水质工程学(上)答案

14章4．反应器原理用于水处理有何作用和特点？答：作用：推动了水处理工艺发展；特点：在化工生产中，反应器都只作为化学反应设备来独立研究，但在水处理中，含义较广泛，许多水处理设备与池子都可作为反应器来进行分析研究，包括化学反应、生物化学反应以至纯物理过程等。例：沉淀池。5.试举出3种质量传递机理的实例。答：质量传递包括主流传递、分子扩散传递、紊流扩散传递。主流传递：在平流池中，物质将随水流作水平迁移。物质在水平方向的浓度变化，是由主流迁移和化学引起的。分子扩散传递：在静止或作层流运动的液体中，存在浓度梯度的话，高浓度区内的组分总是向低浓度区迁移，最终趋于平均分布状态，浓度梯度消失。如平流池等。紊流扩散传递：在绝大多数情况下，水流往往处于紊流状态。水处理构筑物中绝大部分都是紊流扩散。6.（1）完全混合间歇式反应器（CMB）不存在由物质迁移而导致的物质输入和输出，且假定是在恒温下操作（2）完全混合连续式反应器（CSTR）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，输出的产物其浓度和成分与反应器内的物料相同(3)推流型反应器（PF）反应器内的物料仅以相同流速平行流动，而无扩散作用，这种流型唯一的质量传递就是平行流动的主流传递答:在水处理方面引入反应器理论推动了水处理工艺发展。在化工生产过程中，反应器只作为化学反应设备来独立研究，但在水处理中，含义较广泛。许多水处理设备与池子都可作为反应器来进行分析研究，包括化学反应、生物化学反应以至物理过程等。例如，氯化消毒池，除铁、除锰滤池、生物滤池、絮凝池、沉淀池等等，甚至一段河流自净过程都可应用反应器原理和方法进行分析、研究。介绍反应器概念，目的就是提供一种分析研究水处理工艺设备的方法和思路。7.为什么串联的CSTR型反应器比同容积的单个CSTR型反应器效果好？答：因为使用多个体积相等的CSTR型反应器串联，则第二只反应器的输入物料浓度即为第一只反应器的输出物料浓度，串联的反应器数愈多，所需反应时间愈短，理论上，当串联的反应器数N趋近无穷时，所需反应时间将趋近于CMB型和PF型的反应时间。8.混合与返混在概念上有什么区别？返混是如何造成的？答：区别是：返混又称逆向混合。广义地说，泛指不同时间进入系统的物料之间的混合，包括物料逆流动方向的流动。造成返混的原因主要是环流，对流，短流，流速不均匀，设备中存在死角以及物质扩散等。例如：环流和由湍流和分子扩散所造成的轴向混合，及由不均匀的速度分布所造成的短路、停滞区或“死区”、沟流等使物料在系统中的停留时间有差异的所有因素。9.PF型和CMB型反应器为什么效果相同？两者优缺点比较。答：在推流型反应器的起端（或开始阶段），物料是在C0的高浓度下进行的，反应速度很快。沿着液流方向，随着流程增加（或反应时间的延续），物料浓度逐渐降低，反应速度也随之逐渐减小。这跟间歇式反应器的反应过程是一样的。推流型反应器优于间歇式反应器的在于：间歇式反应器除了反应时间以外，还需考虑投料和卸料时间，而推流型反应器为连续操作。1.在实验室内作氯消毒试验。已知细菌被灭活速率为一级反应，且k=。求细菌被灭99.5%时，所需消毒时间为多少分钟？解答：,0.005细菌被灭速率等于活细菌减少速率，=-k﹒=-0.85,t=×(-5.29)≈6.22习题2设物料i分别通过CSTR与PF反应器进行反应过后，进水与排水中i浓度之比均为C0/Ce=10，且属于一级反应。K=2h。求水流在CSTR与PF型反应期各需要停留多少时间。（注：C0——进水i初始浓度；Ce——出水浓度）解：CSTR型反应器反应时间=; PF型反应器反应时间t2=有题意可以得出，所以总时间T=t1+t2=h。所以得出在CSTR中需要4.5h，在PF需要0.5h。题3中若采用4只CSTR型反应器串联，其余条件同上。求串联后水流总停留时间为多少？解：t=2.35minT=4t=4*2.35=9.4min 综上所述串联后水流总停留时间为9.4min15章2、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。答：压缩双电层机理：由胶体粒子的双电层结构可知，反离子的浓度在胶粒表面处最大，并沿着胶粒表面向外的距离呈递减分布,最终与溶液中离子浓度相等。当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高，则扩散层的厚度减小。该过程的实质是加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。

