水质工程学Ⅰ例题、思考题、习题答案

水质工程学（）例题、思考题、习题参考答案第 1 章 水质与水质标准1.水中杂质按尺寸大小可分为几类？了解各类杂质主要来源、特点及一般去除方法。水中杂质按尺寸大小分为悬浮物、胶体、溶解物三类。悬浮物：尺寸较大（1?m-1mm） ，可下沉或上浮（大颗粒的泥砂、矿碴下沉，大而轻的有机物上浮） 。主要是泥砂类无机物质和动植物生存过程中产生的物质或死亡后的腐败产物等有机物。这类杂质由于尺寸较大，在水中不稳定，常常悬浮于水流中。当水静置时，相对密度小的会上浮与水面，相对密度大的会下沉，因此容易去除。胶体：尺寸很小（10nm-100nm）, 具有稳定性，长时静置不沉。主要是粘土、细菌和病毒、腐殖质和蛋白质等。胶体通常带负电荷，少量的带正电荷的金属氧化物胶体。一般可通过加入混凝剂进去去除。溶解物：主要是呈真溶液状态的离子和分子，如 Ca2+、Mg 2+、Cl -等离子，HCO 3-、SO 42-等酸根，O2、CO 2、H 2S、SO 2、NH 3 等溶解气体分子。溶解物与水成均相，透明。但可能产生色、臭、味。是某些工业用水的去除对象，需要特殊处理。有毒有害的无机溶解物和有机溶解物也是生活饮用水的去除对象。2.各种典型水质特点。 （数值可不记）江河水：易受自然条件影响，浊度高于地下水。江河水年内浊度变化大。含盐量较低，一般在70900mg/L 之间。硬度较低，通常在 50400mg/L(以 CaCO3 计）之间。江河水易受工业废水和生活污水的污染，色、臭、味变化较大，水温不稳定。湖泊及水库水：主要由河水补给，水质类似河水，但其流动性较小，浊度较低；湖水含藻类较多，易产生色、臭、味。湖水容易受污染。含盐量和硬度比河水高。湖泊、水库水的富营养化已成为严重的水污染问题。海水：海水含盐量高，在 7.543.0g/L 之间，以氯化物含量最高，约占 83.7%，硫化物次之，再次为碳酸盐，其它盐类含量极少。海水须淡化后才可饮用。地下水：悬浮物、胶体杂质在土壤渗流中已大部分被去除，水质清澈，不易受外界污染和气温变化的影响，温度与水质都比较稳定，一般宜作生活饮用水和冷却水。含盐量通常高于地表水（海水除外） ，大部分地下水含盐量在 1005000mg/L, 硬度通常在 100500mg/L(以 CaCO3 计） ，含铁量一般 10mg/L 以下，个别达 30mg/L。3.生活饮用水卫生标准(GB5749-2006) 分类指标。生活饮用水水质标准有四类指标：水的感官性状和一般化学指标、微生物学指标、毒理性指标、放射性指标。水的感官性状和一般化学指标：色度、浑浊度、臭和味、pH 值、总硬度、铁、锰、铜、锌、挥发酚类、阴离子合成洗涤剂、硫酸盐、氯化物、溶解性总固体等。微生物学指标：细菌总数、大肠菌群、游离性余氯。补充：1、水体的富营养化：水体的富营养化是指富含磷酸盐和某些形式的氮素的水，在光照和其他环境条件适宜的情况下，水中所含的这些营养物质足以使水体中的藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏的现象。水体的富营养化危害很大，对人类健康、水体功能等都有损害，包括：（1）使水味变得腥臭难闻。 （2）降低水的透明度。（3）消耗水中的溶解氧。 （4）向水体中释放有毒物质。（5）影响供水水质并增加供水成本。 （6）对水生生态的影响。2、水体的自净：水体的自净是指水体在流动中或随着时间的推移，水体中的污染物自然降低的现象。通过化学作用和生物作用对水体中有机物的氧化分解，使污染物质浓度衰减，是水体自净的主要过程。第 2 章 水的处理方法概论例题1. 