, 尽量使用精度低的仪器, 否则由于仪器对周围环 境、操作等要求过高,使用不当,反而加速仪器的损坏。 二、实验数据的整理及分析 水处理实验,不仅影响因素多,而且大多数因素相互变化规律也不十分清晰,因而学好 这一节,对于进行水处理实验的分析整理、正确认识客观规律是个关键。 - 23 - 1、实验数据的整理 实验数据整理的目的在于分析实验数据的一些基本特点,计算实验数据的基本统计特 征,利用计算得到的一些参数,分析实验数据中可能存在的异常点,为实验数据的取舍提供 一定的统计数据。 (1)有效数字及其运算 每一个实验都要记录大量的原始数据,并对它们进行分析运算。但这些直接测量的数 据都是近似数,存在一定误差,因此,这就存在一个实验时记录应取几位数,运算后又保留 几位数的问题。 1 ○有效数字 准确测定的数字加上最后一位估读数字所得的数字称为有效数字。如用 20ml 刻度为 0.1ml 的滴定水溶解氧含量,共消耗硫代硫酸钠 3.63ml,有效数字为三位,其中 3.6 为确切 读数,而 0.03 为估读数字。因此,实验中直接测量值的有效数字与仪表刻度有关,根据实 际可能,一般都应尽可能估计到最小分度的 1/10 或 1/5。 2 ○有效数字的运算规则 由于间接测量值是由直接测量值计算出来的,因而也存在有效数字的问题。 a、有效数字的加、减。运算和、差值时,小数点后有效数字的位数与参加运算各数中 小数点后位数最少的相同。 b、有效数字的乘、除。运算后积、商的有效数字的位数与参加运算各数汇总小数点后 位数最少的相同。 c、乘方、开方的有效数字。乘方、开放运算后的有效数字的位数与其底的有效数字位 数相同。 有效数字的运算时, 应注意到公式中某些系数不是由实验测得的, 计算中不必考虑其位 数。对数运算中, 首数不算有效数字。 乘、除运算中, 首位数是 8 或 9 的有效数字多计一位。 (2)实验数据的整理 1 ○实验数据的基本特点 对实验数据进行简单分析后,可以看出实验数据一般具有一下特点: a、实验数据总可以有限次数给出并具有一定波动性。 b、实验数据总存在实验误差,且是中和性的,即随机误差、系统误差、过时误差同时 存在于实验数据中。今后我们所研究的实验数据,认为是没有系统误差的数据。 - 24 - c、实验数据大都是具有一定的统计规律性。 2 ○几个总要的数字特性 用几个具有代表性的数, 来描述随机变量 x 的基本统计特征, 一般把这几个数称为随机 变量 X 的数字特征。 a、位置特征参数及其运算 实验数据的位置特征参数, 时用来描述实验数据取值的平均数和特定位置的, 常用的有 均值、极大值、极小值、中值和众值等。 1)均值 X 有实验得到一批数据 X1,X2,· ··Xn, n 为测试次数,则算术平均值为 ?? 1 n ? X ? ? Xi n i ?1 2)极大值 a=max{x1,x2,··xn} · 3)极小值 b=min{ x1,x2,··xn} · (2.10) (2.11) (2.12) 4)中值是一组实验数据的中项的测量值,其中一半实验数据小于此值,另一半实验数据 大于此值。若得数为偶数时,则中值为正中两个数的平均值。 该值可以反映全部实验数据 的平均水平。 5)众值 N 是实验数据中出现最频繁的量,故也是可能值,其值即为所求频率的极大值 出现时的量,因此,众值不像上述几个位置特征值那样可以迅速直接求得,而是应先求得频 率分布再从中确定。 b、分散特征参数 分散特征残生被用来描述实验数据的分散程度,常用的有极差、标准差、方差、变异系 数等。 