由于扩散层厚度的减小，电位相应降低，因此胶粒间的相互排斥力也减少。另一方面，由于扩散层减薄，它们相撞时的距离也减少，因此相互间的吸引力相应变大。从而其排斥力与吸第一格=78第二格=第三格=20=设原水悬浮物体积浓度。假定悬浮颗粒粒径均匀，有效碰撞系数=1，水温按15°C计。设计流量Q=360.。搅拌功率p=195W.试求：（1）絮凝池按PF型反应器考虑，经15min絮凝后，水中颗粒浓度将减低百分之几？（2）采用3座同体积机械絮凝池串联（机械絮凝池按CSTR型反应器考虑），絮凝池总体积与（1）相同。搅拌总功率仍为195W，设3座絮凝池搅拌功率分别为：=100W，，试问颗粒浓度最后减低百分之几？解：，V=QT=360×0.25=90，。下降了1-1÷12.18=91.8%（2)平均值=15.3采用CSTR反应器并用3个串联按公式（14—11）得：带入数字得=6.61484.88%何谓胶体稳定性？试用胶粒间相互作用势能曲线说明胶体稳定性的原因。胶体的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。致使胶体粒子稳定性的主要原因是粒子的布朗运动、胶体粒子间同性电荷的静电斥力和颗粒表面的水化作用。胶体稳定性分为动力学稳定和聚集性稳定两种；如图：将排斥势能ER与吸引势能EA相加可得到总势能E。图（b）中，当x＝ob时存在最大值Emax，称为排斥能峰；当x＜oa或x＞oc时，吸引势能占优势，两胶粒可相互吸引；不过当x〉oc时存在着排斥能峰这一屏障，两胶粒仍无法靠近。当oa＜x＜ob时，排斥势能占优势，且存在排斥能峰，两胶粒相互排斥。因此，只有x＜oa时，吸引势能EA随x减小而急剧增大，两胶粒才会发生凝聚。如果布朗运动的动能EB＞Emax，两胶粒之间就可通过布朗运动克服排斥能峰而碰撞凝聚。但是天然水中胶体布朗运动的动能EB＜＜Emax，于是胶体长期处于分散稳定状态。17章第9题滤料承托层有何作用？粒径级配和厚度如何考虑？答：滤料承托层的作用，主要是防止滤料从配水系统中流失，同时对均布冲洗水也有一定作用。单层或双层滤料滤池采用大阻力配水系统时，承托层采用天然卵石或砾石；三层滤料滤池，由于下层滤料粒径小而重量大，承托层必须与之相适应，即上层采用重质矿石，以免反冲洗移动；为了防止反冲洗时承托层移动，美国也有采用“粗-细-粗”的砾石分层方式，上层粗砾石用以防止中层细砾石向上移动，中层细砾石用以防止砂滤料流失，下层粗砾石则用以支撑中层细砾石。具体粒径级配和厚度，应根据配水系统类型和滤料级配确定。10、滤池反冲洗强度和滤层膨胀度之间关系如何？答：膨胀度与冲洗强度的关系：冲洗流速在最小流态化速度之前，e随L增大而成曲线增大；当冲洗流速在最小流态化速度之后，e随L成直线增长趋势。14题、答：1.“大阻力”配水系统中孔口阻力大，优点是配水均匀性好，缺点是结构复杂，孔口水头损失大，冲洗时动力消耗大，管道易结垢，检修困难。“小阻力”配水系统中的孔口阻力小，优缺点与“大阻力”相反，对于冲洗水头优先的虹吸滤池和无阀滤池适用。2.S1为配水系统内的水力阻抗，S2为配水孔眼的水力阻抗，S3为承托层的水力阻抗，q1为第一线路的流量，q2为第二条线路的流量。由于反冲洗水在配水系统内所走的路程不同,故反冲洗水在池中分布的均匀程度，常以池中反冲洗强度的最小值和最大值的比值来表示，并要求此比值不小于0.9∽0.95，即qmin/qmax≥0.9∽0.95加大配水孔眼的水力阻抗S2，使S1和S2相比甚小，式中阻抗比能趋近于1，从而使得两条线路的流量比也趋近于1，适当选择S2的值，就能满足qmin/qmax≥0.9∽0.95的要求，按这原理设计的配水系统即为大阻力配水。