废水治理工程实验指导书  目 录 第一章 总论 一、实验教学目的 -------------------------------------- 1 二、实验教学要求 ------------------------------------ 1 第二章 实验设计 一、实验设计简介 ------------------------------------- 3 二、单因素实验设计 ----------------------------------- 4 三、双因素实验设计 ------------------------------------ 6 四、正交实验设计 -------------------------------------- 7 五、正交实验分析举例-----------------------------------11 第三章 水污染控制工程实验 实验四 混凝条件优化实验（自行设计实验）----------------14 实验六 过滤与反冲洗实验 --------------------------------16 实验七 折点加氯消毒实验--------------------------------19 附录1 过滤装置的使用方法 附录2 自由沉降装置的使用方法 第一章 总 论 一、《水污染控制工程实验》的教学目的 实验教学是使学生理论联系实际，培养学生观察问题、分析问题和解决问题能力的一个重要方面。本课程的教学目的如下： 1．加深学生对基本概念的理解，巩固新的知识。 2．使学生了解如何进行实验方案的设计，并初步掌握水净化实验研究方法和基本测试技术。 3．通过实验数据的整理使学生初步掌握数据分析处理技术，包括如何收集实验数据；如何正确地分析和归纳实验数据；运用实验成果验证已有的概念和理论等。 为了更好地实现教学目的，使学生学好本门课程，下面简单介绍实验研究工作的一般程序； 1．提出问题 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 确定实验目标后要根据人力、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，实验者必须经常用已掌握的基本概念分析实验数据。通过数据分析加深对基本概念的理解，并发现实验设备、操作运行、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 通过实验数据的系统分析，对实验结果进行评价。小结的内容包括以下几个方面： 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) 当实验数据不合理时，应分析原因，提出新的实验方案。 由于受课程学时等条件限制，学生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培养和训练，为今后从事实验研究和进行科学实验打好基础。 二、《水污染控制工程实验》的教学要求 1．课前预习 为完成好每个实验，学生在课前必须认真阅读实验教材，清楚地了解实验项目的目的要求、实验原理和实验内容，写出简明的预习提纲。 预习提纲包括： (1) 实验目的和主要内容； (2) 需测试项目的测试方法； (3) 实验中应注意事项； (4) 准备好实验记录表格。 2．实验设计 实验设计是实验研究的重要环节，是获得满足要求的实验结果的基本保障。在实验教学中，宜将此环节的训练放在部分实验项目完成后进行，以达到使学生掌握实验设计方法的目的。 3．实验操作 学生实验前应仔细检查实验设备、仪器仪表是否完整齐全。实验时要严格按照操作规程认真操作，仔细观察实验现象，精心测定实验数据，并详细填写实验记录。实验结束后，要将实验设备和仪器仪表恢复原状，将周围环境整理干净。学生应注意培养自己严谨的科学态度，养成良好的工作学习习惯。 4．实验数据处理 通过实验取得大量数据以后，必须对数据作科学的整理分析，去伪存真，去粗取精，以得到正确可靠的结论。 5．编写实验报告 将实验结果整理编写成一份实验报告，是实验教学必不可少的组成部分。这一环节的训练可为今后写好科学论文或科研报告打下基础。 实验报告包括下述内容： (1) 实验目的； (2) 实验原理； (3) 实验装置和方法； (4) 实验数据和数据整理结果； (5) 实验结果讨论。 对于科研论文，最后还要列出参考文献。实验教学的实验报告，参考文献一项可省略。实验报告的重点放在实验数据处理和实验结果的讨论。 第二章 实验设计 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，以便用最少的人力、物力和时间获得满足要求的实验结果。从广义采说，它包括明确实验目的、确定测定参数、确定需要控制和改变的条件、选择实验方法和测试仪器、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最有效的范围内，以保证通过较少的实验得到预期的实验结果。 在生产和科学研究中，实验设计方法已得到广泛应用，概括地说，包括三方面的应用： (1) 在生产过程中，人们为了达到优质、高产、低消耗等目的，常需要对有关因素的最佳点进行选择，一般是通过试验来寻找这个最佳点。