Лабораторная работа № 1

Определение коэффициента объемного использования

горизонтального отстойника

Материалы и оборудование

1. Лабораторная модель горизонтального отстойника.

2. Тарированная емкость.

3. Секундомер.

4. Флюорометр.

5. Краситель-флюоросцеин.

Сущность вопроса

Эффект работы отстойников в значительной степени зависит от гидравлических условий. Наличие водоворотных и мертвых зон сокра­щает время пребывания воды в сооружениях, увеличивает скорость течения, т.е. ухудшает эффект работы отстойников.

Гидравлические условия работы отстойников обычно оцениваются коэффициентом объемного использования отстойника K_о.и, представ­ляющим собой отношение действительного времени пребывания воды в сооружении t_н к теоретическому t:

. (1.1)

Теоретическое время пребывания воды определяется по формуле

, (1.2)

где V_o – объем отстойника;

q_н – расход воды, поступающей в отстойник.

Действительное время пребывания воды в сооружениях опреде­ляется экспериментально – путем введения в воду меченого элемен­та (солей, краски) и последующего конт­роля за выходом его из сооружения. Лучшие результаты получаются при использовании в опытах красителей, например, флюоросцеина. Изменение концентрации меченых элементов в выходящей воде с изменением времени представляется в виде графика (рисунок 1.1).

Действительное время пребывания воды в сооружении равно ве­личине абсциссы центра тяжести площади фигуры, ограниченной кри­вой изменения концентрации меченого элемента в выходящей воде с осью абсцисс.

Коэффициент объемного использования горизонтальных отстойни­ков равен K_о.и = 0,5–0,6. Низкие значения К_о.и свидетельству­ют о неудовлетворительных гидравлических условиях работы отстой­ников – наличии водоворотных и мертвых зон, несовершенной конст­рукции распределительного или сборного устройства и неудовлетво­рительном соотношении между основными

Рисунок 1.1 – График изменения концентрации флюоросцеина

в выходящей воде во времени

размерами сооружения: глу­бины к длине и глубины к ширине. Расположение водоворотных и мерт­вых зон и причины их возникновения могут быть установлены при визуальном наблюдении.

Описание установки

Установка состоит из модели отстойника Б и системы питания. Модель снабжается водой от водопровода через бак постоянного уровня А. Модель выполнена из органического стекла. Размеры модели: длина  = 2,0 м, ширина b = 0,25 м и высота h = 0,3 м.

Изменением положения подвижной перегородки 4 и бачка В мож­но изменять размеры модели (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Схема опытной установки:

1 – подача воды; 2 – ввод красителя; 3 – отвод в канализацию; 4 – подвижная перегородка; 5 – отбор проб; 6 – отвод воды в мерник

Расход воды следует определять объемным способом. Так как на изучаемую систему действуют в основном сила тя­жести, то моделирование отстойников выполняется по закону Фруда:

. (1.3)

Одновременно обязательно соблюдение геометрического подо­бия. Выбор масштаба модели должен производиться из условия обес­печения в модели, как и в натуре, течения воды при турбулентном режиме, т.е.

, (1.4)

где – гидравлический радиус;

 – коэффициент кинематической вязкости;

_м – скорость течения воды в модели.

Методика исследования и обработка опытных данных

На заданный расход следует рассчитать горизонтальный от­стойник и путем перемещения задней стенки и дна привести размеры модели к размерам, соответствующим выбранному масштабу моделиро­вания.

Опыт проводится на чистой водопроводной воде. Вначале уста­навливается постоянный расход воды, который из условия подобия (1.3) рассчитывается по формуле

, (1.5)

где q_м и q_н – расход воды соответственно в модели и в дейст­вующем отстойнике;

 – масштаб модели, .

Скорость течения воды в модели и в отстойнике определяется соотношением

, (1.6)

где V_м и V_н – скорость течения воды соответственно в модели и в отстойнике.

Связь между временем пребывания воды в модели t_м и в от­стойнике t_н следует найти из соотношения

. (1.7)

Раствор красителя приготовляется с определенным количеством флюоросцеина на водном растворе NaOH или KOH, которые способст­вуют хорошей его растворимости.

В подаваемую воду вводится приготовленный раствор флюоросце­ина. С этого момента (начало опыта) с интервалами через 5 мин производится отбор проб выходящей воды для анализа.

Анализ воды заключается в определении концентрации флюоро­сцеина с помощью флюорометра. Общая продолжительность опыта должна быть не менее теоретического времени пребывания во­ды в модели. Одновременно ведутся визуальные наблюдения за движе­нием подкрашенного потока воды.

