《水质工程学实验技术实验课》教学大纲
一、基本信息
课程代码：×××
实验课程名称: 水质工程学实验技术
英文名称: Experiment Technology of Water Quality Engineering
课程总学时: 32 总学分:1.0 实验学时:32
适用对象：给排水科学与工程本科生
二、实验课程的性质与任务
本课程是给水排水专业的重要专业必修课，通过这门课程的学习使学生掌握给水处理、污水处理实验的基本原理，实验方法。在实验中通过模型操作、运转，仪器操作，水化学项目的分析测试、处理数据、写实验报告等一系列实践性教学环节，来培养学生的动手能力和独立实验工作能力。使学生掌握工程技术人员所必须具备的实验知识，科研动手能力和测试技能。
三、实验教学目的与要求
通过对实验的观察、分析，应力求使学生弄清实验目的、原理、实验仪器、实验步骤，加深对水处理基本概念、现象、规律与基本原理的理解，使学生通过实验，掌握实验方法和实验结论，掌握一般水处理处理实验技能和仪器、设备的使用方法，具有一定的解决实验技术问题的能力；学会设计实验方案和组织实验的方法；学会对实验数据进行测定、分析与处理，从而能得出切合实际的结论；培养实事求是的科学态度和工作作风。
四、考核办法和成绩评定标准
考查（平时成绩30%+实验表现20%+实验报告50%）
五、实验指导书（小四黑体）
陈秋丽编《水质工程学实验技术》
六、实验项目、内容与要求
实验一 实验数据的分析与处理、水样的采集与保存
实验类型：实验理论
实验学时：4
每组人数：35
实验目的：
1.判断数据准确度是否符合工程实践的要求。
2.对原始数据进行筛选，保证原始数据的可靠性。
3.利用数理统计知识，分析数据特点及各变量的主次，确立各变量间的关系。
4.了解水样的采集方法、采集设备以及不同的检测要求下的水样保存方法。
教学要求：
熟悉水样的形式，掌握实验误差及其表示方法、实验数据处理及结果评价、有效数字的修约及其运算规则、水样的采集及水样的保存。
教学方法：
理论讲解+实例分析
实验内容提要：
1.实验数据的误差及结果处理
（1）实验误差及其表示方法
①误差的种类及产生原因
②误差的表示方法
③提高试验结果准确度的方法
（2）实验数据处理及结果评价
①数理统计的几个基本概念
②少量数据的统计处理
③置信度和置信区间
④显著性检验
⑤可疑值的取舍
（3）有效数字的修约及其运算规则
①有效数字及其位数
②有效数字的运算规则
2.水样的采集与保存
（1）水样的类型
①瞬时水样
②混合水样
③综合水样
（2）水样的采集
①地表水的采集
②地下水样的采集
③废水样品的采集
④采集水样注意事项
（3） 水样的保存
1）水样的运输
①塞紧采样器塞子，必要时用封口胶、石蜡封口；避免因震动、碰撞而损失或玷污，因此最好将样瓶装箱，用泡沫塑料或纸条挤紧；
②需冷藏的样品，应配备专门的隔热容器，放入制冷剂，将样瓶置于其中；冬季应注意保温，以防样瓶冻裂。
2）水样的保存
①保存要求：
不发生物理、化学、生物变化；不损失组分；
不玷污（不增加待测组分和干扰组分）
②容器的要求
选性能稳定，不易吸附预测组分，杂质含量低的材料制成的容器，如聚乙烯和硼硅玻璃材质的容器是常规监测中广泛使用的，也可用石英或聚四氟乙烯制成的容器，但价格昂贵。
③保存时间要求：
即最长贮放时间，一般污水的存放时间越短越好。
清洁水样72h；轻污染水样48h；严重污染水样12h；运输时间24h以内。
④保存方法：
a.冷藏或冷冻法
b.加入化学试剂保存法
实验二 混凝沉淀实验（小四黑体）
实验类型：综合性
实验学时：4
每组人数：8
实验目的：
1、要求认识几种混凝剂，掌握其配制方法；
2、观察混凝现象，从而加深对混凝理论的理解。
教学要求：
确定混凝剂的最佳投药量。
教学方法：
理论讲解+实验操作
实验内容提要：
1.实验原理
水中粒径小的悬浮物以及胶体物质，由于微粒的布朗运动，胶体颗粒间的静电斥力和胶体表面的水化作用，致使水中这种含浊状态稳定。
向水中投加混凝剂后，由于如下原因：①能降低颗粒间的排斥能峰，降低胶粒的δ电 位，实现胶粒“脱稳”；②发生高聚物式高分子混凝剂的吸附架桥作用；③网捕作用，从而 达到颗粒的凝聚。
2.实验设备及药品
（1）1000mL量筒，2个；
（2）1000mL烧杯，6个；
（3）100mL烧杯，2个；
（4）l0mL移液管，2个；
（5）2mL移液管，1个；
（6）医用针筒，1个；
（7）吸耳球，1个；
（8）2100P浊度仪，1台；
（9）ZR4-6混凝搅拌器，1台；
（10） pH计，1台。