试验的方法很多，为能迅速地找到最佳点，这就需要通过实验设计，合理安排实验点，才能最迅速地找到最佳点。例如，混凝剂是水净化常用的化学药剂，其投加量因具体情况不同而异，因此，常需要多次实验确定最佳投药量，此时便可以通过实验设计来减少实验的工作量。 (2) 估算数学模型中的参数时，在试验前，若通过实验设计合理安排实验点、确定变量及其变化范围等，可以使我们以较少的时间获得较精确的参数。 (3) 当可以用几种型式描述某一过程的数学模型时，常需要通过实验来确定哪一种是较恰当的模型(即竞争模型的筛选)，此时也需要通过实验设计来保证实验向我们提供可靠的信息，以便正确地进行模型筛选。 实验设计的方法很多，有单因素试验设计、双因素试验设计、正交试验设计、析因分析试验设计、序贯实验设计等。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。有一类因素，在实验中可以人为地加以调节和控制，叫做可控因素。例如，混凝试验中的投药量和pH值是可以人为控制的，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，暂时还不能人为控制的，叫做不可控因素。例如，气温、风对沉淀效率的影响都是不可控因素。 实验方案设计一般只适用于可控因素。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，影响因素通常不止一个，但我们往往不是对所有的因素都加以考察。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，只考察一个因素，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双因素试验。考察两个以上因素的试验称多因素试验。 在试验设计中用来衡量试验效果好坏所采用的标准称为试验指标，或简称指标。例如，在进行地面水的混凝试验时，为了确定最佳投药量和最佳pH值，选定浑浊度作为评定比较各次试验效果好坏的标准，即浊度是混凝试验的指标。 进行试验方案设计的步骤如下； 1．明确试验目的、确定试验指标 研究对象是需要解决的问题，一般不止一个。例如，在进行混凝效果的研究时，要解决的问题有最佳投药量问题、最佳pH值问题和水流速度梯度问题。我们不可以通过一次试验把所有这些问题都解决，因此，试验前应首先确定这次试验的目的究竟是解决哪一个或者哪几个主要问题，然后确定相应的试验指标。 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哪些影响不大，或者已经掌握的因素，让它们固定在某一状态上，挑选那些对试验指标可能有较大影响的因素采进行考察。例如，在进行BOD模型的参数估计时，影响因素有温度、菌种数、硝化作用及时间等，通常是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．选定试验设计方法 因素选定后，可根据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；若要进行模型筛选或确定已知模型的参数估计，可采用序贯实验设计法。 4．实验安排 上述问题都解决后，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试验设计、双因素试验设计及正交试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藉。 二、单因素试验设计 单因素试验设计方法有0.618法(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试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一半。分数法应用较广，因为它还可以应用于实验点只能取整数或某特定数的情况，以及限制试验次数和精确度的情况。均分法适用于一次可以同时得出许多个试验结果的问题。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。 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试验范围。设试验范围a～b之间，第一次试验点安排在(a，b)的中点xl [ xl = (a+b)/2) ]，若试验结果表明xl取大了，则丢去大于xl的一半，第二次试验点安排在(a，xl )的中点x2 [x 2= (a+ xl )/2) ]。如果第一次试验结果表明x1取小了，便丢去小于xl 的一半，第二次试验点就取在(xl ，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，能够从一个试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 分数法又叫菲波那契数列法，它是利用菲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，如果只能做一次试验时，就在1/2处做，其精确度为1/2，即这一点与实际最佳点的最大可能距离为1/2。