3.的推导Qa=μω(2gHa)1/2Qc=μω(2gHc)1/2Qa/Qc=(Ha/Hc)1/2要求配水均匀性Qa/Qc≥0.95得：Ha≥9(v02+va2)/2g─①Ha=(qF×10-3/μf)2/2g─②v0=qF×10-3/ω0─③va=qF×10-3/nωa─④将②③④代入①即为（令μ=0.62）q:冲洗强度F:滤池面积f:配水系统孔口总面积μ：孔口流量系数g:重力加速度ω0:干管截面积ωa:支管截面积n:支管根数Ha:支管a点压头15.小阻力配水系有哪些形式？选用时主要考虑哪些因素？答：配水系有钢筋混凝土穿孔板、穿孔滤砖、滤头等形式。主要考虑因素有流速、阻力、配水系统造价等因素。20.无阀滤池虹吸上升管中的水位变化是如何引起的?虹吸辅助管管口和出水堰口标高差表示什么？答：无阀滤池虹吸上升管中的水位变化是由于随着过滤时间的延续，滤料层水头损失逐渐增加，虹吸上升管中水位相应逐渐升高，管内原存空气受到压缩，一部分空气将从虹吸下降管出口堰穿过水封进入大气，当水位上升到虹吸辅助管的管口时，水从辅助管流下，依靠下降水流在管中形成的真空和水流的挟气作用，抽气管不断将虹吸管中的空气排出，使真空逐渐增大。虹吸辅助管管口和出水堰口标高差表示终期允许水头损失H。21.无阀滤池反冲洗时，冲洗水箱内水位和排水水封井上堰口水位之差表示什么？若有地形可以利用，降低水封井堰口标高有何作用？答：无阀滤池反冲洗时，冲洗水箱内水位和排水水封井上堰口水位之差表示冲洗水头，亦即虹吸水位差。在有地形可以利用的情况下（如丘陵、山地），降低排水水封井堰口标高以增加可资利用的冲洗水头。题目22．为什么无伐滤池通常采用2格或3格滤池合用1个冲洗水箱？合用冲洗水箱的滤池格数过多对反冲洗有何影响？答：（1）当冲洗水头大于平均冲洗水头时，整个滤层将全部膨胀起来。若冲洗水箱水深H较大时，在冲洗初期的最大冲洗水头下，有可能将上层部分细滤料冲出滤池。当冲洗水头笑语平均冲洗水头时，下层部分粗滤料将下沉而不再悬浮。因此，采用2格或3格滤池合用1个冲洗水箱减小冲洗水箱水深，可减小冲洗强度的不均匀程度，从而避免上述现象的发生。合用一个冲洗水箱的滤池数愈多，冲洗水箱深度愈小，滤池总高度得以降低。这样，不仅降低造价，也有利于与滤前处理构筑物在高程上的衔接。冲洗强度的不均匀性也可减小。（2）一般，合用冲洗水箱的滤池数n=2-3，而以2格合用冲洗水箱者居多。因为合用冲洗水箱滤池数过多时，将会造成不正常冲洗现象。例如，某一格滤池的冲洗将结束时，虹吸破坏管刚露出水面，由于其余格数滤池不断向冲洗水箱大量供水，管口很快又被水封，致使虹吸破坏不彻底，造成该格滤池时断时续的不停冲洗。思考题28所谓V型池，其主要特点是是什么？答：V型池是因双侧（或一侧也可）进水槽设计成V型而得名，其主要特点是：（1）：可采用较粗滤料较厚滤层以增加过滤周期。由于反冲洗滤层不膨胀，故整个滤层在深度方向粒径分布均匀，不发生水力分级现象。即所谓“均质滤料”，使滤层含污能力提高。一般采用沙滤料，有效粒径的d10=0.95~1.50mm，不均匀系数K60=（1）2~1.5，滤层厚约0.95~1.5m。（2）气水反冲再加始终存在的横向表面扫洗，冲洗效果好，冲洗水量太大减少。5.设滤池平面尺寸为5.4m（长）×4m（宽）。