一、实验目的
（1）通过实验加深对自由沉淀概念、特点、规律的理解；
（2）掌握颗粒自由沉淀实验方法，熟练进行实验数据分析、整理、计算。
二、实验原理
颗粒的自由沉淀指的是颗粒在沉淀的过程中，颗粒之间不互相干扰、碰撞，呈单颗粒状态，各自独立的完成的沉淀过程。自由沉淀有两个含义：①颗粒沉淀过程中不受器壁干扰影响；②颗粒沉降时，不受其他颗粒的影响。当颗粒与器壁的距离大于50d（d为颗粒的直径）时就不受器壁的干扰。当污泥浓度小于5 000mg／L时就可假设颗粒之间不会产生干扰。
颗粒在沉砂池中的沉淀以及低浓度污水在初沉池中的沉降过程均是自由沉淀。自由沉淀过程可以由斯托克斯公式（Stokes）进行描述，即：
式中：u——颗粒的沉速；
ρg——颗粒的密度；
ρ——液体的密度；
μ——液体的黏滞系数；
g——重力加速度；
d——颗粒的直径。
但由于水中颗粒的复杂性，公式中的一些参数（如粒径，密度等）很难准确确定，因而对沉淀的效果、特性的研究，通常要通过沉淀实验来实现。实验可以在沉淀柱中进行。
取一定直径、一定高度的沉淀柱，在沉淀柱中下部设有取样口，如图4－2所示。
图4－2 自由沉淀实验装置
将已知悬浮物浓度Cn的水样注入沉淀柱，取样口上水深（即取样口与液面间的高度）为h0，在搅拌均匀后开始沉淀实验，并开始计时，经沉淀时间t1，t2…，ti从取样口取一定体积水样，分别计下取样口高度h0，分析各水样的悬浮物浓度C1，C2，…，Ci，从而计算颗粒的去除百分率：
式中：η——颗粒去除百分率；
C0——原水悬浮物的浓度，mg／L；
Ci——ti时刻悬浮物质量浓度，mg／L。
同时计算悬浮颗粒剩余百分数：
式中：P——悬浮颗粒剩余百分数。
计算沉淀速率：
式中：u——沉淀速率，mm／s；
ho——取样口高度，cm；
ti——沉淀时间，min。
通过以上方法进行实验要注意几点问题：(www.xing528.com)
（1）每从管中取一次水样，管中水面就会下降一定高度，所以，在求沉淀速度时要按实际的取样口上水深来计算。为了尽量减小由此产生的误差，使数据更可靠，应尽量选用有较大断面面积的沉淀柱。
（2）实际上，在经过时间ti后，取样口上h高水深内的颗粒沉到取样口下，应由两个部分组成，即u≥u0＝h／ti的颗粒，经时间ti后将全部被去除，而h高水深内不再包含u≥u0这部分颗粒；u＜u0＝h／ti的颗粒也会有一部分颗粒沉淀到取样口以下，这是因为u＜u0的颗粒并不都在水面上，而是均匀地分布在高度为h的水深内，因此，只要它们沉淀到取样口以下所用的时间小于或等于具有u0沉速颗粒所用的时间，在时间ti内它们就可以被去除。但是以上实验方法并未包含u＜u0的颗粒中被去除的部分，所以存在一定误差。
（3）从取样口取出水样测得的悬浮固体浓度C1，C2，…，Ci等，只表示取样口断面处原水经沉淀时间t1，t2，…，ti后的悬浮固体浓度，而不代表整个h水深中经相应沉淀时间后的悬浮固体浓度。
三、实验装置及仪器
（1）沉淀装置（沉淀柱，储水箱，水泵，空压机）。
（2）计时用秒表。
（3）分析天平（1台）。
（4）恒温烘箱。
（5）干燥器。
（6）具塞称量瓶（10个）。
（7）量筒（100mL，10个）。
（8）定量滤纸。
（9）漏斗（10个）。
（10）漏斗架（2个）。
四、实验步骤
（1）将水样注入沉淀柱，并用空压机向沉淀柱中压缩空气，将水样搅拌均匀。
（2）用量筒取样100mL，测量原水悬浮物浓度并记为C。
（3）用秒表计时，当时间为1min，5min，10min，15min，20min，40min，60min，120min时，在取样口取出100mL水样，在每次取样后（或取样前）读出取样口上水面高h。
（4）测出每次水样的悬浮物浓度。
记录实验原始数据，将数据填入表4－4中。
表4－4 颗粒自由沉淀实验
五、实验结果与数据处理
（1）计算悬浮物去除率η、剩余率P及沉淀速度μ，并将数据填入表4－5。
表4－5 剩余率及沉淀速度数据
（2）绘制η－T（去除率－沉淀历时）、η－μ（去除率－沉淀速度）、T－μ（剩余率－沉淀速度）曲线。
思考题
（1）自由沉淀中颗粒沉速与絮凝沉淀中颗粒沉速有什么区别？
（2）简述绘制自由沉淀曲线的方法及意义。
（3）自由沉淀的测定是否还有其他方法？与本书所应用的方法有何区别？
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