某水样采用 CMB 反应器进行氯消毒实验，假定投氯量一定，经实验知：细菌被灭活速率为一级反应，且 k0.92min-1，求细菌灭活 99%时所需时间为多少？解：设原有细菌密度为 C0， t 时后尚存活的细菌密度为 Ci，被杀死的细菌密度则为 C0-Ci，根据题意，在 t 时刻，C0-Ci/C0=99%，Ci = 0.01C0，细菌被灭速率等于活细菌减少速率，于是， r（Ci）-k ?Ci-0.92 Ci ，代入公式得，t -ln(0.01 C0/ C0)/0.92=-4.6/(-0.92)=5min2. 采用 CSTR 反应器作为氯化消毒池，条件同上，求细菌去除率达到 99，所需消毒时间为多少？解：Ci = 0.01C0，k0.92 min-1，代入公式得： (C0/ Ci)-1/k=(C0/ 0.01C0)-1/0.92107.6 min对比可知，采用 CSTR 反应器所需消毒时间几乎是 CMB 反应器时间的 21.5 倍，由于 CSTR 反应器仅仅是在细菌浓度为最终浓度 Ci = 0.01C0 下进行反应，反应速度很低。3. 在上题中若采用 2 个 CSTR 反应器串联，求所需要消毒时间为多少？解：Cn /C0= 0.01, n=2, 0.01=1/ (1+0.92 )29.9min； 2 =2*9.9=19.8min由此可知，采用 2 个 CSTR 反应器串联，所需消毒时间比 1 个反应器大大缩小。串联的反应器数量越多，所需反应时间越短。1.水的主要物理化学处理方法。混凝：通过投加化学药剂，使水中的悬浮固体和胶体聚集成易于沉淀的絮凝体。 沉淀和澄清：通过重力作用，使水中的悬浮颗粒、絮凝体等物质被分离去除。浮选：利用固体或液滴与它们在其中悬浮的液体之间的密度差，实现固-液或液- 液分离的方法。过滤：使固-液混合物通过多孔材料（过滤介质） ，从而截留固体并使液体（滤液）通过的过程。膜分离：利用膜的孔径或半渗透性质实现物质的分离。吸附：通常在水处理中指固相材料浸在液相或气相中，液相或气相物质固着到固相表面的传质现象。离子交换：在分子结构上具有可交换的酸性或碱性基团的不容性颗粒物质，固着在这些基团上的正、负离子能和基团所接触的液体中的同符号离子交换为对物质的物理外观毫无明显的改变，也不引起变质或增溶作用的过程。中和：把水的 pH 调整到接近中性或是调整到平衡 pH 值的任何处理。氧化与还原：改变某些金属或化合物的状态，使他们变成不溶解的或无毒的。2.反应器原理用于水处理有何作用和特点？作用：应用反应器理论，能够确定水处理装置的最佳形式，估算所需尺寸，确定最佳的操作条件。利用反应器的停留时间分布函数，可以判断物料在反应器里的流动模型，也可以计算化学反应的转化率。特点：水处理反应器较多在常温常压下工作；水处理反应器的进料多是动态的；水处理工程中通常都是采用连续式反应器。3.反应器的类型。按反应器内物料的形态可以分为均相反应器和多相反应器。按反应器的操作情况可以分为间歇式反应器和连续流式反应器两大类。连续流式反应器有活塞流反应器（管式反应器）和恒流搅拌反应器（连续搅拌罐反应器）两种完全对立的理想类型。4.理想反应器模型及其特点。通过简化可得 3 种理想反应器：完全混合间歇式反应器（CMB 型） 、完全混合连续式反应器（CSTR 型） 、推流式反应器（PF 型） 。完全混合间歇式反应器（CMB 型）反应物投入容器后，通过搅拌使物质均匀混合，同时发生反应，直到反应物到预期要求时，停止操作，排出反应产物。在反应过程中不存在由物质迁移而导致的物质输入和输出，且假定在恒温下操作。CMB 型反应器通常用于实验室实验或少量的水处理。完全混合连续式反应器（CSTR 型）当反应物投入反应器后，经搅拌立即与反应器内的料液达到完全均匀混合，新的反应物连续输入，反应产物也连续输出。