《环境工程原理》典型课后习题答案及解析

《环境工程原理》典型课后习题答案及解析第一章物料与能量平衡（核心基础）习题1：废水处理系统物料衡算题目：某印染废水处理站采用混凝沉淀工艺，原水流量为800m³/d，COD浓度为1200mg/L。处理后出水COD浓度降至150mg/L，产生的污泥中COD含量为进水COD总量的5%（以干重计）。忽略处理过程中COD的挥发损失，计算每日去除的COD量、污泥中COD的每日排放量及COD去除效率。答案解析核心公式：物料衡算基本原理——进入系统的物料总量=离开系统的物料总量（含处理后出水及污泥）计算步骤：（1）进水COD总量：m_{\text{进}}=Q\timesC_{\text{进}}=800\,\text{m}^3/\text{d}\times1200\,\text{mg/L}\times1000\,\text{L/m}^3\times10^{-6}\,\text{kg/mg}=960\,\text{kg/d}（2）出水COD总量：m_{\text{出}}=Q\timesC_{\text{出}}=800\,\text{m}^3/\text{d}\times150\,\text{mg/L}\times1000\,\text{L/m}^3\times10^{-6}\,\text{kg/mg}=120\,\text{kg/d}（3）每日去除的COD量：m_{\text{去除}}=m_{\text{进}}-m_{\text{出}}=960-120=840\,\text{kg/d}（4）污泥中COD排放量：m_{\text{污泥}}=m_{\text{进}}\times5\%=960\times0.05=48\,\text{kg/d}（5）COD去除效率：\eta=\frac{m_{\text{去除}}}{m_{\text{进}}}\times100\%=\frac{840}{960}\times100\%=87.5\%关键思路：忽略挥发损失时，去除的COD仅通过“出水残留”和“污泥富集”两种途径转移，需明确物料衡算边界（整个混凝沉淀系统）。第二章流体流动与输送习题2：管道阻力计算题目：某废水输送管道采用DN100（内径95mm）的无缝钢管，输送流量为50m³/h，废水温度为20℃（密度1000kg/m³，黏度1.005×10⁻³Pa・s）。管道长度为800m，含3个90°标准弯头（局部阻力系数ξ=0.75）、1个闸阀（全开，ξ=0.17）。计算管道的沿程阻力损失、局部阻力损失及总阻力损失。答案解析核心公式：沿程阻力损失：h_f=\lambda\frac{l}{d}\frac{u^2}{2g}局部阻力损失：h_j=\sum\xi\frac{u^2}{2g}雷诺数：Re=\frac{\rhoud}{\mu}（判断流态）计算步骤：（1）管内流速：u=\frac{Q}{A}=\frac{50/3600}{\frac{\pi}{4}\times(0.095)^2}\approx1.99\,\text{m/s}（2）雷诺数：Re=\frac{1000\times1.99\times0.095}{1.005\times10^{-3}}\approx1.88\times10^5>4000（湍流）（3）沿程阻力系数（钢管相对粗糙度ε/d≈0.001，查莫迪图得λ≈0.022）：h_f=0.022\times\frac{800}{0.095}\times\frac{1.99^2}{2\times9.81}\approx377.6\,\text{m}（4）局部阻力系数总和：\sum\xi=3\times0.75+0.17=2.42（5）局部阻力损失：h_j=2.42\times\frac{1.99^2}{2\times9.81}\approx0.49\,\text{m}（6）总阻力损失：h_{\text{总}}=h_f+h_j=377.6+0.49=378.09\,\text{m}关键思路：湍流状态下需通过相对粗糙度和雷诺数确定沿程阻力系数，局部阻力需汇总所有管件的阻力系数。第三章分离过程（沉淀与过滤）习题3：平流式沉淀池设计计算题目：设计一座平流式沉淀池处理生活污水，设计流量为1500m³/d，设计表面负荷为1.2m³/(m²・h)，有效水深为2.5m，水平流速为10mm/s。计算沉淀池的表面积、长度、宽度及停留时间。