如果只能做两次试验，第一次试验在2/3处做，第二次在1/3处做，其精确度为1/3．如果能做三次试验，则第一次在3/5处做试验，第二次在2/5处做，第三次在1/5或4/5处做，其精确度为1/5……，做几次试验就在试验范围内Fn/Fn+1处做，其精度为1/F n+1。如表1所示。 表中的Fn 及 Fn+1叫“菲波那契数”，它们可由下列递推式确定： Fo= Fl = 1，FK= FK-l+FK-2 (K=2、3、4、…) 由此得 F2 = Fl +Fo＝2，F3=F2+Fl＝3，F4＝F3+F2=5…，Fn+1＝ Fn+ Fn -1 …  因此，表1第三行中各分数，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，而其分母都是等于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位置。 分数法各试验点的位置，可用下列公式求得： 第一个试验点= (大数-小数)x Fn/Fn+1 + 小数 (1) 新试验点= (大数一中数) +小数 (2) 式中：中数一已试的试验点数值。 上述两式推导如下：首先由于第一个试验点x1取在试验范围内的Fn/Fn+1处，所以x1与试验范围左端点(小数)的距离等于试验范围总长度的Fn/Fn+1倍，即 ： 第一试验点 - 小数= [大数(右端点) - 小数]x Fn/Fn+1 移项后，即得式(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)。  下面以一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，要求通过四次试验确定出最佳投药量。具体计算方法如下： (1) 根据式(1)可得到第一个试验点位置： (160 - 0)x 5/8 + 0 ＝100(mg/L) (2) 根据式(2)得到第二个试验点位置： (160-100) + 0 ＝60 (mg/L) (3) 假定第一点比第二点好，所以在60—160之间找第三点，丢去60—0的一段，即： (160 -100) +60 = 120 (rng/L) (4) 第三点与第一点结果一样，此时可用“对分法”进行第四次试验，即在（100+120）/2=100mg／L处进行试验得到的效果最好。 3．均分法 当完成试验需要较长时间，或者测试一次要花很大代价，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、匀地安排在试验范围内。例如每批要做四个试验，我们可以先将试验范围(a，b)均分为五份，在其四个分点x：，x。，x，，x4处做四个试验，将四个试验样品同时进行测试分析，如果x，好，则去掉小于x2和大于x4的部分，留下(x2，x4)范围。然后将留下部分再分成五份，在未做过试验的四个分点上做试验，这样一直做下去，就能找到最佳点。  均分法是一种古老的实验方法。优点是只需把试验放在等分点上，实验可以同时安排，也可以一个接一个地安排；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，往往采取把两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设计。 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x，(o.618点处或其他点处)，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A：(xx，y1)，再把因素y固定在好点yl处，用单因素方法对因素x进行试验，得到最佳点A2(xc、y：)。若x2<x：，因为A2比A：好，可以去掉大于xl的部分，如果xc>x：，则·去掉小于xl的部分。然后，在剩下的试验范围内，再从好点A2出发，把x固定在x2处，对因素y进行试验，得到最佳试验点A，(x：、yt)，于是再沿直线y’yl把不包含A3的部分范围去掉，这样继续下去，能较好地找到需要的最佳点(见图3)。 这个方法的特点是对某一因素进行试验选择最佳点时，另一个因素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先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Al。再把因素y固定在0.25处，用单因素法找出因素x的最佳点Az。比较Al和A2，若八1和A2好，则沿直线y‘0.25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，第三次试验将因素y固定在0.625处，用单因素法找出因素x的最佳点A3，若九比A3好，则也可将直线y：0.625以上的部分去掉。这样一直做下去，就可以找到满意的结果(见图4)。   例如，混凝效果与棍凝剂的投加量、pH值、水流速度梯度三因素有关。