（11）温度计，1根。
（12）Al2(SO4)3
（13）FeCl3
3.实验方法
（1）认真了解ZR4--6型混凝搅拌器的使用方法。
（2）用1000ml量筒取6个水样至6个1000mL烧杯中。注意：所取水样要搅拌均匀，要一次量取，以尽量减少取样浓度上的误差。
（3）按10、30、50、70、90、110mg/L的量将 Al2(SO4)3或FeCl3依次加入各水样中。
将第一组水样置于ZR4--6型混凝搅拌器下。设置程序：搅拌器以500r/min的速度搅拌30s，150r/min的速度搅拌5min，80r/min的速度搅拌10min。与此同时，按计算好的投药量，用移液管分别移取不同体积的混凝剂逐个加到加药试管中。
（4）开动机器，在搅拌器第一次自动加药后，用蒸馏水冲洗加药试管2次。
（5）搅拌过程中，注意观察并记录“矾花”形成的过程，“矾花”形成的快慢、外观、大小、密实程度、下沉快慢等。
（6）搅拌过程完成后，搅拌器自动停机，水样静沉15min，继续观察并记录“矾花”沉淀的过程，记入表1-1-2内。
（7）静止15min后，用医用针筒在6个水样中依次取出约20mL的上清液，置于浊度仪的水样瓶中，用浊度仪测出其剩余浊度，记入表1-1-1内。
4.注意事项
（1）加药的药液量少时，要掺点蒸馏水摇匀，以免沾在试管上的药液过多，影响投药量的精确度。
（2）移取烧杯中的沉淀水上清液时，要用相同的条件取上清液，不要把沉下去的矾花搅起来。
（3）成果整理
以投药量为横座标，以剩余浊度为纵座标，绘制投药量剩余浊度曲线，从曲线上可求得最佳投药量值。
5.实验结果与讨论
（1）根据实验结果以及实验中所观察到的现象，简述影响混凝效果的几个主要因素。
（2）为什么投药量最大时，混凝效果不一定好?
6.实验结果分析
（1）根据混凝曲线图确定混凝药剂的最佳投药量和最佳适用范围。
（2）总结分析各种混凝剂的特点、适用条件、主要优缺点。
（3）在混凝实验中应注意哪些操作方法，对混凝效果有什么影响。
实验三 过滤及反冲洗实验
实验类型：综合性
实验学时：4
每组人数：8
实验目的：
1. 掌握清洁滤料层过滤时水头损失的变化规律及其计算方法。
2. 深化理解滤速对出水水质的影响。
3. 深入理解反冲洗强度与滤料层膨胀高度间的关系，掌握反冲洗方法。
4. 了解过滤设备的组成与构造，掌握实验的操作方法。
5. 观察过滤及反冲洗现象，了解过滤及反冲洗原理。
教学要求：
掌握清洁水头损失的变化规律。
教学方法：
理论讲解+实验操作
实验内容提要：
1.实验原理
过滤一般是指以石英砂等颗粒状滤料层截留水中悬浮杂质，从而使水达到澄清的工艺过程。过滤是水中悬浮颗粒与滤料颗粒间黏附作用的结果。黏附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质，当水中颗粒迁移到滤料表面上时，在范德华引力和静电引力以及某些化学键和特殊的化学吸附力作用下，它们黏附到滤料颗粒的表面上。此外，某些絮凝颗粒的架桥作用也同时存在。经研究表明，过滤主要还是悬浮颗粒于滤料颗粒经过迁移和黏附两个过程来完成去除水中杂质的过程。
过滤时，随着滤层中杂质截留量的增加，当水头损失增至一定程度，滤池产水量锐减，或由于滤后水质不符合要求时，滤池必须停止过滤，进行反冲洗。反冲洗的目的是清除滤层中的污物，使滤池恢复过滤能力。反冲洗时，滤料层膨胀起来，截流于滤层中的污物，在滤层孔隙中的水流剪力以及滤料颗粒相互碰撞摩擦的作用下，从滤料表面脱落下来，然后被冲洗水流带出滤池。反冲洗效果主要取决于滤层孔隙水流剪力。该剪力既与冲洗流速有关，又与滤层膨胀率有关。冲洗流速小，水流剪力小；而冲洗流速较大时，滤层膨胀度大，滤层孔隙中水流剪力又会降低，因此，冲洗流速应控制在适当的范围。高速水流反冲洗是最常用的一种形式，反冲洗效果通常由滤床膨胀率e来控制，即
式中 L——砂层膨胀后的厚度，cm；
L0——砂层膨胀前的厚度，cm。
通过长期实验研究，e为25%时反冲洗效果即可以为最佳。
2.实验装置
3.实验步骤
（1）对照工艺图，了解实验装置及构造。
（2）进行反冲洗实验。检查阀门是否关紧。
（3）启动水泵，打开反冲洗阀门，调节阀门使反冲洗流量分别为800L/h、1000L/h、1200L/h、1400L/h、1600L/h。
（4）分别测出各流量时的滤层厚度。
（5）关闭反冲洗阀门，进行过滤实验。
（6）打开进水阀门，调节进水流量：130L/h、240L/h、320L/h、380L/h。
