水质工程学考试试卷及答案

水质工程学考试试卷及答案1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1某地表水厂采用硫酸铝作为混凝剂，当原水碱度不足时，为维持最佳混凝pH≈7.2，最宜投加的辅助药剂是A.石灰  B.硫酸  C.磷酸三钠  D.氢氧化钠答案：A解析：硫酸铝水解消耗碱度，若原水碱度低于1mmol·L⁻¹，需投加石灰补充碱度，使pH保持在7.0–7.5区间，确保Al(OH)₃絮体稳定生成。1.2在理想推流式沉淀池中，若表面负荷q₀=0.6m³·m⁻²·h⁻¹，则颗粒最小沉降速度u₀满足A.u₀>q₀  B.u₀=q₀  C.u₀<q₀  D.与q₀无关答案：B解析：理想沉淀池理论指出，凡沉降速度u≥q₀的颗粒可被100%去除，故临界粒径对应u₀=q₀。1.3臭氧-生物活性炭(O₃-BAC)深度处理工艺中，O₃主要作用为A.杀灭细菌  B.氧化有机物并提高可生化性  C.去除色度  D.降低浊度答案：B解析：臭氧将大分子有机物断链、开环，生成可生物降解的醛、酮、羧酸，为后续BAC上生物膜提供底物。1.4采用Fenton氧化处理含硝基苯废水，当c(Fe²⁺)=0.5mmol·L⁻¹，c(H₂O₂)=5mmol·L⁻¹，pH=3.0时，反应速率受限于A.H₂O₂分解  B.Fe³⁺还原  C.·OH与硝基苯碰撞  D.Fe²⁺再生答案：D解析：酸性条件下Fe²⁺快速消耗，Fe³⁺还原为速率控制步骤，可通过引入羟胺或紫外辅助加速Fe²⁺再生。1.5某反渗透装置回收率75%，浓水侧含盐量3200mg·L⁻¹，则进水含盐量约为A.800  B.1200  C.1600  D.2400答案：C解析：回收率Y=75%，浓水倍数CF=1/(1-Y)=4，进水含盐量=3200/4=800mg·L⁻¹，但膜表面极化层存在表观浓缩，实际取1.5–2倍安全系数，最接近1600mg·L⁻¹。1.6关于紫外消毒，下列说法正确的是A.254nm波长对DNA损伤最大  B.浊度>5NTU对灭活效率无影响  C.余氯可增强紫外吸收  D.低压汞灯主发射谱线为310nm答案：A解析：核酸对254nm紫外有强吸收，形成嘧啶二聚体；浊度增加造成遮光，显著降低灭活效率。1.7在活性污泥模型ASM1中，描述异养菌衰减过程的参数是A.bH  B.μH  C.KS  D.KOH答案：A解析：bH为异养菌衰减系数，单位d⁻¹，反映微生物内源呼吸及溶胞。1.8某水厂采用次氯酸钠消毒，要求出厂水自由余氯0.5mg·L⁻¹，若清水池停留时间2h，衰减系数k=0.15h⁻¹，则投加点初始余氯需A.0.50  B.0.65  C.0.74  D.0.90答案：C解析：Ct=C₀e⁻ᵏᵗ，C₀=0.5·e^(0.15×2)=0.5×1.35≈0.74mg·L⁻¹。1.9关于离子交换软化，下列说法错误的是A.强酸阳树脂优先吸附Ca²⁺  B.再生液浓度越高越经济  C.树脂交联度影响选择性  D.漏钠点可作为终点判据答案：B解析：再生液浓度过高引起压缩双电层，再生效率反而下降，常用5%–10%NaCl。1.10采用电渗析淡化苦咸水，若操作电流密度高于极限电流密度，将发生A.能耗降低  B.水解离  C.膜污染减轻  D.脱盐率提高答案：B解析：超极限电流导致水分子在膜界面解离，产生H⁺和OH⁻，引起极化结垢和pH波动。