Опыты следует проводить несколько раз при разных конструк­тивных оформлениях распределительного и сборного устройства. По результатам измерений строится график изменения концентрации флюоросцеина в выходящей воде во времени.

Действительное время пребывания воды в модели определяется по формуле

, (1.8)

а в действующем сооружении

. (1.9)

Коэффициент объемного использования отстойника вычисляется по формуле (1.1).

По каждому опыту следует определять общее количество флюоросцеина (вышедшего из модели) по формуле

. (1.10)

Сравнение этой величины с массой флюоросцеина, введенного в модель, даст возможность проверить опыт.

Итогом работы являются определение коэффициента объемного использования отстойника, вычисленного по формуле (1.1), оценка гидравлических особенностей исследуемого сооружения и вы­бор распределительного и сборного устройства. Результаты измере­ний и вычислений заносятся в таблицы 1.1 и 1.2 (формы 1 и 2).

Таблица 1.1 – Результаты измерений и вычислений при определении К_о.и (форма 1)

Определение расхода		Время с начала опыта, мин	t, мин	Концент­рация флюоросцеина в выходя­щей воде, мг/л	Сit	Сitti	qмСit	При­меча­ние
вместимость мерного бака Wб, л	время напол­нения tр, с

Таблица 1.2 – Результаты вычислений искомых величин (форма 2)

№ опы­та	Особен­ности конст­рукции	Определение Ко.и по действительному времени пребывания воды в сооружении						Приме­чание
		Vо	qн, м3/ч	t, ч	tм, ч	tн, ч	Ко.и

Пример

Требуется определить коэффициент объемного использования модели горизонтального отстойника с размерами  = 2,0 м, b = 0,25 м, h = 0,3 м. Результаты исследований перенести на действующий отстойник с размерами: длина L = 40 м, ширина В = 6,0 м и высота Н = 4,0 м.

Масштаб модели .

Расход воды, поступающей на действующий отстойник, q_н = 358 м³/ч.

Расход воды на модели определяется по формуле

м³/ч.

Объем действующего отстойника:

м³.

Теоретическое время пребывания воды в отстойнике:

ч.

Объем модели:

м³.

Теоретическое время пребывания воды в модели отстойника:

ч или 45 мин.

Для проведения опыта приготовлен подкрашенный раствор флюоросцеина на водном растворе NaOH в объеме 1,0 л. В растворе содержится 0,15 г флюоросцеина.

Приготовленный раствор (весь сразу) вливают в струю воды, поступающей на модель отстойника, и ведут отсчет времени с помощью секундомера. В конце отстойника отбирают через каждые 5 минут пробы воды в объеме 100 мл. Последняя проба отбирается по прошествии теоретического времени пребывания воды в модели отстойника. Определяют в каждой извлеченной пробе концентрацию флюоросцеина с помощью флюорометра. Данные замеров заносят в таблицу 1.3.

Таблица 1.3 – Результаты измерений и вычислений при определении К_о.и

Определение расхода		Время с начала опыта, мин	t, мин	Концент­рация флюоросцеина в выходя­щей воде, мг/л	Сit	Сitti	qмСit	При­меча­ние
вместимость мерного бака Wб, л	время напол­нения tр, с
3,0	60	0	5	0	0	0	0
		10	5	10	50	500	2,78
		15	5	50	250	3750	13,75
		20	5	80	400	8000	22,00
		25	5	95	475	11875	26,12
		30	5	75	375	11250	20,62
		35	5	60	300	10500	16,50
		40	5	30	150	6000	8,25
		45	5	20	100	4500	5,50
		50	5	10	50	2500	2,75
		55	5	3	15	825	0,825
					2165	59700	119,09

мин,

а в действующем отстойнике

мин или 2,05 ч.

Коэффициент использования отстойника-модели равен

,

а действующего отстойника:

.

Результаты вычислений занесены в таблицу 1.4.

Таблица 1.4 – Результаты вычислений искомых величин

№ опы­та	Особен­ности конст­рукции	Определение Ко.и по действительному времени пребывания воды в сооружении						Приме­чание
		Vо	qн, м3/ч	tр.о, ч	tм, ч	tн, ч	Ко.и
1		960	358	2,68	0,46	2,05	0,76