滤层厚70cm。冲洗强度（长）×4m（宽）。滤层厚70cm。冲洗强度q=14L/(s·m2)，滤层膨胀度，滤层膨胀度e=40%。采用3条排水槽，槽长4m，中心距为1.8m。求：（1）.标准排水槽断面尺寸（2）.排水槽顶距砂面高度（3）.校核排水槽在水平面上总面积是否符合设计要求解：（1）.采用3条排水槽，则槽长:L=B=4m中心距=5.4÷3=1.8m每槽排水流量:x=0.45Q0.4=0.45×0.1010.4≈0.18m冲洗排水槽断面如图：求断面模数：x=0.45Q0.4=0.45×0.1010.4≈0.18m2x=2×0.18=0.36冲洗排水槽底厚采用，保护高0.07m，则槽顶距砂面高度H=e·H2+2.5x+δ+0.07=0.4.×0.7+2.5×0.18+0.05+0.07=0.85m校核冲洗排水槽总面积与滤池面积之比：3×l×2x÷F=3×4×2×0.18÷（5.4×4）=0.2=20%＜25%满足要求1.为什么粒径小于滤层中孔隙尺寸的杂质颗粒会被滤层拦截下来？答：悬浮颗粒必须经过迁移和粘附两个过程才能完成去除的过程。迁移：包括沉淀、扩散、惯性、截阻和水动力效应等5种基本作用。粘附：包括范德华引力、静电力以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用、絮凝颗粒间的架桥作用等作用。粒径小于滤层中孔隙尺寸的杂质颗粒迁移到滤料表面时，主要通过粘附作用，即在范德华引力、静电力、某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用下，被滤层拦截。而粘附作用主要取决于滤料和水中颗粒表面的物理化学性质，而与粒径尺寸大小无关。迁移：1、截阻作用：悬浮物沿流线运动，与滤料表面接触时被俘获。2、惯性作用：颗粒具有自身的惯性力而脱离流线，到达滤料颗粒表面。3、沉淀作用：水流通过砂滤料层相当于经过无数微型沉淀池。4、扩散作用：悬浮颗粒物存在浓度梯度，使颗粒物扩散到滤料颗粒表面被俘获。5、水动力效应作用：水流经过砂滤层具有速度梯度G值，使颗粒发生转动而脱离流线。粘附：粘附作用是一种物理化学作用。当水中颗粒迁移到滤料颗粒表面时，在范德华引力、静电力、某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用下，被粘附在滤料颗粒表面上，或者粘附在滤料颗粒表面上原先粘附的颗粒上。因此，粘附作用主要取决于滤料和水中颗粒表面的物理化学性质，而无需增大颗粒尺寸。第5题1等速过滤：保持滤池进水流量不变，即滤速保持不变，则水头损失增大，这叫等速（恒速）过滤。变水头等速过滤,“等速（恒速）过滤”实际上就是保持滤池流量Q不变，而水头H随滤层孔隙率减小而增加，虹吸滤池和无阀滤池就是按“等速过滤”工作的。“等速”过滤，砂滤层缝隙的流速实际上是增大的，水流剪力也不断增大，从而引起杂质颗粒的脱落和不粘附，所以水质较差，但缩短了过滤周期。2变速过滤：水头损失保持不变，则滤速减小，这叫变速（减速）过滤。变速过滤,滤速随时间而逐渐减小的过滤过程称“变速过滤”或“减速过滤”。普通快滤池及移动冲洗罩滤池即属于变速过滤的滤池。“减速”过滤，过滤初期滤速较大可使悬浮质深入下层滤料；过滤后期滤速减小（但砂层缝隙中的滤速减小要缓慢得多），可防止颗粒穿透滤层，所以产水量较大，水质较好，过滤周期较长。6.什么叫负水头?他对冲洗合过滤有何影响?如何避免滤层中负水头产生?