（7）设定工作水深约为1m，调节放出水阀门使各流量时的水深与设定工作水深平齐，然后迅速记录顶部测压管水位h1、顶部测压管水位h2。
4.实验数据及结果整理
（1）在图1内绘出（h-v）变化曲线，总结不同流速与水头损失的变化规律，理解滤速v与水头损失h之间的关系。
（2）根据反冲洗试验记录结果，在图2的坐标系内绘制一定温度下的反冲洗强度与膨胀率的关系曲线，并比较不同反冲洗强度下膨胀率的变化。
5.注意事项
（1）在过滤实验前，滤层中应保持一定水位，以免过滤实验时测压管中积有空气。
（2）在反冲过滤时，应缓慢开启进水阀，以防滤料冲出柱外。
（3）反冲洗过滤时，为了准确地量出砂层厚度，一定要在砂面稳定后再测量，并在每一个反冲洗流量下连续测量3次。
实验四 普通快滤池实验
实验类型：验证性
实验学时：4
每组人数：8
实验目的：
1.熟悉普通快滤池过滤、冲洗的工作过程。
2.了解接触过滤的定义和学会使用普通快滤池过滤的方法以及注意事项。
教学要求：
掌握普通快滤池的过滤、冲洗工作过程。
教学方法：
理论讲解+实验操作
实验内容提要：
1.实验原理
普通快滤池指的是为传统的快滤池布置形式，亦称四阀滤池，滤料一般为单层细砂级配滤料或煤、砂双层滤料，冲洗采用单水冲洗，冲洗水由水塔（箱）或水泵供给。
经过混凝沉淀以后的原水或者浊度小于1度的原水中所含的杂质颗粒尺寸是相当微小的，这些微小颗粒通过滤池滤层后大多被截留而使浑水进一步变清，经研究认为，主要是缘于脱稳的胶体颗粒与滤料之间的接触凝聚作用的结果。滤料截留悬浮物质可通过多种途径，历来对过滤理论有多种解释，现在一般认为过滤过程包括输送、附着和脱离个阶段。在过滤过程中，滤层孔隙中的水流一般属层流状态。被水流挟带的颗粒将随着水流流线运动。在直接截留、布朗运动引起的扩散、颗粒的惯性、重力沉淀和流体效应等作用下，悬浮颗粒被输送到滤料表面。当水中悬浮颗粒因上述作用被输送到滤料表面后，在范德华引力、静电吸力以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用下，被粘附于滤料颗粒表面或粘附在原先已吸附的颗粒上。随着输送和附着过程进行到一定时间，滤料被沉淀或吸附的颗粒覆盖，滤料之间的孔隙逐渐减小，通过滤层的水流速度不断增大，截留的沉积物因水流剪切作用部分分离，被带人滤层深部，使下层滤料截留作用逐渐得到发挥。当滤层堵塞到一定程度后就需进行冲洗，以恢复滤料的过滤能力。
滤层在反冲洗过程中，滤料呈流化和膨胀状态，冲洗结束后细小颗粒滤料积聚在滤床上部，大颗粒滤料沉到滤床底部，形成由上而下由细变粗的滤料结构。在过滤中，表层滤料截留杂质较多，水头损失增长较快，导致相同条件下，过滤周期缩短。或出水水质变差。为了克服普通级配滤料的缺陷，可以采用多层滤料或均质滤料。多层滤料就是采用几种不同相对密度的材料作为滤料，粒径粗的相对密度小，粒径细的相对密度大，在冲洗后进行水力分级时，形成粗颗粒在上，细颗粒在下的滤料级配。
“接触过滤”是直接过滤的其中一种形式，即原水不经沉淀而直接进入滤池过滤。接触过滤，原水经加药后直接进入滤池过滤，滤前不设任何絮凝设备。直接过滤的前提是原水浊度较低（一般在100度以下），且水质较好。
2.实验设备及用具
普通快滤池过滤装置一套，光电式浊度仪一台，水泵一台，100mL量筒一个，秒表一块，200mL烧杯3个，钢卷尺1个，温度计1个。
3.实验步骤
（1）认真了解普通快滤池的使用方法。
（2）使用浊度仪测量原水的浊度，测试原水浊度是否在100度以下（原水浊度在100度以下才可以采用直接过滤的方法过滤）。
（3）如果测量结果满足直接过滤要求，测量原水体积，计算药剂投加量。
（4）按照计算所得的投药量，用量筒称取相应药量倒入烧杯中，将烧杯中的药剂投入原水中，用搅拌棍人工搅拌10min（机械搅拌30s）。
（5）过滤时，关闭反冲洗进水阀和排水阀，打开清水阀和混水阀，开启水泵开关，将原水引入普通快滤池中进行过滤，滤后水引入储水池中。
（6）停泵，从清水管出口中截取滤后水进行浊度测量，测试其是否满足浊度不大于1度的出水要求。
（7）反冲洗时，关闭清水阀和混水阀，打开反冲洗进水阀和排水阀，将滤后水引入普通快滤池中进行反冲洗，反冲洗期间观察滤料的表现现象。
（8）停泵，观察静止后的滤料的情况。
4.实验记录
原始资料： |
实验组号 |
观察记录 |
1 |
滤格编号 |
滤料厚度（cm） |
初滤水浊度（NTU） |
反冲洗现象 |
1 |
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2 |
