水质工程学(Ⅰ)例题、思考题、习题参考答案

水质工程()例题、思考问题和习题参考了答案第一章水质和水质标准1 .水中的杂质根据尺寸可分为多少类？ 了解各类杂质的主要来源、特点及一般去除方法。水中杂质按尺寸分为浮游物、胶体、溶解物3类。浮游物：尺寸大(1？ m-1mm )可以下沉或浮起(大粒砂土、矿床下沉，大而轻的有机物浮起)。主要是砂土类无机物质和动植物生存中产生的物质和死亡腐败物等有机物。这种杂质由于尺寸大，在水中不稳定，常在水流中浮游。水静置后，相对密度小的浮在水面上，相对密度大的沉降，容易去除。胶体：尺寸小(10nm-100nm )，具有稳定性，长时间静置不会下沉。主要为粘土、细菌和病毒、腐殖质和蛋白质等。 胶体是通常带负电荷，少量带正电荷的金属氧化物胶体。一般可以通过加入凝集剂去除。熔化物：主要是真溶液状态离子和分子，例如Ca2、Mg2、Cl-等离子体、HCO3-、SO42-等酸根、O2、CO2、H2S、SO2、NH3等溶解气体分子.溶解物和水是均匀的，透明的。 可能会出现颜色、臭味、味道。是一些工业用水的除去对象，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 .各种典型的水质特征。 (数值不记得)河水：易受自然条件影响，浊度高于地下水。 河水年间浊度的变化很大。 盐分含量低，一般在70900mg/L之间。 硬度低，通常在50400mg/l(caco3 )之间。 河水易受工业废水和生活污水污染，颜色、臭味、味道变化大，水温不稳定。湖泊和水库水：主要由河水补给，水质类似河水，但流动性小，浊度低的湖水中含藻类多，容易出现颜色、臭味、味道。 湖水容易被污染。 盐的含量和硬度高于河水。 湖泊和水库水的富营养化已经成为严重的水污染问题。海水：海水盐分含量高，在7.543.0g/L之间氯化物含量最高，约占83.7%，硫化物次之，其他盐类含量极少。 海水淡化后才能饮用。地下水：悬浮物、胶体杂质在土壤渗流中基本清除，水质清澈，不易受外界污染和气温变化的影响，温度和水质比较稳定，适于生活饮用水和冷却水。 盐分含量通常高于地表水(海水除外)，大部分地下水的盐分含量为1005000mg/L，硬度通常为100500mg/l(caco3 )，铁含量通常为10mg/L以下，分别达到30mg/L。3. 生活饮用水卫生标准 (GB5749-2006 )分类指标。生活饮用水的水质标准有水的官能性状和一般化学指标、微生物学指标、毒性指标、放射性指标4种指标。水的官能性状和一般化学指标：色度、浊度、臭味和味道、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、游离性馀氯。补充：1、水体富营养化：水体富营养化是指富含磷酸盐和某种形态氮的水，在光和其他环境条件适当的情况下，水中所含的这些营养物质能够使水体中的藻类过度生长，随后由于藻类的死亡及其伴随的异养微生物代谢活动，水体中的溶解氧被消耗，水体质量恶化，水生态环境结构受到破坏的现象水体富营养化危害很大，对人类健康、水体功能等造成损害(1)把水的气味弄成讨厌的臭味。 (2)降低水的透明度。(3)消耗水中的溶解氧。 (4)向水体释放有毒物质。(5)影响供水水质，增加供水成本。 (六)对水生生态的影响。2、水体自净：水体自净是指水体流动中或随时间推移水体中污染物自然降低的现象。通过化学作用和生物作用氧化分解水体中的有机物，减少污染物浓度是水体自净化的主要过程。第二章水处理方法概论例题1 .某水样用CMB反应器进行氯消毒实验，假设氯剂量一定，实验知道细菌灭活速度为初级反应，k=0.92min-1，细菌灭活需要多长时间解：设原细菌密度为C0，t时存活的细菌密度为Ci，被杀的细菌密度为C0-Ci，就问题的意义而言，t时C0-Ci/C0=99%，Ci=0.01C0，细菌灭绝的速度与活细菌减少的速度相同，r(Ci)=-k？ Ci=-0.92 Ci，代入式中，t=-ln (0. 01 c0/c0)/0.92=-4.6/(-0.92 )=5min采用CSTR反应器作为氯消毒池，条件相同，细菌清除率达到99%，所需消毒时间是多少解： Ci=0.01C0，k=0.92 min-1，代入式：= (c0/ci )-1 /k= (c0/0. 