水质工程学作业及参考答案

水质工程学作业及参考答案一、作业题目（一）选择题1.以下哪种不属于水中常见的杂质类型（）A.悬浮物质B.胶体物质C.溶解物质D.气态物质2.水中悬浮颗粒在重力作用下的沉淀类型不包括（）A.自由沉淀B.絮凝沉淀C.拥挤沉淀D.压缩沉淀E.气浮沉淀3.以下关于混凝剂的说法错误的是（）A.硫酸铝是常用的混凝剂之一B.聚合氯化铝的混凝效果优于硫酸铝C.混凝剂投加量越多，混凝效果越好D.混凝剂的选择需考虑水质等因素4.过滤过程中，起主要过滤作用的是（）A.滤料B.滤层表面形成的滤膜C.过滤设备D.水流速度5.以下哪种消毒方法不会产生消毒副产物（）A.氯气消毒B.二氧化氯消毒C.紫外线消毒D.臭氧消毒

（二）简答题1.简述水中杂质的来源及分类。2.说明自由沉淀、絮凝沉淀和拥挤沉淀的特点及适用情况。3.阐述混凝的基本原理。4.分析过滤的作用及影响过滤效果的因素。5.简述常用消毒方法及其优缺点。

（三）计算题1.某水厂处理水量为10000m³/d，原水悬浮颗粒浓度为30mg/L，要求出水悬浮颗粒浓度不超过5mg/L。采用平流式沉淀池，沉淀池长50m，宽10m，深3m。已知悬浮颗粒的沉速为0.3mm/s，试计算该沉淀池的表面负荷和沉淀时间，并判断该沉淀池是否能满足处理要求。2.某水样采用硫酸铝作为混凝剂进行处理，投加量为20mg/L。已知硫酸铝的水解反应式为：Al₂(SO₄)₃+6H₂O⇌2Al(OH)₃+3H₂SO₄。若原水碱度为100mg/L（以CaCO₃计），计算混凝过程中消耗的碱度以及剩余碱度。

二、参考答案

（一）选择题1.答案：D解析：水中常见杂质类型包括悬浮物质、胶体物质和溶解物质，气态物质不属于常见杂质类型。2.答案：E解析：水中悬浮颗粒在重力作用下的沉淀类型有自由沉淀、絮凝沉淀、拥挤沉淀和压缩沉淀，气浮沉淀不属于重力沉淀类型。3.答案：C解析：混凝剂投加量存在最佳值，并非越多越好，过多投加可能导致成本增加、水质恶化等问题。4.答案：B解析：过滤过程中，滤层表面形成的滤膜起主要过滤作用，它截留了水中的杂质。5.答案：C解析：紫外线消毒是通过紫外线照射破坏微生物的DNA结构来达到消毒目的，不会产生消毒副产物；而氯气消毒、二氧化氯消毒和臭氧消毒在消毒过程中可能会与水中有机物反应产生消毒副产物。