1)极差 R · · ? = max{x1,x2,··xn}-min{x1,x2,··xn} 2)方差和标准差 方差 (2.13) ?2 ? ?? ? 1 n Xi ? X ? n ? 1 i ?1 ? ? 2 (2.14) - 25 - 标准差 ? ? ?2 ? 3)变异系数 C? = ?? ? 1 n ? Xi ? X n ? 1 i ?1 ? ? 2 (2.15) ? X (2.16) (3)实验数据中可疑数据的取舍 1 ○可疑数据 对实验结果有明显影响的数据称为离群数据;而将可能影响实验结果,但尚未证明确 定时离群数据的测量数据称为可疑数据。 2 ○可疑数据的取舍 实验中由于条件改变、 操作不当或其他人为的原因产生离群数据, 并有当时记录可供参 考,没有可定的理由证明它时离群数值,而从理论上分析,此点又明显反常时,可疑根据偶 然误差分布的规律,决定它的取舍。 2、实验数据的分析 在对实验数据进行整理, 剔除了错误数据。 数据处理的目的就是要充分使用实验所提供 的信息,利用数理统计的知识,分析各个因素,对实验结果的影响及影响的主次,寻找各个 变量间的相互影响的规律,用图形、表格或经验公式加以表示。 (1)实验结果的表格、图形表示方法 1 ○表格表示法 表格表示法, 就是将实验中的自变量与因变量的各个数据通过分析处理后依一定的顺序 和形式相应列出来,借以反映各变量间的关系。 列表法虽然具有简单以作、 使用方便的优点, 但是也有第客观规律反映不如其他表示方 法明确,在理论分析中不方便的缺点。 2 ○图示法 a、图示法 图示法是在坐标纸上绘制图线来反映所研究变量之间相互关系的一种表示法。它具有 形式简单直观,便于比较,变化的规律易于显现,并可直接提供某些数据等特点。 b、图线 - 图线类型一般可分为两类,一类是已知变量间的依赖关系图形,通过实验,利用有限 次的实验数据作图,反映变量间的关系,并求出相应一些参数;另一类是两个变量间的关系 不清,在坐标图纸上将实验点绘出,一来反映变量间的关系,二来分析变量间内在关系、规 律。图示法要求图线必须清楚,能正确反映变量之间的关系,且便于读数。 c、图线)选择合适的坐标纸。坐标纸有直角坐标纸、对数坐标纸、极坐标纸等,作图时要根 据研究变量之间的关系及欲表达的图像形式,选择适宜的坐标纸。 2)选轴。横轴为自变量,纵轴为因变量,一般是以被测定量为自变量。轴的末端注明 所代表的变量及单位。 3)坐标分度。即在每个坐标轴上划分刻度及并注明其大小。 A、精度的选择应使图线显示其特点,划分得当,并和测量的有效数字位数相对应。 B、坐标原点不一定和变量零点一致。 C、两个变量的变化范围表现在坐标纸上的长度应相差不大。以尽可能使图线在图纸 正中,不偏于一角或一边。 D、描点。将自变量与因变量一一对应地画在坐标纸内,当同时有几条图线时,应用 不同符号加以区别,并在空白处注明符号的意义。 E、注图名。在图线上方或下方注上图名等。 (2)回归分析 实验结果、变量间关系虽可列表或用曲线表示,但是为理论分析及计算方便,多用数 学表达式反映, 而回归分析, 正是用来分析解决两个或多个变量间数量关系的一个有效的工 具。 1)一元线性回归 一元线性回归就是工程中经常遇到的配直线的问题,也就是说,如果变量 x 和 y 之间 存在线性相关关系,呢么就可以通过一组观测数据(x1、y1) (i=1、2、···· ····,n)用最小 二乘法求出参数 a,b,并建立起回归直线方程 y=a+bx (2.17) 所谓的最小二乘法,就是要求上述几个数据的就对误差平方和达到最小,即选择适当 的 a 与 b 值,使 - 27 - n ? ? Q ? ? yi ? y i ?1 ? ? 