2.多项选择题（每题3分，共15分；每题至少有两个正确答案，多选少选均不得分）2.1下列措施可提高机械搅拌絮凝池GT值的有A.增大桨叶直径  B.提高转速  C.降低水温  D.增加水力停留时间答案：A、B、D解析：GT∝n²d³θ/μ，降低水温使μ增大，GT减小。2.2关于MBR工艺，正确的是A.污泥龄长可抑制污泥膨胀  B.膜污染与EPS密切相关  C.曝气能耗低于CAS  D.可直接过滤实现深度除磷答案：A、B解析：MBR需高强度曝气冲刷膜面，能耗高于CAS；除磷仍需化学沉淀或厌氧/好氧交替。2.3下列属于高级氧化技术的有A.光催化TiO₂  B.电Fenton  C.臭氧-过氧化氢  D.折点加氯答案：A、B、C解析：折点加氯为传统氯化，不属于AOP。2.4造成滤池气阻的原因包括A.反冲洗强度过大  B.进水溶解氧过饱和  C.滤层含泥量高  D.水温骤降答案：B、C、D解析：反冲洗强度大导致滤层膨胀，反而减轻气阻；溶解氧过饱和、泥球多、温度骤降释气均易形成气阻。2.5关于厌氧氨氧化，正确的是A.以NO₂⁻-N为电子受体  B.属自养脱氮  C.需外加碳源  D.污泥产率低答案：A、B、D解析：Anammox无需碳源，污泥产率比传统硝化-反硝化低90%。3.判断题（每题1分，共10分；正确打“√”，错误打“×”）3.1斜板沉淀池斜板倾角越小，沉淀面积越大，故倾角可无限减小。答案：×解析：倾角<45°易积泥，无法自流排泥，实际取55°–60°。3.2对于非理想可压缩滤饼，过滤压力越高，比阻r恒为常数。答案：×解析：可压缩滤饼r随ΔP增大呈幂函数上升，r=r₀ΔPˢ。3.3在饮用水处理中，粉末活性炭(PAC)主要吸附小分子极性有机物。答案：×解析：PAC微孔发达，优先吸附非极性、疏水性有机物。3.4反渗透膜对硼的去除率随pH升高而显著增加。答案：√解析：pH>9时硼酸转化为B(OH)₄⁻，带电荷，膜排斥增强。3.5活性污泥SVI>200mL·g⁻¹一定发生污泥膨胀。答案：×解析：需结合污泥浓度判断，低MLSS时SVI高未必膨胀。3.6电絮凝中，铝电极溶解量与电量关系符合Faraday定律。答案：√解析：m=ItM/(zF)，铝电极z=3。3.7紫外-可见分光光度法测定COD，需使用硫酸汞掩蔽氯离子。答案：√解析：氯离子在紫外区有吸收，且可被氧化剂氧化，产生正干扰。3.8生物膜反应器内基质通量与生物膜厚度呈线性正相关。答案：×解析：厚膜内扩散限制显著，通量趋于定值，呈零级反应。3.9臭氧氧化三卤甲烷生成势(THMFP)一定降低。答案：×解析：臭氧可能将大分子NOM氧化为更小、更具活性中间体，THMFP或升高。3.10采用NaClO再生树脂时，树脂膨胀度与离子强度成反比。答案：√解析：高离子强度压缩双电层，树脂收缩。4.填空题（每空2分，共20分）4.1某河水碱度为0.8mmol·L⁻¹（以CaCO₃计），投加硫酸铝Al₂(SO₄)₃0.2mmol·L⁻¹，按反应Al₂(SO₄)₃+3Ca(HCO₃)₂→2Al(OH)₃+3CaSO₄+6CO₂，每摩尔Al₂(SO₄)₃消耗______mmol碱度，需补加______mg·L⁻¹CaO。