输出的产物浓度和成分与反应器内的物料相同。进口浓度和出口浓度不一样。由于快速混合，输出的物料各部分的停留时间各不相同。推流式反应器（PF 型）反应器的物料仅以相同的流速平行流动，而无扩散作用。物料浓度在垂直液流方向完全均匀，而沿着液流方向将发生变化。这种流型的唯一的质量传递就是平行流动的主流传递。5.典型给水处理工艺流程。典型地表水处理流程：原水混凝沉淀过滤消毒饮用水典型除污染给水处理流程：原水预氧化混凝沉淀过滤活性炭吸附消毒饮用水一般冷却水流程：1、原水自然沉淀冷却用水2、原水自然沉淀混凝沉淀冷却用水除盐水处理流程：滤过水阳离子交换阴离子交换除盐水第 3 章 凝聚和絮凝例题1.设已知 K5.1410-5，G30s-1 。经过絮凝后要求水中颗粒数量浓度减少 3/4，即 n0/nM=4，试按理想反应器作以下计算：1）采用 PF 型反应器所需絮凝时间为多少分钟？2）采用 CSTR 反应器（如机械搅拌絮凝池）所需絮凝时间为多少分钟？3）采用 4 个 CSTR 型反应器串联所需絮凝时间为多少分钟？解：公式详见书本 P74 式 3-41、42、431）将题中数据代入公式得： ln4/(5.1410-530) 899s 15min2）将题中数据代入公式得： （4-1）/(5.1410-530)1946s32min3）将题中数据代入公式得： （41/4-1）/(5.1410-530)269s总絮凝时间 4 42691076s18min由此可知，推流型絮凝池的絮凝效果优于单个机械絮凝池，但采用 4 个机械絮凝池串联时，絮凝效果接近推流型絮凝池。2.某地表水源的总碱度为 0.2mmol/L。市售精制硫酸铝（含 Al2O3 约 16）投量为 28mg/L。试估算石灰（市售品纯度为 50）投量为多少 mg/L。解：投药量折合 Al2O3 为 28mg/L164.48mg/L，Al2O3 分子量为 102，故投药量相当于4.48/102=0.044 mmol/L，剩余碱度取 0.37 mmol/L，则得：CaO=30.0440.2+0.37 0.3 mmol/LCaO 分子量为 56，则市售石灰投量为： 0.356/0.5=33 mg/L。3.某往复式隔板絮凝池设计流量为 75000m3/d；絮凝时间采用 20min；为配合平流沉淀池宽度和深度，絮凝池宽度 22m，平均水深 2.8m。试设计各廊道宽度并计算絮凝池长度。解：1）絮凝池净长度设计流量 Q=75000*1.06/24=3312.5 m3/h0.92 m3/s（水厂自用水量占 6）絮凝池净长度 LQT/BH=3312.5*20/(22*2.8*60)=17.92m2）廊道宽度设计絮凝池起端流速取 0.55m/s，末端流速取 0.25 m/s。首先根据起、末端流速和平均水深算出起末端廊道宽度，然后按流速递减原则，决定廊道分段数和各段廊道宽度。起端廊道宽度 bQ/Hv0.92/（2.8*0.55）=0.597m0.6m末端廊道宽度 bQ/Hv0.92/（2.8*0.25）=1.3m廊道宽度分为 4 段、各段廊道宽度和流速见下表。廊道宽度和流速计算表廊道分段号 1 2 3 4各段廊道宽度（m） 0.6 0.8 1.0 1.3各段廊道流速（m/s） 0.55 0.41 0.33 0.25各段廊道数 6 5 5 4各段廊道总净宽（m） 3.6 4 5 5.2四段廊道宽度之和b3.6+4+5+5.217.8m取隔板厚度 0.1m，共 19 块隔板，则絮凝池总长度 L 为：L17.8+19*0.119.7m如要计算隔板絮凝池水头损失和速度梯度，可根据上表有关数据按公式分别求得。