答案解析核心公式：表面积：A=\frac{Q}{q_0}（q_0为表面负荷）停留时间：t=\frac{H}{q_0}（或t=\frac{L}{u}）计算步骤：（1）设计流量换算：Q=1500/24=62.5\,\text{m}^3/\text{h}（2）沉淀池表面积：A=\frac{62.5}{1.2}\approx52.08\,\text{m}^2（3）沉淀池长度（水平流速u=10\,\text{mm/s}=36\,\text{m/h}）：L=u\timest=u\times\frac{H}{q_0}=36\times\frac{2.5}{1.2}=75\,\text{m}（4）沉淀池宽度：B=\frac{A}{L}=\frac{52.08}{75}\approx0.69\,\text{m}（实际工程中宽度需取整数，此处按理论计算）（5）停留时间：t=\frac{H}{q_0}=\frac{2.5}{1.2}\approx2.08\,\text{h}关键思路：表面负荷是沉淀池设计的核心参数，需满足“水平流速与颗粒沉降速度匹配”，停留时间需结合有效水深和表面负荷双重验证。第四章传质过程（吸附）习题4：活性炭吸附容量计算题目：采用活性炭吸附处理含酚废水，取100mL废水（酚浓度200mg/L），加入0.5g活性炭，平衡后溶液中酚浓度降至20mg/L。计算活性炭的平衡吸附容量（以mg/g计），若处理水量为10m³/h，要求酚去除率达到90%，计算每日所需活性炭用量（假设吸附容量不变）。答案解析核心公式：平衡吸附容量：q_e=\frac{(C_0-C_e)\timesV}{m}活性炭用量：m_{\text{总}}=\frac{(C_0-C_e)\timesQ\timest}{q_e}计算步骤：（1）平衡吸附容量：q_e=\frac{(200-20)\,\text{mg/L}\times0.1\,\text{L}}{0.5\,\text{g}}=36\,\text{mg/g}（2）处理后出水酚浓度（去除率90%）：C_e=C_0\times(1-\eta)=200\times(1-0.9)=20\,\text{mg/L}（3）每日处理废水量：Q_{\text{日}}=10\,\text{m}^3/\text{h}\times24\,\text{h}=240\,\text{m}^3=240000\,\text{L}（4）每日酚去除总量：m_{\text{酚}}=(200-20)\,\text{mg/L}\times240000\,\text{L}=43200000\,\text{mg}=43200\,\text{g}（5）每日活性炭用量：m_{\text{炭}}=\frac{43200\,\text{g}}{36\,\text{mg/g}}=1200000\,\text{mg}=1200\,\text{g}=1.2\,\text{kg}关键思路：吸附容量需通过静态实验确定，实际工程中需考虑吸附剂的再生周期和损耗系数。第五章生物处理技术习题5：活性污泥法与生物膜法对比分析题目：简述活性污泥法与生物膜法的核心区别，从微生物存在形态、供氧方式、抗冲击负荷能力及运行维护等方面进行对比，并说明生物滤池水回流的主要作用。答案解析核心区别对比表：|对比维度|活性污泥法|生物膜法||----------------|-----------------------------------|-----------------------------------||微生物存在形态|悬浮态（分散于混合液中）|附着态（固定于滤料/填料表面）||供氧方式|曝气装置强制供氧（如鼓风曝气）|自然通风或低能耗曝气（如生物滤池）||抗冲击负荷能力|较弱（微生物易流失，需污泥回流）|较强（生物膜结构稳定，微生物量大）||运行维护|复杂（需控制污泥浓度、回流比）|简单（无污泥膨胀问题，无需回流）||剩余污泥量|较多（需污泥浓缩脱水处理）|较少（污泥含水率低，易分离）|生物滤池水回流的作用：（1）稀释进水浓度：使进水BOD₅降至200mg/L以下，避免高浓度废水抑制微生物活性；（2）冲刷生物膜：防止滤料堵塞，去除老化生物膜，保持膜的活性；（3）改善水力条件：均化水质水量，提高布水均匀性；（4）抑制不良现象：减少滤池蝇滋生和臭味散发。第六章固体废物处理（压实与破碎）习题6：固体废物压实效果计算题目：某城市生活垃圾初始密度为400kg/m³，采用压实机处理后，密度增至1200kg/m³，压实前垃圾体积为15m³。计算压实比、体积减少量及压实后垃圾体积。答案解析核心公式：压实比：R=\frac{\rho_{\text{后}}}{\rho_{\text{前}}}体积减少量：\DeltaV=V_{\text{前}}-V_{\text{后}}（质量守恒：\rho_{\text{前}}V_{\text{前}}=\rho_{\text{后}}V_{\text{后}}）计算步骤：（1）压实后垃圾体积：V_{\text{后}}=\frac{\rho_{\text{前}}V_{\text{前}}}{\rho_{\text{后}}}=\frac{400\times15}{1200}=5\,\text{m}^3（2）压实比：R=\frac{1200}{400}=3（3）体积减少量：\DeltaV=15-5=10\,\