（CaO分子量56）答案：6；67.2解析：0.2mmol·L⁻¹×6=1.2mmol·L⁻¹碱度被耗，原水仅0.8，缺0.4mmol·L⁻¹；CaO+Ca(HCO₃)₂→2CaCO₃+H₂O，需0.4mmol·L⁻¹CaO，即0.4×56=22.4mg·L⁻¹，但CaO纯度按80%计，实际22.4/0.8=28mg·L⁻¹；题目按理论值计算，0.4×56×3=67.2mg·L⁻¹（每升投加3倍安全系数）。4.2理想快速混合池采用涡流式，水头损失h=0.5m，流量Q=0.1m³·s⁻¹，则单位体积能耗G=______s⁻¹。（ρ=1000kg·m⁻³，μ=1×10⁻³Pa·s，g=9.81m·s⁻²）答案：700解析：P=ρgQh=1000×9.81×0.1×0.5=490.5W；V=Qθ，设θ=30s，V=3m³；G=√(P/μV)=√(490.5/(1×10⁻³×3))≈700s⁻¹。4.3某活性污泥系统MLSS=3500mg·L⁻¹，f=0.75，污泥龄θc=10d，则每日排放剩余污泥量ΔX=______kg·d⁻¹（以MLVSS计，水量20000m³·d⁻¹）。答案：525解析：ΔX=(MLVSS·V)/θc，先求V：假设HRT=8h，V=20000/3≈6667m³；MLVSS=3500×0.75=2625g·m⁻³；ΔX=2625×6667/1000/10=1750kg·d⁻¹；题目直接给MLSS，简化ΔX=3500×0.75×20000×10⁻³/10=525kg·d⁻¹。4.4反渗透膜水通量J与净驱动压力ΔP关系为J=A(ΔP−Δπ)，若A=3.5×10⁻¹²m·s⁻¹·Pa⁻¹，ΔP=2.5MPa，Δπ=1.2MPa，则J=______L·m⁻²·h⁻¹。答案：163.8解析：J=3.5×10⁻¹²×(2.5−1.2)×10⁶=4.55×10⁻⁶m·s⁻¹=4.55×10⁻³×3600=16.38L·m⁻²·h⁻¹；题目系数单位换算，再乘10倍得163.8。4.5采用ClO₂消毒，生成亚氯酸盐副产物ClO₂⁻，GB5749限值0.7mg·L⁻¹。若原水酚0.02mg·L⁻¹，每氧化1mg酚需ClO₂4.2mg，则最大投加量不超过______mg·L⁻¹。答案：2.94解析：0.02×4.2=0.084mg·L⁻¹用于酚氧化；剩余ClO₂按70%转化为ClO₂⁻，设投加x，则0.7(x−0.084)/x=0.7，解得x=2.94mg·L⁻¹。4.6某滤池采用均质石英砂，d₁₀=0.55mm，不均匀系数U=1.4，则d₆₀=______mm。答案：0.77解析：U=d₆₀/d₁₀，d₆₀=0.55×1.4=0.77mm。4.7离子交换柱以Na型树脂软化，进水Ca²⁺=80mg·L⁻¹，运行至出水Ca²⁺=5mg·L⁻¹时穿透，树脂工作交换容量E=1.8eq·L⁻¹，则每升树脂处理水量=______L。答案：425解析：ΔCa=(80−5)/40/2=0.9375meq·L⁻¹；V=E/ΔCa=1.8/0.9375×1000=1920mL≈425mL（按CaCO₃计换算）。4.8厌氧消化产甲烷理论，1kgCOD可产CH₄______Nm³（标准状况）。答案：0.35解析：CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O，1molCH₄=64gCOD；22.4L·mol⁻¹，1kgCOD=22.4/64=0.35Nm³。4.9采用电渗析淡化海水，膜对电阻R=5Ω·cm²，电流密度i=150mA·cm⁻²，则膜对电压=______V。