思考题与习题混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。凝聚：胶体脱稳并生成微小聚集体的过程。絮凝：脱稳胶体或微小悬浮物聚结成大的絮凝体的过程。混凝过程涉及：水中胶体的性质； 混凝剂在水中的水解； 胶体与混凝剂的相互作用。 1. 何谓胶体稳定性？胶体稳定性是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。2. 胶体的凝聚机理。胶体的凝聚机理有 4 个方面：压缩双电层作用、吸附电中和作用、吸附架桥作用、网捕卷扫作用。压缩双电层作用：水中胶体颗粒通常带有负电荷，使胶体颗粒间相互排斥而稳定，当加入含有高价态正电荷离子的电解质时，高价态正离子通过静电引力进入到胶体颗粒表面，置换出原来的低价正离子，这样双电层中仍然保持电中性，但是正离子的数量减少了，即双电层的厚度变薄了，胶体颗粒滑动面上的 电位降低。当 电位降低至某一数值（临界电位 k）使胶体颗粒总势能曲线上的势垒处 Emax=0 时，胶体颗粒即可发生凝集作用。吸附电中和作用：胶体颗粒表面吸附异号离子、异号胶体颗粒或带异号电荷的高分子，从而中和了胶体颗粒本身所带部分电荷，减少了胶体颗粒间的静电斥力，使胶体更易于聚沉。这种吸附作用的驱动力包括静电引力、氢键、配位键和范德华力等，具体何种作用为主要驱动力，由胶体特性和被吸附物质本身的结构决定。吸附架桥作用：不带电，带异号电荷，甚至带有与胶粒同性电荷的高分子物质在范德华引力、共价键、氢键或其他物理化学作用下，与胶粒也产生吸附作用。当高分子链的一端吸附了某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，形成“胶粒-高分子- 胶粒”的絮凝体。在这里高分子起了胶粒与胶粒之间的桥梁作用，故称为吸附架桥作用。网捕卷扫作用：当铝（铁）盐混凝剂投量很大而形成大量氢氧化物沉淀时，会像多孔的网一样，将水中的胶体颗粒和悬浮浊质捕获、卷扫下来，称网捕或卷扫作用。这是一种机械作用，所需的混凝剂投量与原水杂质含量成反比，即杂质少，用量多。3. 混凝过程中，压缩双电层和吸附-电中和作用有何区别？简要叙述硫酸铝混凝作用机理及其与水的 pH 值的关系。压缩双电层作用是高价态正电荷离子置换出胶体颗粒表面的低价正离子，双电层中仍保持电中性，但是正离子的数量减少，双电层的厚度变薄，胶体颗粒滑动面上的 电位降低。而吸附电中和作用是异号离子、异号胶体颗粒、带异号电荷的高分子中和胶体颗粒本身所带部分电荷，减少胶体颗粒间的静电斥力。胶体颗粒表面电荷不但可能被降为零，而且还可能带上相反的电荷，即胶体颗粒反号，发生再稳定的现象。硫酸铝的混凝机理：不同 pH 条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH 、温度等。实际上，几种可能同时存在。其中，水的 pH 值直接影响 Al3+的水解聚合反应。pH3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用；pH=4 5 多核羟基络合物起吸附电性中和作用；除色时适宜。pH=6.5 7.5 氢氧化铝聚合物起吸附架桥作用；絮凝的主要作用，除浊时最佳。4. 高分子混凝剂投量过多时，为什么混凝效果反而不好？（1） 、压缩双电层作用：电位最多可降至 0，因而不能解释以下两种现象：（1）混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；（2）与胶粒带同样电荷的聚合物或高分子有机物也有好的凝集效果。（2） 、吸附电中和作用：胶体颗粒与异号离子作用，首先是吸附，然后才是电荷中和，因此当投加混凝剂时，胶体颗粒表面电荷不但可能被降为零，还可能带上相反电荷。