2 ? ? ? yi ? (a ? bXi ? i ?1 n 2 (2.18) 以此求出 a、b 值,并建立方程式,其中 b 称为回归系数,a 为截距。 2)二元线性回归 在多元回归分析中, 多元线性回归是比较简单也是应用较广泛的一种方法。 回归的数学表达 式为 y=a+b1x1+b2x2 式中 y——两个独立的自变量; x1,x2——回归系数; a——常数项。 实验数据分析处理是从带有一定客观信息的大量实验数据中, 经过数学的方法找出事物客观 规律的一种方法。因此,一个实验完成之后,往往要经过实验数据误差分析、实验数据的整 理、实验数据的处理这几个过程。 本篇对实验中常见的上述数理统计知识结合实验数据分析处理的实用方法做了简单的介绍, 可供学习参考。 - 28 - 第三部分 实验一 一、实验目的 实用内容 混凝沉淀实验 1、本实验为验证性实验,通过实验使学生对混凝中产生的矾花有感性的认识。 2、通过对矾花的形成过程及矾花形态的观察,使学生对胶体稳定的原因,混凝原理有 深刻的认识和理解。 二、实验原理 混凝阶段处理的兑现,主要是水中的选服务和胶体。悬浮物由于其粒径较大,可在自 身种类作用下沉降;而胶体则由于胶粒间的静电力、胶粒的布朗运动,胶粒表面的水化作用 等,具有一定的稳定性,因而胶体颗粒不能靠自然沉降去除。 消除或较低胶体颗粒的过程较脱稳。脱稳后的胶粒在一定的水利条件下形成絮凝体俗 称矾花。使胶体脱稳和脱稳了的胶体在布朗运动下聚集或微小的絮凝的过程称为凝聚过程。 微小絮凝体在流体动力作用下再相互碰撞, 形成大的絮凝体的过程称为絮凝过程。 混凝包括 凝聚和絮凝两个过程,即自投加混凝剂直至形成矾花的过程叫混凝。 胶体托稳定方法,按机理分,可分为(1)向水中投加电解质,即向水中加入与胶体电 荷相反的离子; (2)投加与胶体电荷相反的胶体; (3)投加高分子絮凝剂。 三、实验仪器及用品 1、定时变速搅拌仪 2、浊度计 3、pH 试纸 4、温度计 5、秒表 6、烧杯 7、烧杯 8、量筒 1000ml 200ml 1000ml Al2(SO4)3·18H2O 9、1ml=10mg 10、中等浊度水样 四、实验步骤及记录 - 29 - 1、实验操作步骤 (1) 、取 800ml 中等浊度水样,放入 1000ml 烧杯中,将烧杯放在搅拌机操作台上。 (2) 、充分搅拌水样(100r/min)0.5min。 (3) 、测定水样的水温、pH、浓度。 (4) 、向水样中加入硫酸铝溶液————ml。 (5) 、将加入的水样快速搅拌(200r/min)1min 后,慢速搅拌(60r/min) 、5min。观 察、记录矾花核心出现的时间,矾花生长过程及形态。 (6) 、静止沉淀 15min,观察,记录矾花沉降速度,上清液透明度。 (7) 、重复(6)(7)操作过程,观察,记录矾花的在生情况。 、 (8) 、测定混凝后水样的水温,pH、浓度。 2、实验记录 (1)实验分析测定记录 混凝前 水温(oC) pH 值 浊度(NTU) 混凝后 (2) 、实验现象记录 矾花核心出现时间 矾花生长过程及形态 矾花沉降速度 矾花再生情况 五、注意事项 实验中所加药品的体积。由实验教师预先做后给出。 六、思考题 以 Al2(SO4)3 为例说明为什么混凝剂能出去水中的胶体颗粒? - 30 - 实验二 一、实验目的 混凝剂量实验 本实验为中和性实验,通过实验使学生认识,理解混凝效果与混凝剂计量的关系。 二、实验原理 混凝剂计量对混凝效果产生较大的影响。混凝剂计量指的是:在单位体积中投加混凝 剂的量。计量的单位是 mg/l 或 g/m3 水中胶体的浊度也会直接影响到混凝剂的计量。 