根据经验分析，主要的影响因素是投药量和pH值，因贮，可以根据经验把水流速度梯度固定在某一水平上，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，包含多种因素，且各个因素又有不同的状态，它们往往互相交织、错综复杂。要解决这类问题，常常需要做大量试验。例如，某工业废水欲采用厌氧消化处理，经过分析研究后，决定考察三个因素(如温度、时间、负荷率)，而每个因素又可能有三种不同的状态(如温度因素为25℃、30℃、35℃等三个水平)，它们之间可能有33：27种不同的组合，也就是说，要经过27次试验后才能知道那一种组合最好。显然，这种全面进行试验的方法，非但费时费钱，有时甚至是不可能的。对于这样的一个问题，如果我们采用正交设计法安排试验，只要经过9次试验便能得到满意的结果。对于多因素问题，采用正交试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设计合理地挑选和安排试验点，较好地解决多因素试验中的两个突出问题： (1)全面试验的次数与实际可行的试验次数之间的矛盾。 (2)实际所做的少数试验与要求掌握的事物的内在规律之间的矛盾。 正交试验设计法是一种研究多因素试验问题的数学方法，它主要是使用正交表这一工具从所有可能的试验搭配中挑选出若干必需的试验，然后再用统计分析方法对试验结果进行综合处理，得出结果。下面先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。因素在试验中所处状态(即水平)的变化，可能引起指标发生变化。例如，在污泥厌氧消化试验时要考察三个因素；温度、泥龄和负荷率，温度因素选择为25℃、30'(2，3512三种状态，这里的25'C、30'C、35'C就是温度因素的三个水平。 因素的水平有的能用数量表示(如温度)，有的则不能用数量表示。例如，在采用不同混凝剂进行水处理试验时，要研究哪种混凝剂较好，在这里各种混凝剂就表示混凝剂这个因素的各个水平，不能用数量表示。凡是不能用数量表示水平的因素，。q做定性因素。在多因素试验中，有时会遇到定性因素。对于定性因素，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：用正交设计法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。正交表都以统一形式的记号来表示。如L4(23) (图5)，字母L代表正交表L,L右下脚的数字“4”表示正交表有4行，即要安排4次试验，括号内的指数“3”表示表中有3列，即最多可以考察3个因素，括号的底数“2”表示表中每列有1、2两种数据，即安排试验时，被考察的因素有两种水平1与2，称为1水平与2水平。如表2所示。  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 (4X 24)，它表示有8行(即要做8次试验)5列(即有5个因素)，而括号内的第一项“4”表示被考察的第一个因素是4水平，在正交表中位于第一列，这一列由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4个因素是2水平，即后4列由1、2两种数字组成。用L8 (4X 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，我们不是对每个因素都进行考察。例如，对于不可控因素，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可能影响较大，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试验范围，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，便可列成因素水平表。例如，某污水厂进行污泥厌氧消化试验，经分析后决定对温度、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)。 第三步；选用正交表． 常用的正交表有几十个，究竟选用哪个正交表，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，如果每个因素取4个水平，则需用L16 (44) 正交表，要做16次试验。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L9(34)正交表，做9次试验就够了。 第四步：表头设计 表头设计就是根据试验要求，确定各因素在正交表中的位置，如表4所示。 第五步；列出试验方案 根据表头设计，从L4(23)正交表 (表2) 中把1、2、3列的1和2换成表4所给的相应水平，即得试验方案表(表6)，   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：(1)挑选的因素中，哪些因素影响大些，哪些影响小些，各因素对试验目的的影响的主次关系如何；(2)各影响因素中，哪个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： (1) 填写试验指标 表7是采用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，计算试验指标的总和填入表内。  