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3 |
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5.注意事项
（1）冲洗滤池时，排水槽、排水管道应畅通，不应有壅水现象。
（2）冲洗滤池时，冲洗水阀门应逐渐开大，高位水箱不得放空。
（3）滤池初用或冲洗后上水时，池中的水位不得低于排水槽，严禁暴露砂层。
（4）过滤时，关闭反冲洗进水阀和排水阀，打开清水阀和混水阀；反冲洗时，关闭清水阀和混水阀，打开反冲洗进水阀和排水阀。
（5）测量滤后水浊度，去滤后水的时候要先打开清水阀，让滤后水流出一部分后再用烧杯截取，拿去测量浊度，否则浊度会有偏差，会偏高。
实验五 双阀滤池实验
实验类型：验证性
实验学时：4
每组人数：8
实验目的：
1.熟悉双阀滤池过滤、冲洗的工作过程。
2.观察使用双阀滤池过滤的出水效果和反冲洗时滤料的表现现象。
3.了解接触过滤的定义和学会使用双阀滤池过滤的方法以及注意事项。
教学要求：
掌握双阀滤池的过滤、反冲洗工作过程。
教学方法：
理论讲解+实验操作
实验内容提要：
1.实验原理
双阀滤池亦称虹吸滤池，以虹吸管代替进水和排水阀门的快滤池形式之一。滤池各格出水互相连通，反冲洗水由其他滤水补给。每个滤格均在等滤速变水位条件下运行, 虹吸滤池过滤时,由于滤后水位永远高于滤层,保持正水头过滤,所以不会发生负水头现象。每个单元的滤池水位,由于通过滤层的水头损失不同而不同, 虹吸滤池因为低水头冲洗,因此要采用小阻力配水。
虹吸滤池是快滤池的一种形式，它的特点是利用虹吸原理进水和排走洗砂水，因此节省了两个闸门。此外，它利用小阻力配水系统和池子本身的水位来进行反冲洗，不需另设冲洗水箱或水泵，加之较易利用水力，自动控制池子的运行，所以已较多地得到应用。
“接触过滤”是直接过滤的其中一种形式，即原水不经沉淀而直接进入滤池过滤。接触过滤，原水经加药后直接进入滤池过滤，滤前不设任何絮凝设备。直接过滤的前提是原水浊度较低（一般在100度以下），且水质较好。
2.实验设备及用具
双阀快滤池过滤装置一套，光电式浊度仪一台，水泵一台，100mL量筒一个，秒表一块，200mL烧杯3个，钢卷尺1个，温度计1个。
3.实验步骤
（1）过滤
①打开进水虹吸管上抽气阀门，启动真空泵(形成真空后即关闭)。
②启动原水泵调整流量，原水自进水槽通过进水虹吸管、进水斗流入滤池过滤，滤后水通过滤池底部空间经连通渠、连通管、出水槽、出水管送至清水池。
（2）反冲洗
①先打开进水虹吸管的放气阀门，破坏虹吸作用停止进水。
②然后打开排水虹吸管上抽气阀门，启动真空泵开始抽气，形成真空后即可停关闭阀门，池内水位迅速下降，冲洗水是由其余几个滤格供给。经底部空间通向砂层，使砂层得到反冲洗。
③反冲洗后的水经冲洗排水槽、排水虹吸管、管廊下的排水渠以及排水井、排水管排出。
④冲洗完毕后，打开排水虹吸管上放气阀门，虹吸破坏，再重复过滤操作过程恢复过滤即可。
4.实验记录
表1 实验数据记录
原始资料： |
实验组号 |
观察记录 |
1 |
滤格编号 |
滤料厚度（cm） |
出滤水浊度（NTU） |
实验现象 |
1 |
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2 |
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5.注意事项
（1）冲洗滤池前，必须开启洗水管道上的放气阀，待残气放完后方能进行滤池冲洗。
（2）冲洗滤池时，排水槽、排水管道应畅通，不应有壅水现象。
（3）冲洗滤池时，冲洗水阀门应逐渐开大，高位水箱不得放空。
（4）滤池初用或冲洗后上水时，池中的水位不得低于排水槽，严禁暴露砂层。
（5）虹吸滤池过滤时,保持滤后水位永远高于滤层,保证正水头过滤,避免发生负水头现象。
（6）测量滤后水浊度，去滤后水的时候要先打开清水阀，让滤后水流出一部分后再用烧杯截取，拿去测量浊度，否则浊度会有偏差，会偏高。
实验六 颗粒静置自由沉降实验
实验类型：综合性
实验学时：4
每组人数：8
实验目的：
1.了解和掌握自由沉淀的规律，根据实验结果绘制时间-沉淀率（t-E），沉速-沉淀率（u-E）和 的关系曲线。
2.通过实验，掌握颗粒自由沉淀的实验方法；
3.加深理解沉淀的基本概念和杂质的沉降规律。
教学要求：
理解并掌握自由沉降规律。
教学方法：
理论讲解+实验操作
实验内容提要：
1.实验原理