（二）简答题1.水中杂质的来源及分类来源：自然过程：如降雨、径流冲刷地面，将土壤颗粒、矿物质等带入水体；河流、湖泊、海洋中的生物代谢产物、死亡残骸等也会成为水中杂质的来源。人类活动：工业废水排放，含有大量的重金属、有机物、酸碱等污染物；生活污水排放，包含粪便、洗涤剂、食物残渣等；农业面源污染，如农药、化肥的流失等。分类：悬浮物质：粒径大于100nm的杂质，如砂、黏土、藻类、细菌等，在水中呈悬浮状态，可通过沉淀、过滤等方法去除。胶体物质：粒径在1100nm之间的杂质，如硅胶、腐殖质等，具有较大的比表面积，能吸附大量离子，稳定性较高，通常需通过混凝等方法去除。溶解物质：粒径小于1nm的杂质，以分子或离子状态存在于水中，如各种盐类、气体、有机物等，需通过离子交换、膜分离等深度处理方法去除。2.自由沉淀、絮凝沉淀和拥挤沉淀的特点及适用情况自由沉淀：特点：悬浮颗粒浓度不高，颗粒之间互不干扰，各自独立完成沉淀过程，沉淀过程中颗粒的形状、大小、密度等不变，沉淀速度恒定。适用情况：主要用于沉淀初期，如原水进入沉淀池的初始阶段，以及处理杂质浓度较低的水样。絮凝沉淀：特点：悬浮颗粒浓度适中，颗粒在沉淀过程中相互碰撞、凝聚，粒径逐渐增大，沉淀速度加快。适用情况：常用于混凝沉淀工艺中，在混凝剂作用下，细小的悬浮颗粒和胶体颗粒发生絮凝，然后进行沉淀分离。拥挤沉淀：特点：悬浮颗粒浓度较高，颗粒之间相互拥挤，沉淀过程中颗粒的沉淀受到周围颗粒的影响，沉淀速度随深度增加而减小，最终形成压缩层。适用情况：常见于污泥浓缩池等，当污泥浓度较高时，污泥的沉淀过程为拥挤沉淀。3.混凝的基本原理混凝是通过向水中投加混凝剂，使水中细小的悬浮颗粒和胶体颗粒凝聚成较大的颗粒，从而易于沉淀分离的过程。其基本原理包括：压缩双电层作用：混凝剂水解产生的高价阳离子，中和了胶体颗粒表面的电荷，使胶体颗粒的双电层厚度减小，电位降低，颗粒间的排斥力减弱，从而易于相互靠近凝聚。吸附架桥作用：混凝剂水解产物具有线性结构，能吸附在多个胶体颗粒表面，通过"架桥"作用将颗粒连接在一起，形成粗大的絮凝体。网捕作用：混凝剂水解产生的沉淀物在自身沉降过程中，能网捕、卷带水中的胶体颗粒和悬浮颗粒，一起沉淀下来。4.过滤的作用及影响过滤效果的因素过滤的作用：进一步去除水中的悬浮杂质，使水的浊度降低，提高水质的清澈度。去除水中部分细菌、病毒等微生物，对水起到一定的消毒作用。去除水中的有机物、胶体等杂质，降低水的色度和臭味。影响过滤效果的因素：滤料性质：滤料的粒径、均匀度、孔隙率、密度等影响过滤效果。粒径适中、均匀度好、孔隙率高的滤料过滤效果较好。滤速：滤速过高会导致杂质穿透滤层，影响过滤效果；滤速过低则会降低过滤效率。水头损失：随着过滤的进行，滤层中杂质逐渐增多，水头损失不断增大，当水头损失达到一定程度时，需要进行反冲洗。原水水质：原水的浊度、悬浮物浓度、有机物含量等会影响过滤效果，水质较差时过滤难度增大。反冲洗：反冲洗的强度、时间等参数对过滤效果有重要影响，合理的反冲洗能恢复滤层的过滤性能。5.常用消毒方法及其优缺点氯气消毒：优点：具有较强的杀菌能力，消毒效果可靠；成本较低；使用方便，易于操作管理。缺点：会与水中有机物反应产生消毒副产物，如三卤甲烷等，对人体健康有潜在危害；对某些病毒、芽孢的消毒效果较差。二氧化氯消毒：优点：消毒效果好，能有效杀灭各种细菌、病毒、芽孢等；不产生三卤甲烷等消毒副产物，安全性较高。缺点：制取成本较高；二氧化氯气体具有一定毒性，需注意安全操作。紫外线消毒：优点：消毒速度快，效率高；不产生消毒副产物；设备操作简单，占地面积小。缺点：无持续消毒作用，对水中杂质、浊度要求较高；灯管寿命有限，运行成本较高。臭氧消毒：优点：消毒能力强，能快速杀灭微生物；氧化分解有机物能力强，可降低水的色度和臭味；不产生消毒副产物。缺点：制取成本高；无持续消毒作用；臭氧气体有毒，需严格控制操作条件。

（三）计算题1.（1）计算表面负荷已知处理水量\(Q=10000m³/d=10000\div24\div3600m³/s\)，沉淀池面积\(A=50×10m²=500m²\)。表面负荷\(q=Q/A=(10000\div24\div3600)\div500=0.023m³/(m²·s)\)。

（2）计算沉淀时间已知悬浮颗粒沉速\(u=0.3mm/s=0.0003m/s\)，沉淀池水深\(H=3m\)。沉淀时间\(t=H/u=3\div0.0003=10000s=2.78h\)。

（3）判断是否满足处理要求原水悬浮颗粒浓度\(C_0=30mg/L\)，要求出水悬浮颗粒浓度\(C=5mg/L\)。理论沉淀效率\(\eta=(C_0C)/C_0×100\%=(305)/30×100\%=83.3\%\)。实际沉淀效率\(\eta_{实际}=q/u=0.023\div0.0003=76.7\%\)。由于\(\eta_{实际}<\eta\)，所以该沉淀池不能完全满足处理要求。

2.（1）计算消耗的碱度硫酸铝投加量为\(20mg/L\)，换算成物质的量浓度\(C_{Al₂(SO₄)₃}=(20×10^{3}\div342)mol/L\)。根据水解反应式，消耗的碱度\(n_{碱度}=6×C_{Al₂(SO₄)₃}\)。已知原水碱度为\(100mg/L\)（以\(CaCO₃\)计），换算成物质的量浓度\(C_{CaCO₃}=(100×10^{3}\div100)mol/L\)。消耗的碱度以\(CaCO₃\)计的浓度\(C_{消耗}=n_{碱度}