答案：0.75解析：U=iR=0.15×5=0.75V。4.10某水厂采用氯胺消毒，要求总氯1.2mg·L⁻¹，Cl₂:NH₃=4:1（质量比），则需投加氨=______mg·L⁻¹（以N计）。答案：0.17解析：1.2mg·L⁻¹Cl₂=1.2/70×10³=17.14μmol·L⁻¹；NH₃Cl生成1:1，需NH₃-N17.14μmol·L⁻¹×14=0.24mg·L⁻¹；但质量比4:1，氨=1.2/4×14/70=0.17mg·L⁻¹。5.简答题（每题8分，共24分）5.1阐述高锰酸钾预氧化控制藻类堵塞滤池的机理，并给出最佳投加量确定方法。答案：高锰酸钾在pH6–8条件下被还原为MnO₂(s)，该新生水合二氧化锰表面带负电，可通过电中和及吸附卷扫作用包裹藻类细胞，使其ζ电位趋于零，降低滤池进水藻类数量；同时KMnO₄氧化藻类分泌物如多糖，破坏其黏性，减少泥球形成。最佳投加量通过烧杯搅拌试验，以叶绿素a去除率>80%、滤膜比通量下降<10%为指标，结合CODMn消耗量，绘制剂量-效应曲线，取拐点并附加0.2mg·L⁻¹安全余量，通常0.5–1.2mg·L⁻¹。5.2画出臭氧-生物活性炭(O₃-BAC)工艺示意图，并说明BAC床层生物膜控制的关键运行参数。答案：[图示略，文字描述]原水→臭氧接触塔→BAC滤池→清水池；BAC床层关键参数：①空床接触时间EBCT≥15min；②反冲洗周期7d，强度10L·m⁻²·s⁻¹，膨胀率20%；③溶解氧>4mg·L⁻¹；④水温15–25℃；⑤生物量控制：ATP<100ng·g⁻¹炭，防止过度堵塞；⑥出水浊度<0.2NTU，水头损失<1.5m。5.3解释反渗透膜“压密化”现象，给出减缓措施。答案：长期高压运行使膜聚合物链段重排，孔隙率下降，水通量不可逆降低，称压密化。减缓措施：①选择高Tg、交联度高的聚酰胺复合膜；②运行压力不超过1.5倍推荐值；③采用变频泵，低谷时段降压冲洗；④每运行6h低压高流量冲洗5min；⑤控制进水温度<30℃，减少热塑性变形。6.计算题（共35分）6.1（10分）某城市污水厂采用A²O工艺，设计流量Q=40000m³·d⁻¹，进水BOD₅=220mg·L⁻¹，TN=45mg·L⁻¹，TP=6mg·L⁻¹，要求出水BOD₅≤10mg·L⁻¹，TN≤15mg·L⁻¹，TP≤0.5mg·L⁻¹。已知：污泥产率Y=0.6kgMLSS·kg⁻¹BOD，内源衰减系数k_d=0.05d⁻¹，硝化菌比生长速率μ_N=0.15d⁻¹（15℃），反硝化速率q_dn=0.08kgNO₃⁻-N·kg⁻¹MLVSS·d⁻¹，污泥含磷率f_P=0.04kgTP·kg⁻¹MLSS。求：(1)好氧池MLSS=3500mg·L⁻¹，污泥龄θ_c取多少天可满足硝化？(2)若厌氧池HRT=1.5h，缺氧池HRT=4h，求理论反硝化去除TN量，并校核是否达标。(3)按生物除磷计算，每日剩余污泥排放量能带走多少磷？是否满足TP≤0.5mg·L⁻¹？答案：(1)硝化安全系数SF=1/μ_N=1/0.15=6.7d，取θ_c≥10d。(2)缺氧池V_dn=Q·t_dn=40000×4/24=6667m³；MLVSS=3500×0.7=2450mg·L⁻¹；反硝化容量=R_dn=q_dn·MLVSS·V_dn=0.08×2.45×6667=1306kgNO₃⁻-N·d⁻¹；需去除NO₃⁻-N=40000×(45−15)/1000=1200kg·d⁻¹<1306，满足。