沉淀是指从液体中借重力作用去除固体颗粒的一种过程。根据液体中固体物质的浓度和性质，可将沉淀过程分为自由沉淀、沉淀絮凝、成层沉淀和压缩沉淀等4类。本实验是研究探讨污水中非絮凝性固体颗粒自由沉淀的规律。实验用沉淀管进行。设水深为h，在t时间内能沉到深度h，则颗粒的沉淀速度v为h/t。根据给定的时间t0计算出颗粒的沉速u0。凡是沉淀速度等于或大于u0的颗粒在t0时就可以全部去除。
设原水中悬浮物浓度为C0，则
沉淀率＝(C0-Ct)/C0×100%
在时间t时能沉到深度h颗粒的沉淀速度u:
u=(h×10)/(t×60) (mm/s)
式中：C0——原水中所含悬浮物浓度，mg/L
Ct————经t 时间后，污水中残存的悬浮物浓度，mg/L;
h ——取样口高度，cm;
t ——取样时间，min。
2.实验设备及用具
颗粒自由沉降实验装置1台，分析天平1台，烘箱、滤纸、漏斗、量筒、烧杯等若干。
用软淤泥自配水样。
3.实验步骤
（1）做好悬浮固体测定的准备工作。将中速定量滤纸选好，放入托盘，调烘箱至105±1℃，将托盘放入105℃的烘箱烘45min, 取出后放入干燥器冷却30min，在1/10000 天平上称重，以备过滤时用。
（2）开沉淀管的阀门将软化淤泥和水注入沉淀管中曝气搅拌均匀。
（3）此时用100ml容量瓶取水样100ml (测得悬浮物浓度为C0)记下取样口高度，开动秒表。开始记录沉淀时间。
（4）当时间为5、10、15、20、30、40、60 min时，在同一取样口分别取100 ml水样，测其悬浮物浓度为（Ct）。
（5）一次取样应先排出取样口中的积水，减少误差，在取样前和取样后必须测量沉淀管中液面至取样口的高度，计算时采用二者的平均值。
（6）已称好的滤纸取出放在玻璃漏斗中，过滤水样，并用蒸馏水冲净，使滤纸上得到全部悬浮性固体，最后将带有滤渣的滤纸移入烘箱，重复实验步骤（1）的工作。
（7）浮物固体浓度计算
悬浮性固体含量
式中 w1 ——滤纸质量，g
w2 ——滤纸+悬浮性固体的质量，g
V—— 水样体积，100mL。
4.实验记录
表1 原始数据1
取样时间（min） |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
34 |
40 |
60 |
滤纸重W1（g） |
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滤纸+悬浮性固体的重量W1（g） |
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表2 原始数据2
取样时间（min） |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
30 |
40 |
60 |
取样前高度（cm） |
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取样后高度（cm） |
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5.数据处理及结果计算
表3 数据处理
滤纸编号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
取样时间t(min) |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
30 |
40 |
60 |
取样高度h(cm) |
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悬浮性固体浓度mg/L |
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沉速mm/s |
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沉淀率% |
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未被去除的悬浮物的百分比（%） |
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6.结果分析与思考
（1）根据不同沉淀时间对取样口距液面平均深度h和沉淀时间t，计算出各种颗粒的沉淀速度u1和沉淀率E，并绘制t—E 和u—E的关系曲线。
（2）以颗粒沉淀速度u为横座标，以P为纵座标、在普通方格坐标纸上绘u－P曲线。
（3）自由沉降中颗粒沉淀速度与絮凝沉淀中颗粒沉淀速度有区别吗?