由于混凝过程是一个复杂的物理化学过程,因而所需的混凝剂剂量目前尚无法根据计 算来确定。为此,应根据原水水质和对处理后的水质要求,通过实验来求得最佳剂量。 混凝曲线)直观的反映出混凝剂计量对混凝效果的影响、由图可知,混凝曲线可 分成三个不同的区域。第 1 区为底混凝剂计量区,由于剂量底,混凝效果不佳;在第 2 区, 由于混凝剂计量增大,混凝效果明显提高;在第 3 区,混凝剂计量的增大只能稍微提高混凝 效果。通常将第 2 区和第 3 区之间的混凝剂计量(B)称为最佳混凝剂计量。曲线上的 B 点 的具体剂量与水质有关。 图1 混凝曲线S2S1 A—表示混凝开始;B—表示最佳剂量 1968 年 Hahn 等人曾对混凝剂计量和原水胶体浓度对混凝效果影响作了研究, 结果见图 2.有图可知,当原水胶体浓度适中,悬浮物含量在 100~500mg/l 范围内时,随着混凝剂剂量 的不断增加,肯能出现四个不同的混凝区域。第 1 个区为稳定区,即混凝剂计量不足,以致 - 31 - 未显示出混凝效果的区域;第 2 区为脱稳区,即混凝剂剂量适宜,得到较好的混凝效果的区 域; 3 区为再稳区, 第 即因混凝剂计量过高使原水胶体颗粒表面吸附过多的混凝剂水解产物 或高价反离子,导致胶体在稳定的区域;第 4 区为“卷扫区” ,在此区域内由于混凝剂计量很 大, 因而形成大量高聚合度的氢氧化物沉淀物, 它吸附和卷带原水中的胶体颗粒和其他悬浮 杂质,促使混凝效果大大提高。 由图 1,图 2 可知,要取得一定的混凝效果,必须控制一定的混凝剂计量。图 1 是在水 处理常用混凝剂计量范围内求得的,因此在曲线 区。 三、实验仪器及用品 1、定时搅拌仪 2、浊度计 3、pH 试纸 4、温度计 5、秒表 6、烧杯 7、烧杯 8、量筒 1000ml 200ml 1000ml AL2(SO4)3·18H2O 9、碳酸铝溶液 1ml=10mg 10、中等浊度水样 四、实验步骤及记录 1、混凝剂剂量的确定 (1) 、确定水样特征,即:测定原水温度、浊度和 pH。 (2) 、量取 200ml 水样,放入 500ml 烧杯中,将装有水样的烧杯置于定时变速搅拌仪 上。 (3) 、中速搅拌(150r/min)5min 烧杯中水样,用移液管每次增加 0.5ml 硫酸铝溶液, 直至出现矾花。记录此时加入硫酸铝的剂量。 2、确定混凝剂的最佳加入量 (1) 、量取 6 个 800ml 水样置于 6 个 1000ml 烧杯中,将装有水样烧杯置于定时变速搅 拌仪上。 (2) 、根据“混凝剂剂量的确定”实验中的加入硫酸铝的剂量,量取 25%作为 1 号 烧杯加入量,其 200%作为 6 号烧杯的加入量,用依次增加混凝剂剂量相等的方法求出 2 - 32 - 号-5 号烧杯混凝剂加入量。 3、充分搅拌水样 (100r/min)0.5min 4、测定水样的水温、浊度、pH。 5、向水样中加入硫酸铝。 6、将加入药品的水样充分搅拌(200r/min)1min 后,慢速搅拌(60r/min)5min。 7、静止 15min,吸取上清液,测定其浊度,同时测定温度、pH。 8、计算混凝除浊率 除浊率=(ZD 原—ZD 残) / ZD 原 ×100% ZD 原 ——原水浊度 ZD 残 ——上清液浊度 五、实验记录及结果原理 原水浊度: 混凝剂名称: 混凝剂加入量: 残留浊度 除浊率 原水温度: 混凝后温度: 1# 2# 3# 原水 pH: 混凝后 pH: 4# 5# 6# 六、作图 分别以混凝剂加入量为横坐标,残留浊度为纵坐标作混凝剂加入量与残留浊度的关系 图。 