即胶体颗粒反号，发生重新稳定的现象。（3） 、吸附架桥作用：当高分子物质投加过多时，胶体颗粒表面被高分子所覆盖，两个胶体颗粒接近时，受到胶粒与胶粒之间因高分子压缩变形产生的反弹力和带电高分子之间的静电排斥力，使胶体颗粒不能凝集。（4） 、网捕卷扫作用：金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫，所需混凝剂与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。当混凝剂加量大时，混凝剂相互之间会有影响，使上述各种作用能力发生变化，但不都是作用力加强，大于混凝剂的最佳投药量时，再投加混凝剂反而效果会降低。5. 目前我国常用的混凝剂有哪几种？各有何优缺点？我国常用的混凝剂有：（无机盐类：）硫酸铝、三氯化铁；（高分子混凝剂：）聚合氯化铝（PAC） 、聚合硫酸铁。硫酸铝：采用硫酸铝作混凝剂时，运输方便，操作简单，混凝效果好。但水温低时，硫酸铝水解困难，形成的絮凝体较松散，混凝效果变差。粗制硫酸铝由于不溶性杂质含量高，使用时废渣较多，带来排除废渣方面的操作麻烦，而且因酸度较高而腐蚀性强，溶解与投加设备需要考虑防腐。三氯化铁：采用三氯化铁作混凝剂时，易溶解，形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实，沉降速度快，处理底纹、低浊水时效果优于硫酸铝，使用的 pH 值范围较宽，投加量比硫酸铝小。但三氯化铁固体产品极易吸水潮解，不易保管，腐蚀性较强，对金属、混凝土、塑料等均有腐蚀性，处理后水色度比铝盐处理水高，最佳投加量范围较窄，不易控制。聚合氯化铝（PAC）：聚合氯化铝作混凝剂时，形成混凝体速度快，絮凝体大而密实，沉降性能好；投加量比无机盐类混凝剂低；对原水水质适应性好，无论是低温、低浊、高浊、高色度、有机污染等原水，均保持较稳定的处理效果；最佳混凝 pH 值范围较宽，最佳投加量范围宽，一定范围内过量投加不会造成水的 pH 值大幅度下降，不会突然出现混凝效果很差的现象；由于聚合氯化铝的盐基度比无机盐类高，因此在配制和投加过程中药液对设备的腐蚀程度小，处理后水的 pH 值和碱度变化也较小。聚合硫酸铁：采用聚合硫酸铁作混凝剂时，混凝剂用量少；絮凝体形成速度快、沉降速度快；有效的 pH 值范围宽；与三氯化铁相比腐蚀性大大降低；处理后水的色度和铁离子含量均较低。6. 什么叫助凝剂？常用的有哪几种？在什么情况下需要投加助凝剂？凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂可称为助凝剂。常用的助凝剂按其投加目的可分为以下几类： 吸附架桥改善已形成的絮体结构；如活化硅酸（SiO2 nH2O） 、骨胶、聚丙烯酰胺（PAM）等高分子絮凝剂；调节原水酸碱度，促进混凝剂水解；如投加石灰、硫酸等；破坏水中有机污染物对胶体颗粒稳定作用，改善混凝效果；如投加 Cl2、O3 等；改善混凝剂形态，促进混凝效果。如硫酸亚铁作混凝剂使用时，应将 Fe2+氧化成 Fe3。7. 何谓同向絮凝和异向絮凝？两者的絮凝速率（或碰撞速率）与哪些因素有关？异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。布朗运动所造成的颗粒碰撞速率与水温成正比，与颗粒的数量浓度平方成正比，而与颗粒尺寸无关。同向絮凝：由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰撞聚集称为同向絮凝。颗粒同向碰撞速率与颗粒浓度平方成正比，与粒径