实验七 曝气充氧清水实验
实验类型：综合性
实验学时：4
每组人数：8
实验目的：
1.掌握测定曝气设备的氧总传递系数和充氧能力的方法；
2.了解各种测试方法和数据整理的方法。
教学要求：
掌握溶解氧的测定方法。
教学方法：
理论讲解+实验操作
实验内容提要：
1.实验原理
所谓曝气就是人为的通过一些设备，加速向水中传递氧的一种过程。现行通过曝气方法主要有三种，即鼓风曝气、机械曝气、鼓风机械曝气。对于氧转移的机理在水处理界比较公认的就是刘易斯（Lewis）于怀特曼（Whitman）创建的双膜理论。它的内容是：在气液两相接触界面两侧存在着气膜和液膜，它们处于层流状态，气体分子从气相主体以分子扩散的方式经过气膜和液膜进入液相主题，氧转移的动力为气膜中的氧分压梯度和液膜中的氧的浓度提督，传递的阻力存在于气膜和液膜中，而且主要存在于液膜中。如图所示：
图1 双膜理论模型
影响氧转移的因素主要有温度、污水性质、氧分压、水的紊流成都、气液之间接触时间和面积等。
氧转移的基本方程式为
式中
——液相主体中氧转移速度[mg/(l·min)]
Cs——液膜处报和溶解氧浓度（mg/L）
C——液相主体中溶解氧浓度（mg/L）
KLa——为氧总转移系数
DL——氧分子在液膜中的扩散系数
A——气液两相接触界面面积（m2）
Xf——液膜厚度（m）
V——曝气液体容积（L）
由于液膜厚度Xf 及两相接触界面面积很难确定，因而用氧总转移系数KLa值代替。KLa值与温度、水紊动性、气液接触面面积等有关。它指的是在单位传质动力下，单位时间内向单位曝气液体中充氧量，它是反映氧转移速度的重要指标。
2.实验设备及用具
（1）曝气实验装置
（2）温度计、秒表（计时器）
（3）DO/BOD快速测定仪
（4）脱氧剂：无水亚硫酸钠
（5）催化剂：氯化钴0.1mg/L
3.实验步骤
（1）将清水注入反应器中。
（2）从混合反应器取样测定溶解氧浓度，计算脱氧剂无水亚硫酸钠和催化剂氯化钴的投加量。
（3）将所称得的脱氧剂用温水化开，加入混合反应器中，并加入一定量的催化剂充分混合，反应大约10min左右。
（4）待反应器内溶解氧降为0后，打开机械曝气装置，向混合反应器内曝气，并开始计时间，当时间为1min、2min、3min、4min、5min、7min、9min、11min、13min、15min、……取样测定溶解氧浓度，直至溶液中溶解氧浓度稳定（即饱和）为止，并将清水中的饱和值分别记为CS。
4.实验记录
表1 数据记录1
曝气筒（直径）/m |
水深/m |
水温/℃ |
气量（m3•h-1） |
气温/℃ |
气压/mmHg |
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表2数据记录2
瓶号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
…… |
t/min |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
7 |
9 |
…… |
溶解氧/（mg/L） |
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5.思考
（1）简述曝气在活性污泥生物处理法中的作用。
（2）简述曝气充氧原理及影响氧转移因素。
（3）分析曝气的种类及各自特点。
实验八 A2/O法城市污水处理模拟实验
实验类型：验证性
实验学时：4
每组人数：8
实验目的：
1.了解A2O工艺的组成，运行操作要点；
2.确定去除滤高、能量省的运行参数，知道生产运行。
教学要求：
掌握A2/O的运行机理和要点。
教学方法：
理论讲解+实验操作
实验内容提要：
1.实验原理
设备的工艺流程如下图所示：