答：“负水头”是指滤层截留了大量杂质以致砂面以下某一深度处的水头损失超过该处水深。负水头会导致溶解于水中的气体释放出来而形成气囊。气囊对过滤有破坏作用，一是减少了过滤面积，使过滤时的水头损失及滤层中孔隙流速增加，严重时会影响滤后水质；二是气囊的上升可能将部分细滤料和轻质滤料带出，破坏滤层结构。反冲洗时，气囊更易将滤料带出滤池。避免出现负水头的方法可以采用增加砂面上的水深，或令滤池出口位置等于或高于滤层表面。7.什么叫滤料“有效粒径”和“不均匀系数”？不均匀系数过大对于过滤和反冲洗有何影响？“均质滤料“的涵义是什么？答：有效离径是指的是滤料经筛分后，小于总重量10%的滤料颗粒粒径。“不均匀系数”是指的是滤料经筛分后，小于总重量80%的滤料颗粒粒径与有效粒径之比。不均匀系数过大对于过滤和反冲洗的影响是“过大导致滤层孔隙率小，含污能力低，从而导致过滤时滤池工作周期缩短；反冲洗时，若满足细颗粒膨胀要求，粗颗粒将得不到很好清洗。料有效粒径（d10）是指通过滤料重量10%的筛孔孔径，滤料不均匀系数（K80）是指通过滤料重量80%的筛孔孔径。滤料不均匀系数过大，过滤时滤层含污能力减小；反冲洗时，为满足粗颗粒膨胀要求，细颗粒可能被冲出滤池，若满足细颗粒膨胀要求，粗颗粒可能得不到很好的冲洗。均质滤料是指滤料均匀，K80等于1。习题4.解:要配水均匀性达到95%以上，即QaQc>=0.95Ha≥9（v2o+v2a）/2g=9（12+22）/（2×9.8）而根据式17-30及17-33，将式17-33代入式17-30得：Ha=（v/μ）2/2g=（3/0.62）2/（2×9.8）=1.2<2.3故该配水系统的配水均匀性不能达到95%以上。18章2、什么叫自由性氯？什么叫化合性氯？两者消毒效果有何区别？简述两者消毒原理。答：各种物质介绍见下表：名称自由性氯化合性氯定义以次氯酸，次氯酸盐离子和溶解的单质氯形式存在的氯以氯胺和有机氯胺形式存在的总氯的一部分消毒机理主要是次氯酸起作用，它为中性分子，能扩散到带负电的细菌表面，并通过细胞的细胞壁穿透到细胞内部，起到氧化作用破坏细胞的酶系统而杀死细胞它使微生物的酶被氧化失效，破坏微生物正常的新陈代谢，从而使微生物死亡。消毒效果经济有效，有后续消毒效果，技术成熟；有消毒副产物当水中存在有机物和苯酚时，氯胺消毒不会产生氯臭和氯酚臭，且大大减少THMs的生成，能较长时间保持水中余氯。但是，消毒作用缓慢。杀菌能力差什么叫折点加氯？出现折点的原因是什么？折点加氯有何利弊？

答：（1）当水中存在有机物且有机物主要是氨和氮化合物时，水中起始需氯量满足后，加氯量增加，剩余氯也增加，当继续加氯时，虽然加氯量增加，余氯量反而下降，随着加氯量的进一步增加，剩余氯又上升了。这就称为折点加氯。

1区：无余氯，消毒效果不可靠；

2区：氯与氨反应，有余氯的存在，所以有一定的消毒效果，但是主要是化合性氯，主要是NH2Cl；

3区：2NH2Cl+HOCl

N2

+HCl+H2O，有效氯减少，NH2Cl被氧化成没有消毒作用的化合物，最后到达折点B；4区：胺与HOCl反应完，自由性余氯增加。

出现折点加氯的原因是：水中存在氨和氮的化合物

（3）折点加氯的利弊：当原水受到严重污染，一般的加氯量，不能解决问题时，采用折点加氯可取得明显的效果，它能降低水的色度，去除恶臭，降低水中有机物的含量，能提高混凝效果。但是，当发现水中有机物能与氯生成THMs后，折点加氯来处理水源水引起人们担心，因