例如：将前叙某污水厂厌氧消化试验所取得的4次产气量结果填人表8中，找出第3号试验的产气量最高(8171~D)，它的试验条件是八2BlC2。并将产气量的总和2854(2854=627+682+817+729)也填入表内。 (2) 计算各列的Ki、和R值，并填入表7中。 Ki (第m列)＝第m列中数字与“i”对应的指标值之和 （第m列）= Ki (第m列) / 第m列中“i”水平的重复次数 R（第m列）= 第m列的、……中最大值减去最小值之差。 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。 例如：表8的第1列中与(1)和(2)相应的试验指标分别为“627”、“682”和“817”、“728”，所以 Kl (第1列)= 627+682 =1309 (1／kcCOD) K2(第1列)=817+728 =1545 (1／k80)D) 表8中第一列中的水平(1)和(2)重复次数均为2次，所以  (第1列) = Kl (第1列)/2 =1309/2=654．5 (1／kgCOD)  (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)  (3) 作因素与指标的关系图 以指标的为纵坐标，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中使我们可以很直观地看出三因素中，对产气量影响最大的是温度，影响最小的是泥龄。 (4) 比较各因素的极差R，排出因素的主次顺序 例如：根据表8，厌氧消化过程中影响产气量大小的三因素的主次顺序是： 主一一一→次 温度 污泥投配率 泥龄 应该注意，试验分析得到的 因素的主次、水平的优劣，都是相对于某具体条件而言。在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，原来次要的因素，也可能由于条件的变化而转化为主要因素。 (5 )选取较好的水平组 从表8中可以看到，4个试验中产气量最高的操作条件是A2B,C2，通过计算分析找出的好的操作条件也是A2B：C2。因此，可以认为A2D1C2是一组好的操作条件。如果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、正交实验分析举例 污水生物处理所用曝气设备，不仅关系到处理厂站基建投资，还关系到运行费用，因而国内外均在研制新型高效节能的曝气设备。自吸式射流曝气设备是一新型设备，为了研制设备结构尺寸、运行条件与充氧性能关系，拟用正交实验法进行清水充氧实验。 实验是在1.6mXl．6mX 7.0m的钢板池内进行，喷嘴直径d＝20mm(整个实验中的一部分)。 1．实验方案确定及实验 (1) 实验目的 实验是为了找出影响曝气充氧性能的主要因素及确定较理想的结构尺寸和运行条件。 (2) 挑选因素 影响充氧的因素较多，根据有关文献资料及经验，对射流器本身结构主要考察两个：一个射流器的长、径比，即混合段的长度L与其直径D之比L／D；另一是射流器的面积比，即混合段的断面面积与喷嘴面积之比  对射流器运行条件，主要考察喷嘴工作压力p和曝气水深H。 (3) 确定各因素的水平 为了能减少实验次数，又能说明问题，因此，每个因素选用3个水平。根据有关资料选用，结果如表1-10。 (4) 确定实验评价指标 本实验以充氧动力效率为评价指标。充氧动力效率系指曝气设 备所消耗的理论功率为1kW．h时，向水中充人氧的数量，以kg／(kW．h)计。该值将曝气供氧与所消耗的动力联系在一起，是一个具有经济价值的指标，它的大小将影响到活性污泥处理厂站的运行费用。 (5) 选择正交表 根据以上所选择的因素与水平，确定选用L9(34)正交表。见表1-11。   (6) 确定实验方案 根据已定的因素、水平及选用的正交表。 ① 因素顺序上列。 ② 水平对号入座。 则得出正交实验方案表1-12。  ③ 确定实验条件并进行实验。根据表1-12，共需组织9次实验，每组具体实验条件如表中1、2……9各横行所示。第一次实验在水深4.5m，喷嘴工作压力p＝0.1MPa，面积比m＝D2/d2＝9.0，长径比L／D＝60的条件下进行。 2．实验结果直观分析 实验结果及分析如表1-13所示， 具体做法如下。 (1) 填写评价指标 将每一实验条件下的原始数据，通过数据处理后求出动力效率正，并计算算术平均值，填写在相应的栏内。 (2) 计算各列的K、及极差R 如计算H这一列的因素时，各水平的K值如下。 第一个水平K4.5 ＝1.03 +0.89 +0.88 ＝2.80 第二个水平K5.5 ＝1.30 +1.07 +0.77 ＝3.14 第三个水平K6.5 ＝0.83 +1.11 +1.01 ＝2.95 其均值分别为  极差 R1＝1.05 - 0.93 ＝0.12, 依此分别计算2、3、4列，结果如表1-13。 (3) 成果分析 ① 由表中极差大小可见，影响射流曝气设备充氧效率的因素主次顺序依次为L /D→P→m→H。 ② 由表中各因素水平值的均值可见各因素中较佳的水平条件分别为：L／D＝120；p＝0.1MPa；m＝4.0；H＝5.5m。  实验四 混凝条件优化实验(自行设计实验) 一、实验目的： 通过自行设计的混凝条件优化实验，学生在实验中确定混凝剂在对中等浊度水混凝过程中最佳加药量和最佳pH值。实现最好混凝效果。从而使学生深刻理解混凝机理并掌握试验设计方法。达到学生综合训练培养能力的目的。 二、设计条件及参考资料 1．设计条件 1)混凝剂：氯化铝、氯化铁、聚合铝、聚丙烯酰胺 2)水样： 中等浊度水。 2．参考资料 1)水污染控制工程课程教材 2)废水治理工程实验指导书实验二 3)自行查阅资料。 三、自行设计实验过程 1．试验方案设计。 2．实验操作。 3．实验记录及数据处理。 4，编写实验报告。 四、试验方案设计步骤 1．明确试验目的，确定实验指标。 2．筛选因素。 3．选定试验设计方法。 4．确定实验方案。 5．实验安排。 五、提供试验设备及用品 1．定时变速搅拌器(DBJ621型) 1台 2．浊度仪 1台 3．配制药品溶液仪器用品 1套 4．测浊加药用品 1套 5．广泛pH试纸(1～14) 1本 6．温度计 100℃ 1支 7．烧杯 1000ml 6个 250ml 6 个 六、注意事项 1．确定试验因素后，选择合理的试验设计方法； 2．实验中水样浊度要稳定一致； 3．混凝过程中加药量要准确； 4．混凝搅拌后的静沉时间要保证； 5．测浊器皿要清洁； 6．观察记录要及时。 七、实验要求 1．学生确定的试验方案必须经指导教师审阅批准方可进行实验操作。 2．每组完成一份试验方案设计； 3．每人编写一份实验报告； 4．对实验中出现的问题要分析讨论。 九、思考题 本次实验设计中你选用了哪种设计方法? 结合实验阐述选用根据。 实验六 过滤与反冲洗实验 一、实验目的 (1)了解模型及设备的组成与构造。 (2)观察过滤及反冲洗现象，进一步了解过滤及反冲洗原理。 (3)掌握实验的操作方法。 (4)掌握滤池工作中主要技术参数的测定方法。 二、实验原理 1．过滤与反冲洗模型 过滤及反冲洗实验装置是由进水箱、流量计、过滤柱及水位计组成(图1)。  2．水过滤原理 水的过滤是根据地下水通过地层过滤形成清洁井水的原理而创造的处理浑浊水的方法。在处理过程中，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粘附作用的结果。粘浮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，它们被粘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与滤料颗粒经过迁移和粘附两个过程来完成去除水中杂质的过程。 3．影响过滤的因素 在过滤过程中，随着过滤时间的增加，滤层中悬浮颗粒的量也会随着不断增加，这就必然会导致过滤过程水力条件的改变。当滤料粒径、形状、滤层级配和厚度及水位已定时，如果孔隙率减小，则在水头损失不变的情况下，将引起滤速减小。反之，在滤速保持不变时，将引起水头损失的增加。就整个滤料层而言，鉴于上层滤料截污量多，越往下层截污量越小，因而水头损失增值也由上而下逐渐减小。此外，影响过滤的因素还有很多，诸如水质、水温、滤速、滤料尺寸、滤料形状、滤料级配，以及悬浮物的表面性质、尺寸和强度等等。 4．滤料层的反冲洗 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时，导致滤池产生水量锐减，或由于滤后水质不符合要求，滤池必须停止过滤，并进行反冲洗。反冲洗的目的是清除滤层中的污物，使滤池恢复过滤能力。滤池冲洗通常采用自下而上的水流进行反冲洗的方法。反冲洗时，滤料层膨胀起来，截留于滤层中的污物，在滤层孔隙中的水流剪力作用下，以及在滤料颗粒碰撞摩擦的作用下，从滤表面脱落下来，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，又与滤层膨胀有关。冲洗流速小，水流剪力小；冲洗流速大，使滤层膨胀度大，滤层孔隙中水流剪又会降低，因此，冲洗流速应控制适当。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)； L。——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。 三、实验设备及仪器 (1)过滤与反冲洗的实验装置(1套)； (2)pH试纸（1——14） (3)浊度仪(1台)； (4)烧杯(200m1)。 四、实验用试剂 (1)硫酸铝(质量分数1％)； (2)聚合氯化铝(质量分数1％)； (3)三氯化铁(质量分数1％)。 （4）聚丙烯酰胺(质量分数0.1％) 五、实验操作步骤 在实验中要控制滤料层上的工作水深保持基本不变。仔细观察绒粒进入滤料层深度及绒粒在滤料层中的分布情况。 (1)对照工艺图，了解实验装置及构造。 (2)测量并记录原始数据，填入表1中。  (3)配制原水，使其浑浊度大致在20一40度范围内，以实验（四）选择出的最佳药剂的最佳投药量及最佳pH进行加药混凝。