Таблица 1.5 – Результаты опытных данных, полученных на модели отстойника

Время с начала опыта, мин, нарастающим итогом	Интервал отбора пробы t, мин	Концентрация флюоросцеина в выходящей из отстойника воде, мг/л																							Примечание
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	Размеры модели-отстойника  = 2,0 м, b = 0,25 м, h = 0,3 м
5	5	1	3	4	1	2	6	1	3	7	3	7	10	1	2	6	5	1	3	2	4	1	5	3
10	5	12	8	12	15	12	15	5	15	22	12	15	20	5	12	15	8	4	8	5	15	9	8	6
15	5	18	20	18	25	18	22	15	28	32	18	45	40	20	20	25	15	12	18	12	18	15	15	10
20	5	38	25	28	37	35	40	32	35	50	30	55	70	25	30	55	40	25	28	22	23	40	40	25
25	5	45	48	45	42	43	52	48	45	40	42	70	60	40	45	65	52	42	35	45	40	65	55	20
30	5	35	50	52	38	38	38	40	30	20	25	40	45	38	55	40	30	48	25	48	52	70	60	16
35	5	20	35	40	32	30	25	32	20	15	20	25	30	30	30	38	18	35	20	40	30	40	30	12
40	5	15	25	25	25	20	20	28	15	12	18	20	25	20	20	20	12	15	10	32	15	20	10	7
45	5	10	18	20	15	15	15	20	8	8	7	10	15	15	10	12	6	10	5	12	4	15	5	2
50	5	6	10	10	8	8	8	15	5	5	6	5	10	10	5	6	2	4	3	2	2	5	2	1

Таблица 1.6 – Результаты опытных данных, полученных на модели отстойника

№ п/п	Размеры отстойника, м			Производительность qн, м3/ч	Объем отстойника Vо, м3
	длина L	ширина В	высота Н
1	45,0	6,0	4,0	350	1080
2	60,0	6,0	4,0	400	1440
3	70,0	6,0	4,0	500	1680
4	75,0	6,0	4,0	700	1800
5	50,0	6,0	4,0	300	1200
6	40,0	6,0	4,0	360	960
7	29,0	6,0	4,0	320	700
8	33,0	6,0	4,0	280	800
9	38,0	6,0	4,0	300	912
10	42,0	6,0	4,0	280	1008
11	48,0	6,0	4,0	310	1152
12	52,0	6,0	4,0	320	1248
13	53,0	6,0	4,0	410	1272
14	62,0	6,0	4,0	620	1488
15	56,0	6,0	4,0	720	1344
16	65,0	6,0	4,0	810	1560
17	62,5	6,0	4,0	740	1500
18	72,0	6,0	4,0	800	1728
19	59,2	6,0	4,0	650	1420
20	52,0	6,0	4,0	530	1250
21	47,9	6,0	4,0	515	1150
22	55,8	6,0	4,0	450	1340
23	39,2	6,0	4,0	380	940

Библиографический список к лабораторной работе № 1

1. Калицун, В.И. Лабораторный практикум по канализа­ции / В.И. Калицун, Ю.М. Ласков. – М.: Стройиздат, 1978.

2. Минц, Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды / Д.М. Минц. – М.: Стройиздат, 1964.

3. Абрамов, Н.А. Водоснабжение / Н.А. Абрамов. – М.: Стройиздат, 1983.

Лабораторная работа № 2

Определение и выбор характеристик

гранулометрического состава

фильтрующей загрузки для скорого фильтра

Материалы и оборудование

Для выполнения лабораторной работы используют следующее оборудование, приборы и зернистый материал:

1. Зернистый материал (кварцевый песок, дробленый антрацит, дробленый керамзит) в количестве 200 г.

2. Весы технические.

3. Весы аналитические.

4. Сушильный шкаф.

5. Набор сит.

6. Прибор вращательно-встряхивающего действия.

Характеристика гранулометрического состава зернистый материалов

Зернистый фильтрующий материал характеризуют следующие показате­ли: эффективная величина и эквивалентный диаметр зерен, коэффи­циент неоднородности.

Эффективная величина зерен фильтрующего материала представляет собой калибр (размер) сита, через которое проходит 10 % исследуемого фильтрующего материала d₁₀.

Эквивалентный диаметр зерен d_экв в миллиметрах определяют по формуле

, (2.1)

где Р_i – процентное содержание фракций, оставшихся на сите, средний диаметр которых d_i.

Коэффициент неоднородности К_н равен

, (2.2)

где d₈₀, d₁₀ – диаметры зерен, мм, соответствующие 80- и 10-процентному калибру.

Данные, необходимые для определения характеристики фильтрующего материа­ла, получают при помощи ситового анализа. Ситовой анализ зернистых материалов основан на механическом разделении частиц по крупности. Материал загружается в набор сит с ячейками известного раз­мера и путем встряхивания, вибрации или другими способами разделяется на две части: остаток на ситах и прошедшее количество материала через сита.

Просеивая материал через набор различных сит, можно разде­лить пробу на несколько фракций. Размеры частиц этих фракций ог­раничены размерами отверстий используемых сит.