七、思考题 为什么最大加药量混凝效果不一定好? - 33 - 实验三 混凝 pH 实验 一、实验目的 本实验为综合性实验、通过实验使学生认识、理解混凝效果与 pH 的关系。 二、实验原理 向天然水中投加硫酸铝后,水的 pH 略有下降。水的 pH 对混凝效果产生的影响较大, 而且这种影响时多方面的,这里所指的 pH 值,时佳肴后的 pH 值。 1、pH 值对铝离子水解产物形态的影响 铝离子水解的形态主要取决于水的 pH 值。当 pH 为某一值时,各种不同形态的水解产 物可能同时存在,但往往是其中某一种形态是主要组成部分,而另一些是次要的。水解产物 形态随 pH 值而变化的关系如图 3 所示。 图 4 铝盐溶解平衡区域图 图 3 铝盐水解产物存在的形态与 pH 的关系 1-Al(OH)2+ 2-Al3+ 3-Al13(OH)345+ 4 -Al(OH)4 铝盐的水解产物的形态除与水的 pH 有关外,还与它的浓度有关。图表 4 表示铝盐水解 产物在不同浓度和 pH 值时的溶解平衡区域图。 混凝处理时,加入硫酸铝的浓度和处理时的 pH 值大致处于斜线方格部分内。这一部分 几乎全部处于沉淀区内。 2、pH 值对混凝效果的影响 有铝盐做混凝剂时,混凝处理的最佳 pH 值一般在 6.5~7.5 之间,这与水的含盐量和悬 浮物存在的形态有关。在此 pH 值范围内,铝盐的水解产物主要是低正电荷高聚合度的多核 羟基络离子和氢氧化铝。实验证实,在 pH=6.5~7.5 条件下,原水中胶体仍具有一定的§电 位, 其值为 10~15mV, 故这是混凝处理的决定性作用是吸附架桥, 混凝效果较高。 pH=4~ 在 - 34 - 5 条件下,混凝处理以电中和作用为主,混凝效果不理想。 3、pH 值对原水中有机物的影响 pH 值低时,水中的腐殖质为带负电荷的腐殖质酸胶体,此时易于用混凝剂除去;当 pH 值较高时,它转化为腐殖酸盐,因而除去率较低,铝盐除腐殖质的最佳 pH 为 6.0~6.5。 由上述可知,对一具体水源,其混凝处理的最佳 pH 值无法从理论上估算,只有 ton 过 试验求得。 三、实验仪器及药品 1、定时搅拌仪 2、浊度计 3、pH 计(或精密 pH 试纸) 4、温度计 5、秒表 6、烧杯 7、烧杯 8、量筒 1000ml 500ml 1000ml 9、盐酸溶液 HCl(质量分数 10%) 10、氢氧化钠 NaOH(质量分数 10%) 11、碳酸铝溶液 1ml=10mg Al2(SO4)3·18H2O 12、中等浊度水样 四、实验步骤 1、一定 pH 下,混凝剂剂量的确定。 (1) 、量取 200ml 水样,放入 500ml 烧杯中,将装有水样的烧杯置于定时变速搅拌仪 上。 (2) 、中速搅拌(150r/min)5min 烧杯中水样,用移液管每次增加 0.5ml 硫酸铝溶液, 直至出现矾花。记录此时加入硫酸铝的剂量。 2、确定混凝剂的最佳 Ph (1) 、量取 6 个 800ml 水样置于 6 个 1000ml 烧杯中,将装有水样烧杯置于定时变速搅 拌仪上。 (2) 调整水样 pH 值, 、 依次向装有水样的 1、 3 号烧杯中加入 2.5ml、 2、 1.5ml、 1.0mlHCl, 再向 4、5、6 号装有水样的烧杯中加入 0ml、0.5ml、1.0mlNaOH。 - 35 - (3) 、充分搅拌水样(100r/min 0.5min) ,依次测定各水样的 pH 值、温度、浊度。 (4) 、用移液管依次向水样中加入相同剂量的硫酸铝,加入硫酸铝的量按“一定 pH 值 下,混凝剂剂量的确定”实验中的剂量加入。 (5) 、快速搅拌水样(200r/min 1min) ,慢速搅拌水样(60/min 5min) 。 (6) 、静止 5min,吸取上清液,依次测定 pH 值、温度、浊度。 五、实验记录及结果整理 水样编号 加入 10%HCl 加入 10%NaOH pH 加入 Al2(SO4)3 混凝后 pH 残留浊度 除浊率 % (ml) (ml) (ml) 1 2.5 2 1.5 3 1.0 0 0.5 1.0 4 5 6 六、作图 画出 pH 与混凝效果的关系图。 七、思考题 1、简述影响混凝效果的几个主要因素。 2、pH 对混凝效果有何影响? - 36 - 实验四 一、实验目的 混凝效果优化实验 (自行设计) 1、通过设计实验方案,学生能深刻理解混凝机理,掌握双因素实验设计的方法,提高 学生的综合素质。 2、通过实验方案的实施,学生能初步掌握混凝的影响因素,确定最佳混凝条件。 二、自行设计参考资料 1、中国电力出版社 2、水利电力出版社 3、哈尔滨工业大学 电厂水处理工程 力发电厂水质净化 水处理工程应用实验 4、本实验讲义 实验二、实验三 5、自行查阅资料 三、实验提供条件 1、设计条件 (1) 、混凝剂:硫酸铝、氧化铁、聚合铝、聚合铁、聚合铝铁等。 (2) 、助凝剂:碳酸钠。 (3) 、中等浊度水样 2、设备及用品 (1) 、定时变速搅拌仪 (2) 、浊度计 (3) 、pH 试纸 (4) 、温度计 (5) 、烧杯 (6) 、烧杯 (7) 、配药用品 1000ml 200ml 四、实验方案设计实施步骤 明确目的——挑选因素(pH、加药量)——选定实验方案——实施实验方案——记录、 数据处理——编写实验报告 - 37 - 五、实验要求 1、学生确定的实验方案必须经指导老师审批阅读批准后方可进行试验。 2、每组完成一份设计方案。 3、没人编写一份实验报告。 4、实验中出现的问题要分析讨论。 - 38 - 实验五 一、实验目的 过滤与反冲洗实验 1、通过实验,熟悉过滤与冲洗的实验操作。 2、掌握清洁虑层水头损失有与虑速的关系及虑层反洗膨胀率与冲洗强度的关系。 二、实验原理 在过滤的开始阶段,虑层是清洁的。水流过清洁虑层时,由于虑层本身对水流的阻力, 会形成一定的压力降,即水头损失。 在通常的虑速范围内,水通过清洁虑层时的流态属层流,当其它条件不变时,水头损失 与虑速的一次方称正比。 滤池工作一段时间后,由于虑层中截留杂质,水头损失增加,当达到最大允许水头损失 时,进行反冲洗,以恢复其工作能力。提高冲洗强度,可增大虑层的膨胀率当滤料颗粒大小 及水温一定时,滤料的膨胀与冲洗强度大致呈直线关系。 三、实验仪器及装置 1、秒表(或手表) 2、100ml、500ml 量筒 3、温度计、钢卷尺 4、实验装置如图 5 一块 各一个 各一个 四、操作步骤 1、清洁虑层水头损失的测定 (1)关闭阀 K1、K2、K3、K5,在开阀 K4、K6,对虑层反冲洗片刻后关闭 K6、K4。开 启 K1、K5,用清水快速过滤 5 分钟。 (2)测量虑层高度及水温。 (3)关闭阀 K5、K1,开启阀 K2、K3,待 A、B 两侧压管内水面稳定后,两侧压管水头 差值为零。 (4)依次开启阀 K1、K5,反复调节两阀开度,使两侧压管内水面稳定在可读范围内。 (5)调节阀 K1、K5 开度,分别测定虑速约为:5、10、15、20、25、30m/h 对应的稳 定呀管水头差,同时用量筒和秒表测定滤出水流量。平行测定两次,结果计入表(一) 。 - 39 - 表一 序号 测定 次数 1 2 3 4 5 6 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 30m/h 792ml/min 25m/h 660ml/min 20m/h 528ml/min 15m/h 397ml/min 10m/h 264ml/min 水量 (ml) 时间 (s) 虑速 (m/h) 5m/h 130ml/min 水头损失 (cmH2O) 备注 图5 过实验装置 1-高恒位水箱;2-过虑柱;3-滤料层 - 40 - 2、反冲洗实验 (1) 、先关闭阀 K2、K3,再依次关闭阀 K5、K1 。 (2) 、缓慢开启阀 K4、K6,控制虑层膨胀率分别为:10%、20%、30%、40%、50%,待膨 胀层虑层表面稳定后,测定反冲洗流量,并记录膨胀后虑层高度,记入表(二) 。 表二 序 号 1 测 定 次数 1 2 2 1 2 3 1 2 4 1 2 5 1 2 水量(ml) 时间 t (s) 膨胀后虑层 高度 (mm) 冲洗强度 (m/m ·s) 2 虑层膨胀率 (%) 五、实验记录及结果 1、实验条件 (1) 、过滤住内径:45mm (2) 、滤料种类:活性炭 (3) 、虑层高度: (4) 、水温: 0 mm C 2、清洁虑层水头损失 3、虑层膨胀率与反冲洗强度的关系 4、分别绘制清洁虑层水头损失与虑速、虑层膨胀率与反洗强度的关系曲线、反洗前为什么要关闭阀 K2、K3? 2、过滤实验步骤(1)(3)的目的是什么? 、 - 41 - 实验六 一、实验目的 活性炭吸附实验 1、通过实验进一步了解活性炭的吸附工艺及性能。 2、掌握用间歇法、连续流法确定活性炭处理污水的设计参数方法。 二、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多种物质的吸附作用, 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, 一是由于活性炭内部分子在各个方面都受 到同等大小的力而表面分子则受到不平衡的力, 这就使其他分子吸附于其表面上, 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。活性炭的吸附是 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 度均不再变化,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。 q? 式中 V (C 0 ? C ) X ? M M (1) q——活性炭的吸附量,即单位质量的吸附剂所吸附的物质质量,g/g; V——污水体积,L CO,C——分别为吸附前原水和吸附平衡时污水中的物质浓度,g/l; X——被吸附物质量,g; M——活性炭投加量,g。 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,通过费兰德利希经验式加以表达。 q ? K· n C 式中 q——活性炭的吸附量,g/g; C——被吸附物质平衡浓度,g/l; 1 (2) K,n——与溶液的温度、pH 值以及吸附剂和被吸附物质的性质有关的常数。 K,n 值的求法如下。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 - 42 - 1 lg q ? lg K ? lg C n 当 q、C 相应值点绘在双对数坐标纸上,所得直线/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。 采用连续流方式的活性炭层吸附性能可用勃哈勃(Bohart)和亚当斯(Adams)所剔除的 关系式来表达 ? ? C0 ? ? KN 0 D ?? ln ? ? 