生物除磷脱氮，包括厌氧、缺氧、好氧三个不同过程的交替循环。具体如下：
（1）厌氧池 如工艺流程图所示，污水首先进入厌氧区，兼性厌氧的发酵细菌将水中的可生物降解有机物转化为挥发性脂肪酸（VFAs）低分子发酵产物。除磷细菌可将菌体内存贮的聚磷分解，所释放的能量可供好氧的除磷细菌在厌氧环境狭隘维持生存，另一部分能量还可供除磷细菌主动吸收环境中的VFA类低分子有机物，并以聚ß丁酸（PHB）的形式在菌体内贮存起来。
（2）缺氧池 污水自厌氧池进入缺氧区，反硝化细菌就利用好氧区中经混合液回流而带来的硝酸盐，以及污水中可生物降解有机物进行反硝化，达到同时去碳及脱氮的目的。
（3）好氧池 最后污水进入曝气的好氧区，除磷细胞除了可吸收、利用污水中残剩的可生物降解有机物外，主要是分解体内贮积的PHB，产生的能量可供本身生长繁殖。此外还可以主动吸收周围环境中的溶解磷，并以聚磷的形式在体内贮积起来。这时排放的出水中溶解磷浓度已相当低，着有利于自养的硝化细菌生长繁殖，并将氨氮经硝化作用转化为硝酸盐。非除磷的好氧性异养菌虽然也存在，但它在厌氧区受到严重压抑，在好氧区又得不到充足的营养，因此在与其它生理类群的微生物竞争中处于相对弱势。排放的剩余污泥中，由于含有大量能超量贮积聚磷的贮磷细菌，污泥含磷量最高可达到6%（干重）以上，因此大大提高了磷的去除效果。
2.实验设备及用具
实验所需的监测项目如下表所示，需要准备相关的仪器和化学药品。根据实验目的的增减测定项目，并且测定项目可分为每日一次、隔日一次、每周测定一次几种类型。
表1 监测项目
取样点 |
分析项目 |
进水： |
Q、pH、COD、BOD5、溶解性BOD5、溶解性COD、TKN、NH3-N、NO2-N、NO3-N、SS、VSS、TP、PO4-P、碱度 |
厌氧池： |
DO、T、SV、SVI、MLSS、MLVSS、TP |
缺氧池： |
DO、T、SV、SVI、MLSS、MLVSS、NO2-N、NO3-N |
好氧池： |
DO、T、SV、SVI、MLSS、MLVSS、NO2-N、NO3-N、TP |
混合液回流： |
Q、MLSS、MLVSS、BOD5、COD、NO2-N、NO3-N、TP |
回流污泥： |
Q、MLSS、MLVSS、BOD5、COD、NO2-N、NO3-N、TP |
二沉池出水： |
Q、pH、COD、BOD5、溶解性BOD5、溶解性COD、TKN、NH3-N、NO2-N、NO3-N、SS、VSS、TP、PO4-P、碱度 |
3.实验步骤
首先必须认真阅读产品说明书，弄清楚组成装置的所有构筑物、设备和连接管路的作用，以及相互之间的关系，了解设备的工作原理。在次基础上，方可开始设备的启动和运行。
（1）启动。经清水试运行，确认设备动作正常，池体和管路无漏水时，方可开始微生物的驯化和培养。接种污泥可取自城市污水处理厂回流泵房的活性污泥，数量为厌氧池、缺氧池、好氧池和沉淀池的有效容积。开始运转时，全部设备均启动，进水流量可从小开始，回流量也相应减小，污泥全部回流，不排放剩余污泥，以培养异氧菌、贮磷菌、硝化菌、脱氮菌等，提高系统MLSS，固定进水流量及混合液回流比（如50%），开启厌氧池和缺氧池搅拌，速度尽量小，以不产生污泥沉淀即可，开启好氧池气泵进行曝气，曝气强度应使好氧池溶解氧DO达到2mg/L以上。
当系统MLSS达到3000~5000mg/L时，试验参数稳定，出水水质良好，可逐渐加大进水流量，相应加大回流流量。视沉淀池内污泥积累情况，定时开启剩余污泥蠕动泵，其流量视二沉池中的污泥层厚度和泥龄而定，不能放空。同时，固定污泥回流比。
此时，检测出水水质。如果COD、SS、NH3-N、TP等达标且系统状态稳定，就可以认为启动阶段结束。
（2）典型运行参数
项目 |
单位 |
范围 |
污泥负荷 |
KgBOD5/KgMLVSS·d |
0.15~0.25 |