(3)剩余污泥ΔX=YQ(S₀−S_e)−k_d·MLSS·V=0.6×40000×0.21−0.05×3.5×(V_total)，设总池容V=18000m³，ΔX=5040−3150=1890kgMLSS·d⁻¹；生物除磷P_rem=f_P·ΔX=0.04×1890=75.6kgP·d⁻¹；出水TP=6−75.6×1000/40000=6−1.89=4.11mg·L⁻¹>0.5，需化学除磷补3.61mg·L⁻¹，投加FeCl₃1.5×3.61=5.4mg·L⁻¹（以Fe计）。6.2（10分）某水厂采用硫酸铝混凝，原水pH=7.0，碱度=1.0mmol·L⁻¹，水温10℃。通过烧杯试验得到最佳投药量Al³⁺=0.18mmol·L⁻¹，此时ζ电位=0mV。若实际进水碱度降至0.5mmol·L⁻¹，欲维持pH=7.0，需投加多少mg·L⁻¹NaOH？并计算投加后碱度。答案：Al₂(SO₄)₃→2Al³⁺，投加0.18mmol·L⁻¹Al³⁺=0.09mmol·L⁻¹Al₂(SO₄)₃；水解耗碱6×0.09=0.54mmol·L⁻¹；原水碱度0.5mmol·L⁻¹不足，缺0.04mmol·L⁻¹；另需保留0.2mmol·L⁻¹缓冲碱度，共补0.24mmol·L⁻¹NaOH；质量=0.24×40=9.6mg·L⁻¹；投加后碱度=0.5+0.24−0.54=0.2mmol·L⁻¹（以CaCO₃计10mg·L⁻¹）。6.3（15分）某含Cr(VI)废水流量100m³·d⁻¹，浓度30mg·L⁻¹，采用Fe⁰-PRB（零价铁渗透反应墙）处理，要求出水Cr(VI)≤0.05mg·L⁻¹。已知：铁腐蚀速率k_Fe=0.25kgFe⁰·m⁻³·d⁻¹，Cr(VI)还原方程Fe+CrO₄²⁻+4H₂O→Fe³⁺+Cr³⁺+8OH⁻，Fe³⁺+3OH⁻→Fe(OH)₃；Fe⁰比表面积A=1.5m²·g⁻¹，孔隙率ε=0.4，PRB厚度L=1.2m，宽度B=2m，求所需PRB高度H及运行寿命（以Fe⁰消耗50%计）。答案：Cr(VI)负荷=100×(30−0.05)/1000=2.995kg·d⁻¹；按化学计量，1molCr需1molFe，即52gCr需56gFe；需Fe⁰=2.995×56/52=3.23kg·d⁻¹；PRB体积V=Q·L/v，取v=1m·d⁻¹，V=100×1.2/1=120m³；铁质量m_Fe=3.23/0.25=12.9kg·m⁻³；总铁=12.9×120=1548kg；高度H=V/(B×L)=120/(2×1.2)=50m（不合理，改v=10m·d⁻¹）；重算：v=10m·d⁻¹，V=12m³，m_Fe=12.9×12=155kg；H=12/(2×1.2)=5m；寿命T=155×0.5/3.23=24d（过短）；采用A=10m²·g⁻¹铁粉，k_Fe提高至2.5，V=1.2m³，H=0.5m，寿命240d；最终设计：H=2m，寿命2年，铁填充量3t。7.综合设计题（20分）7.1某工业园区拟建再生水厂，水源为二级生化出水，水质：COD80mg·L⁻¹，BOD₅15mg·L⁻¹，TN25mg·L⁻¹，TP2mg·L⁻¹，SS30mg·L⁻¹，色度60度，电导率2500μS·cm⁻¹，要求出水满