把计算好的药剂量投入原水箱中，经过搅拌，启泵进行过滤试验。 (4)列表记录每隔半小时测定或校对一次的运行参数，填人表2中。 (5)观察杂质绒粒进入滤层深度情况。 (6)不同实验小组采用不同滤速平行试验： 一组：5m／h；二组：：8m/h;三组：10m/h；四组：12m/h；五组：16m/h 。 (7)反冲洗试验：①了解实验装置；②列表测量并记录各参数，填入表3中；③做膨胀率e：20％，40%，80％的反冲洗强度g的实验；④打开反冲洗水泵，调整膨胀度e，测出反冲洗强度值；⑤测量每个反冲洗强度时，应连续测3次，并取平均值计算。   六、实验数据及结果整理 (1)根据过滤试验结果，归纳出4支滤管的水头损失、水质、绒粒分布随工作延续时间 变化的情况，绘制出滤池工作水质曲线图(图2)。   (2)总结四支滤管不同流速与水头损失的变化规律，加深对滤速u与水头损失^之间关系的理解，并绘出变化曲线(图3)。 (3)根据反冲洗试验记录结果，绘制一定温度下的冲洗强度与膨胀率的关系曲线，并综合四组不同的曲线进行分析比较(图4)。 七、注意事项 (1)反冲洗过滤时，不要使进水阀门开启度过大，应缓慢打开，以防滤料冲出柱外。 (2)在过滤实验前，滤层中应保持一定水位，不要把水放空，以免过滤实验时测压管中积有空气。 (3)反冲洗时，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。 实验七 折点加氯消毒实验 1．实验目的 (1)掌握折点加氯消毒的实验技术。 (2)通过实验，探讨某含氨氮水样与不同氯量接触一定时间(2h)的情况下，水中游离性余氯、化合性余氯及总余氯量与投氯量的关系。 2．实验原理 水中加氯有三种作用。 当原水中只含细菌不含氨氮时，向水中投氯能够生成次氯酸(HClO)及次氯酸根 (C10—)，反应式如下 C12 + H20 ≒ HClO + H+ + C1— (7—1) HCIO ≒ H+ + ClO— (7—2) 次氯酸及次氯酸根均有消毒作用，但前者消毒效果较好。因细菌表面带负电，而HOC类是中性分子，可以扩散到细菌内部破坏细菌的酶系统，妨碍细菌的新陈代谢，导致细菌的死亡。 水中HCIO及CIO—称游离性氯。 (2)当水中含有氨氮时，加氯后能生成次氯酸和氯胺，它们都有消毒作用，反应式如下 C12 + H20 ≒ HClO + HC1 (7—3) NH3 + HCIO ≒ NH2CI + H20 (7—4) NH2CI 十HCIO ≒ NHCl2 十H2O (7—5) NHCl2 + HCIO ≒ NCl3 + H20 (7—6) 从上述反应得知：次氯酸(HClO)、一氯胺(NH2C1)、二氯胺(NHCl2)和三氯胺(NCl3，又名三氯化氮)水中都可能存在。它们在平衡状态下的含量比例决定于氨氮的相对浓度、pH值和温度。 当pH＝7～8，反应生成物不断消耗时，lmol的氯与lmol的氨作用能生成lmol的一氯胺，此时氯与氨氮(以N计，下同)的质量比为(71：14)≈(5：1)。 当pH＝7～8，2mol的氯与lmol的氨作用能生成lmol的二氯胺，此时氯与氨氮的质量比约为10：1。 当pH＝7～8，氯与氨氮质量比大于10：1时，将生成三氯胺(三氯胺很不稳定)和出现游离氯。随着投氯量的不断增加，水中游离性氯将越来越多。 水中有氯胺时，依靠水解生成次氯酸起消毒作用，从化学反应式(7—4)至式(7—6)可见，只有当水中HCl0因消毒或其他原因消耗后，反应才向左进行，继续生成HCl0。因此当水中余氯主要是氯胺时，消毒作用比较缓慢。氯胺消毒的接触时间不应短于2h。 水中NH2C1、NHCl2和NCl3称化合性氯。化合性氯的消毒效果不如游离性氯。 (3)氯还能与含碳物质、铁、锰、硫化氢以及藻类等起氧化作用。水中含有氨氮和其他消耗氯的物质时，投氯量与余氯量的关系见图7—1。  图中OA段投氯量太少，故余氯量为0，AB段的余氯主要为一氯胺；BC段随着投氯量的增加，一氯胺与次氯酸作用，部分成为二氯胺(见式7-5)。部分反应如下式 2NH2Gl + HCl0 → N2↑+ 3HCI + H20 (7—7) 反应结果，BC段一氯胺及余氯(即总余氯)均逐渐减少，二氯胺逐渐增加。C点余氯值最少，称为折点。C点后出现三氯胺和游离性氯。按大于出现折点的量来投氯称折点加氯。折点加氯的优点：①可以去除水中大多数产生臭和味的物质；②有游离性余氯，消毒效果较好。 图7—1曲线的形状和接触时间有关，接触时间越长，氧化程度就深一些，化合性余氯则少一些，折点的余氯有可能接近于零。此时折点加氯的余氯几乎全是游离性余氯。 3．实验设备及试剂 (1)水箱或水桶1个，能盛水几十升。 (2)20m浪。玻璃瓶1个。 (3)50mL比色管20多根。 (4)100mL比色管40多根。 (5)1000mL烧杯10多个。 (6)lmL及5mL移液管各几支。 (7)10mL及50mL量筒各几个。 (8)1000mL量筒几个。 (9)温度表1支。 4．实验步骤 (1)药剂制备 ①配制1％含量的氨氮溶液100mL。称取3．819g干燥过的无水氯化铵(NH4C1)溶于不含氨的蒸馏水中稀释至100mL，其氨氮含量为1％即10g／L ②氨氮标准溶液1000mL。