污泥龄 |
d |
15~27 |
MLSS |
mg/L |
3000~5000 |
污泥回流比 |
% |
20~！50 |
混合液回流比 |
% |
100~300 |
DO |
mg/L |
厌氧<0.3；缺氧<0.5好氧<1.5~2.5 |
(3)主要影响因素
因素 |
影响 |
温度T |
主要影响硝化、反硝化。适宜温度：15~30C。温度对反硝化速率的影响与反应器类别及硝酸盐负荷有关，低负荷的系统受温度的影响较小。水温对生物除磷影响不大。 |
溶解氧DO |
厌氧池磷的释放，DO影响很大，应控制在0.2mg/L以下；缺氧池反硝化。DO<0.5 mg/L；好氧池硝化、磷的吸收，DO>2 mg/L |
pH |
厌氧池pH不可太低，否则产生磷的无效释放，也不可太高。否则可能产生磷酸钙沉淀；缺氧池反硝化最适宜pH7.0~7.5；好氧池硝化反应消耗碱度，对pH敏感，适宜pH7.0~8.0，磷的吸收，pH不能低于6.5 |
C/N、C/P |
厌氧池磷的释放需要挥发性脂肪酸VFA，随着C/P值的增大，磷的去除率明显增大，BOD5/TP应大于20；缺氧池反硝化需要碳源，随着C/N值的增大，N的去除率增大，BOD5/TKN应大于4~6；好氧池异氧菌与硝化菌竞争底物，BOD5/TKN不宜太大，一般认为：BOD负荷小于0.15 BOD5/gMLSS·d时，硝化反映才能正常进行。 |
出水SS |
主要影响P的去除，工艺去除溶解性磷，悬浮性磷仍存在于出水中。 |
泥龄θc |
硝化反应需要较长的泥龄，而出磷泥龄则不宜太高。因此，只要能满足硝化及反硝化要求，系统按最低泥龄运行。 |
水力停留时间HRT |
厌氧池HRT不宜过长，否则导致没有VFA吸收的龄释放，一般取1~2小时；好氧池可取1~2小时。 |
回流比 |
混合液回流主要影响池容大小及脱氮效果，本试验最大回流比300%；污泥回流主要考虑硝态氮含量对厌氧区龄的释放的影响，本试验最大回流比100% |
硝态氮 |
厌氧区硝态氮与贮磷菌争夺VFA，产生反硝化，影响磷的释放。 |
有毒物质 |
硝化菌对有毒物质比较敏感，主要是一些重金属如Zn、C、hg等，无机物CN、叠氮化钠等，还有游离氨和亚硝酸盐。 |
4. 提高除磷与脱氮效果的措施
1、提高脱氮率的措施
1) 降低系统容积负荷可提高去除率。
2) 反硝化需要碳源，投加甲醇可提高去除效果。
3) 硝化反应需要碱度，因此，控制pH很重要。如原水碱度不足，应投加碱度或考虑前置反硝化工艺（因反硝化产生碱度，可部分补充）。
4) 因硝化菌的生长世代周期较长，所以提高泥龄能够充分地进行硝化反映，提高脱氮率。
2、提高除磷率的措施
1) 生物处理工艺方面
a) 适当增长厌氧区水力停留时间。以使磷得到充分的释放。
b) 适当增大缺氧池的池容，这样会提高脱氮效果，以降低回流污泥中的硝酸盐的含量。
c) 污泥回流至缺氧池，缺氧池至厌氧池增设二级混合液回流，这样一来进入厌氧池的混合液硝酸盐含量可降低（UCT工艺）
d) 设前置厌氧/缺氧调节池，见污泥回流至调节池，以去除其中的硝酸盐，保证其后饿厌氧池最佳状态运行（改良A/A/O工艺）
e) 可将各区分段，利用有机物的梯度分布促进除磷脱氮（VIP工艺）
2) 其它工艺方面
a) 后置滤池，以降低出水SS，从而去除悬浮性磷。
b) 投加化学药剂，提高出磷效果。
c) 初沉污泥发酵或消化池污泥回流至厌氧区，以便将污泥中的颗粒性有机物转化为VFA，但要注意避免甲烷的产生。
七、其他说明
1.推荐教材：
张可方. 《水处理实验技术》. 广州：暨南大学出版社, 2009
2.教学参考资源：
吴俊奇，李燕城.《水处理实验技术》. 北京：中国建筑工业出版社, 2009.
大纲修订人：陈秋丽 修订日期：2018年1月2日
大纲审定人：××× 审定日期：×××