1? ? ln ?exp ? ? 1?? ? KC 0t ?C ? ? V ?? ? (3) t? N0 1 ? C0 ? D? ln ? ? ? 1 C 0V C 0 K ? CB ? (4) 式中 t——工作时间 ,h; V——流速 ,m/h; D——活性炭层厚度 ,m; NO——吸附容量、即达到饱和时被吸附物质的吸附量,mg/l; CO——进水中被吸附物质的浓度,mg/l; CB——允许出水溶质浓度,mg/l。 当工作时间 t=0 时,能使出水溶质浓度小于 CB 的炭层理论深度称为活性炭层水温临 界深度,其值有上式 t=0 推出。 D0 ? V ? C0 ? ln ? ? 1? KN 0 ? CB ? (5) 炭柱的吸附容量 (No) 和速度常数 (K) 可以通过连续流活性炭吸附实验并利用式 , (4) t~D 线性回归或作图法求得。 三、实验设备与试剂 1、间歇式、连续式活性炭吸附实验装置如图 1、图 2 所示。 - 43 - 图1 间歇式活性炭吸附实验装置 图2 连续式活性炭吸附实验装置 (2) 振荡器一台。 (3) 500ml 三角瓶 6 各。 (4) 烘箱。 (5) COD、SS 测定分析装置,玻璃器皿、滤纸。 (6) 活性炭。 (7) 有机玻璃炭柱 d=20~~30mm,H=1.0m。 (8) 配水及投配系统。 四、实验操作及步骤 1、间歇式吸附实验 (1)将活性碳放在蒸馏水中浸 24h,然后在 105 C 烘箱内烘 24h,在将烘干的活性炭研 碎陈能通过 270 目的筛子(0.053mnl 孔眼)的粉状碳。 (2)测定预先配制的废水 COD。 (3)在 5 个三角烧杯中分别加入 100mg,200mg,300mg,400mg,500mg 粉状活性炭。 (4) 在每个烧杯中分别加入同体积的废水进行搅拌, 一般规定, 烧杯中废水 COD(mg/L) 与活性炭浓度(mg/L)比值为 0.5~~5.0,但根据废水 COD 这一比值也是可以变动的。 (5)测定水温,将上述 5 个三角烧杯放在振荡器上震荡,当达到吸附平衡时即可停止 震荡(震荡时间一般为 30min 以上) 。 (6)过滤三个三角烧杯中废水,并测定 COD 值。 2、连续流吸附实验 o - 44 - (1) 配制水样,使原水中含 COD 约 100mg/l,测出具体 COD、pH、水温等数值。 (2) 打开进水阀们,使与昂水进入活性碳柱,并控制其流量为 100L/min 左右。 (3) 运行稳定 5min 后测定各活性炭出水 COD 值。 (4) 连续运行 2~~3 小时,每隔 30min 取样测定各活性炭柱出水 COD 值一次。 3、实验时应注意下列问题 (1)间歇吸附实验时所求得的 q。如出项复值,则说明活性炭明显第吸附啦溶剂,此 时,应调换活性炭或原水样。 (2)连续流吸附实验时,如果第一个活性炭柱出水中 COD 值很小,小于 20mg/,则可 增大流量或停止第二三各交换柱进水,只用一个吸附柱。反之,如果第一个吸附柱出水 COD 与进水浓度相差无几,可减少进水量。 五、实验数据几结果整理 1、间歇式吸附实验 (1)把三角烧杯中过滤后测定结果填入表中。 (2)以 lg C 0 ? CB 为坐标, lg CB 为横坐标给出 Freundlich(费兰德利希)吸附等温线 M 性图,该线的截距为 lgK,斜率为 1/n。 (3)求出 K、n 值带入 Freundlich 吸附等温。

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