吸取上述1％浓度氨氮溶液lmI。，用蒸馏水稀释至1000mL，其氨氮含量为10mg／L。 ③酒石酸钾钠溶液100mL。称取50g化学纯酒石酸钾钠(KNaC4H4O．4H2O)，溶于100mL蒸馏水中，煮沸，使约减少20mL或到不含氨为止。冷却后，用蒸馏水稀释至100mL。 ④碘化汞钾溶液1L。溶解100g分析纯碘化汞(HgI2)和70g分析纯碘化钾(KI)于少量蒸馏水中，将此溶液加到500mL已冷却的含有160g氢氧化钠(NaOH)的溶液中，并不停搅拌，用蒸馏水稀释至1L，贮存于棕色瓶中，用橡皮塞塞紧，遮光保存。 ⑤1％含量的漂白粉溶液500mL。称取漂白粉5g溶于100mL蒸馏水中调成糊状，然后稀释至500mL即得。其有效氯含量约为2.5g／L。取漂白粉溶液lmL，用蒸馏水稀释至200mL，参照本实验所述测余氯方法可测出余氯量。 ⑥邻联甲苯胺溶液1L。称取1g邻联甲苯胺，溶于5mL 20％盐酸中(浓盐酸lmL稀释至5mL)，将其调成糊状，加150～200mL蒸馏水使其完全溶解，置于量筒中补加蒸馏水至505mL，最后加入20％盐酸495mL共1L。此溶液放在棕色瓶内置于冷暗处保存，温度不得低于0℃，以免产生结晶影响比色，也不要使用橡皮塞，最多能使用半年。 ⑦亚砷酸钠溶液1L。称取5g亚砷酸钠溶于蒸馏水中，稀释至1L。 ⑧磷酸盐缓冲液4L。将分析纯的无水磷酸氢二钠(Na2HP04)和分析纯无水磷酸二氢钾(KH2P04)放在105～110℃烘箱内，2h后取出放在干燥器内冷却，前者称取22.86g，后者称取46.14g。将此二者同溶于蒸馏水中，稀释至1L。至少静置4d，等其中沉淀物析出后过滤。取滤液800mL加蒸馏水稀释至4L，即得磷酸盐缓冲液4L。此溶液的pH值为6.45。 ⑨铬酸钾—重铬酸钾溶液1L。称取4.65g分析纯干燥铬酸钾(K2Cr2O4)和1.55g分析纯干燥重铬酸钾(K2Cr2O7)溶于磷酸盐缓冲液中，并用磷酸盐缓冲液稀释至1L即得。 ⑩余氯标准比色溶液。按表7—1所需的铬酸钾—重铬酸钾溶液，用移液管加到100mL 比色管中，再用磷酸盐缓冲液稀释至刻度，记录其相当于氯的浓度(mg／L)，即得余氯标准比色溶液。  (2)水样制备。取自来水20L加入1％含量氨氮溶液2mL，混匀，即得实验用原水，其氨氮含量约lmg／L或略高于lmg／L。 (3)测原水水温及氨氮含量，记人表7—2。测氨氮用直接比色法，测氨氮步骤如下。 ①于50mL比色管中加入50mL原水。 ②另取50mL比色管18支，分别注入氨氮标准溶液0mL、0.2mL、0.4mL、0.7mL、1.0mL、1.4mL、1.7mL、2.0mL、2.5mL、3.0mL、3.5mL、4.0mL、4.5mL、5.0mL、5.5mL、6.0mL、6.5mL、7.0mL及8.0mL，均用蒸馏水稀释至50mL。 ③向水样及氨氮标准溶液管内分别加入lmL酒石酸钾钠溶液，混匀，再加lmL碘比汞钾溶液，混匀后放置lOmin，进行比色。  (4)进行折点加氯实验 ①在12个1000mL烧杯中各盛原水1000mL。 ②当加氯量为lmg、2mg、4mg、6mg、8mg、10mg、12mg、14mg、16mg、18mg、20mg时，计算1％含量的漂白粉溶液的投加量(mL)。 ③将12个盛有1000mL原水的烧杯注明编号(1、2、……12)，依次投加1％含量的漂白粉溶液，其投氯量分别为0mg／L、lmg／L、2mg／L、4mg／L、6mg／L、8mg／L、10mg／L、12mg／L、14mg／L、16mg／L、18mg／L及20mg／L，快速混匀2h后，立即测各烧杯水样的游离氯、化合氯及总余氯的量(表7—2)。各烧杯水样测余氯方法相同，均采用邻联甲苯胺亚砷酸盐比色法，可分组进行。以3号烧杯水样为例，测定步骤为如下。 a. 取100mL比色管三支，标注3甲、3乙、3丙。 b．吸取3号烧杯100mL水样投加于3甲管中，并立即投加lmL邻联甲苯胺溶液，立刻混合，迅速投加2mL亚砷酸钠溶液，混匀，越快越好；2min后(从邻联甲苯胺溶液混匀后算起)，立刻与余氯标准比色溶液比色，记录结果(A)。(A)表示该水样游离余氯与干扰性物质迅速混合后所产生的颜色。  c．吸取3号烧杯100mL水样投加于3乙；管中，立刻投加2mL亚砷酸钠溶液，混匀，迅速加入lmL邻联甲苯胺溶液，混匀，2min后立刻与余氯标准比色溶液比色，记录结果(B1)。待相隔15min(从加入邻联甲苯胺溶液混匀后算起)后，再取3乙管水样与余氯标准比色溶液比较，记录结果(B2)。(B1)代表干扰物质于迅速混合后所产生的颜色。(B2)代表干扰物质于混合15rain后所产生的颜色。 d．吸取3号烧杯水样100mL加于3丙管中，立刻加入lmL邻联甲苯胺溶液，立刻混匀，静置15min，再与余氯标准比色溶液比色，记录结果(C)。(C)代表总余氯与干扰性物质于混合15min后所产生的颜色。 5．实验结果整理 根据比色测定结果进行余氯计算，绘制游离余氯、化合余氯及总余氯与投氯量的关系曲线。 6．注意事项 (1)各水样加氯的接触时间应尽可能相同或接近，以利互相比较。 (2)比色测定应在光线均匀的地方或灯光下，不宜在阳光直射下进行。