01 c0)-1 /0.92=107.6 min相比之下，采用CSTR反应器的消毒时间几乎是CMB反应器时间的21.5倍，而CSTR反应器的细菌浓度只是以最终浓度Ci=0.01C0进行反应，因此反应速度较低。3 .如果在上述问题上串联连接2个CSTR反应器，需要多长时间消毒？解： Cn /C0=0.01，n=2，0.01=1/(10.92 ) 2=9.9min；=2=2* 9.9=19.8分钟因此，串联采用2个CSTR反应器，消毒时间比1个反应器大幅缩短。 串联连接的反应器数量越多，所需的反应时间越短。1 .水的主要物理化学处理方法。凝聚：通过投入化学药品，使水中的浮游固体和胶体凝聚成容易沉淀的絮凝物。沉淀和澄清：在重力的作用下，水中的浮游粒子、絮凝物等物质被分离除去。浮选：利用固体或液滴与其浮游液体的密度差，实现固液或液液分离的方法。过滤：使固液混合物通过多孔质材料(过滤介质)，捕获固体，使液体(滤液)通过的过程。膜分离：利用膜孔径和半渗透性实现物质分离。吸附：通常是水处理中固相材料浸入液相或气相，液相或气相物质固着在固相表面的遗传现象。离子交换：具有可交换为分子结构的酸性或碱性基团的惰性粒子物质，固定在这些基团上的正、负离子能量与基团接触的液体中的同符号离子交换在物质的物理外观上没有明显变化，是不发生变质或溶解作用的过程。中和：将水的pH调整为接近中性或平衡pH的处理。氧化和还原：改变部分金属和化合物的状态，使他们不溶解或无毒。2 .反应器原理在水处理中有哪些作用和特点？作用：应用反应器理论，确定水处理装置的最佳形式，估算所需尺寸，确定最佳操作条件。 利用反应器滞留时间分布函数，可以判断反应器中材料的流动模型，计算化学反应的转化率。特点：水处理反应器常常在常温常压下工作；水处理反应器的供应常为动态；水处理工序通常使用连续式反应器。3 .反应器的类型。根据反应器内材料的形态，可分为均相反应器和多相反应器。根据反应器的操作情况，分为间歇式反应器和连续流式反应器两种。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(连续罐反应器)完全对立的理想类型。4 .理想的反应器模型及其特点。通过简化，可以得到完全混合分批式反应器(CMB型)、完全混合连续式反应器(CSTR型)、推流式反应器(PF型) 3种理想的反应器。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的同时发生反应，在反应物达到所期望的要求之前停止操作，排出反应生成物。假设反应中不存在物质移动引起的物质输入输出，在恒温下操作。CMB型反应器通常用于实验室实验和少量水处理。完全混合连续式反应器(CSTR型)反应物一投入反应器，搅拌后立即与反应器内的原料液完全均匀混合，连续输入新的反应物，反应物也连续输出。输出的产物浓度和成分与反应器内的材料相同。 进口浓度和出口浓度不同。 因为高速混合，输出的材料各部分的停留时间各不相同。推流反应器(PF型)反应器材料以相同流速平行流动，无扩散作用。 材料浓度在垂直流动方向上完全均匀，沿流动方向变化。 该流型的唯一质量传递是平行流的主流传递。5 .典型的供水处理工艺流程。典型地表水处理流程：原水凝集沉淀过滤消毒饮用水典型的除污供水处理流程：原水预氧化凝聚沉淀过滤活性炭吸附消毒饮用水一般冷却水流动：1、原水自然沉淀冷却水2、原水自然沉淀凝聚沉淀冷却水盐水除去处理流程：过滤水阳离子交换阴离子交换除去盐水第三章凝聚与凝聚例题1 .设定已知的K=5.1410-5、G=30s-1。 凝聚后，使水中的粒子数浓度减少到3/4，即n0/nM=4，用理想的反应器尝试了以下计算1 )采用pf型反应器所需的凝集时间是多少分钟？采用CSTR反应器(如机械搅拌絮凝槽)所需的絮凝时间是多少分钟？3 )串联使用4个CSTR型反应器所需的锁定时间是多少分钟解：公式详情请参阅本P74式3-41、42、431 )代入问题中的数据时，=ln4/(5.1410-530)=899s=15min2 )将问题中的数据代入=(4-1)/(5.1410-530 )=1946 s=32m in3 )将问题中的数据代入=(41/4-1)/(5.1410-530)=269s总凝聚时间=4=4269=1076s=18min由此可知，推进型絮凝池的絮凝效果优于单一的机械絮凝池，但串联连接4个机械絮凝池时，絮凝效果接近推进型絮凝池。2 .某地表水源总碱度为0.2mmol/L。 市售精制硫酸铝(包括Al2O3在内约16% )的投入量为28mg/L。 对石灰(市售品纯度为50% )的投入量为多少mg/L进行了估算。解：由于剂量换算成Al2O3为28mg/L16%=4.48mg/L、Al2O3的分子量为102，因此，剂量相当于4.48/102=0.044 mmol/L，其馀的碱度为0.37 mmol/L时，得到如下结果CaO=30.044-0.2 0.37=0.3 mmol/L以CaO分子量56计，市售石灰给药量为0.356/0.5=33 mg/L。3 .某往复式分离絮凝池的设计流量为75000m3/d，絮凝时间为20min，与平流沉淀池的宽度和深度、絮凝池的宽度22m、平均水深2.8m一致。 设计每条廊道的宽度，并尝试计算絮凝池的长度。解答：1 )絮凝池的净长度设计流量q=75000 * 1.06/24=3312.5 m3/h=0.92 m3/s (水厂用水量为6% )絮凝池的净长度l=Qt/BH=3312.5 * 20/(22 * 2.8 * 60 )=17.92 m2 )廊道宽度设计絮凝池的始端流速为0.55m/s，终端流速为0.25 m/s。 首先，从结束的流速和平均水深计算出开始的道路宽度，然后根据流速减少的原则，决定道路段数和各段的道路宽度。起始端廊道宽度b=q/HV=0.92/(2.8 * 0.55 )=0.597 m0.6m末端廊道宽度b=Q/Hv=0.92/(2.8*0.25)=1.3m廊道宽度分为四个区段，每个区段如下表所示。廊道宽度和流速的计算表廊道区段编号1234每段的道路宽度(m)0.60.81.01.3各段的廊道流速(m/s )为0.550.410.330.25各段廊道数6554各段廊道的总净宽度(m )为m)3.6455.2四段廊道宽度之和b=3.6 4 5 5.2=17.8m若取隔板厚度=0.1m、共计19片隔板，则絮凝池的全长l如下所示L=17.8 19*0.1=19.7m米计算分离絮凝池的水头损失和速度梯度，可以根据上表的相关数据按式求出。思考问题和练习问题凝聚：水中胶体颗粒和微悬浮物的凝聚过程称为凝聚，是凝聚和凝聚的总称。凝聚：胶体稳定，生成微小凝聚体的过程。絮凝物：脱稳定胶体或微悬浮物凝聚形成大絮凝物的过程。凝聚过程与水中胶体的性质有关凝聚剂在水中的水解胶体与凝聚剂的相互作用。1 .胶体稳定性是什么？胶体稳定性是胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。2 .胶体的凝聚机制。胶体凝聚机理包括压缩电双层作用、吸附电中和作用、吸附交联作用、网捕集缠绕扫描作用4个方面。压缩双电层作用：水中胶体粒子通常带负电荷，胶体粒子彼此排斥而稳定，如果加入含有高价正电荷离子的电解质，则高价正离子因静电引力进入胶体粒子表面，被原来的廉价正离子置换，在双电层中保持电中性，但正离子的数量减少，双电层的厚度电位下降到某个数值(临界电位k )，胶体粒子的总电势曲线上的电势势垒中Emax=0时，胶体粒子发生凝聚作用。吸附-电中和作用：胶体粒子表面吸附异常离子、异常胶体粒子或具有异常电荷的高分子，中和胶体粒子自身所具有的电荷的一部分，减少胶体粒子间的静电排斥力，使胶体更容易凝聚。 该吸附作用的驱动力，静电引力、氢键、配位键、范德华力等，具体地说什么样的作用是主要的驱动力，由胶体特性和被吸附物质自身的构造决定。吸附-交联作用：不带电，具有异号电荷，而且与凝胶粒子具有同性电荷的高分子物质在范德华引力、共价键、氢键等物理化学作用下，与凝胶粒子有吸附作用。高分子链的一端的胶体粒子吸附后，另一端吸附另一胶体粒子，形成“胶体粒子高分子胶体粒子”的絮凝物。 在这里，高分子是胶体粒子和胶体粒子之间的桥梁，因此被称为吸附交联作用。网络捕获：卷扫描：铝(铁)盐凝集剂的投入量多，形成大量的氢氧化物沉淀后，就像多孔质的网一