水污染控制习题库及答案

水污染控制习题库及答案1.某城市污水处理厂设计处理规模为10万m³/d，进水BOD₅为200mg/L，SS为250mg/L。采用传统活性污泥法处理，要求出水BOD₅≤20mg/L，SS≤30mg/L。已知设计污泥负荷（Ls）取0.3kgBOD₅/(kgMLSS·d)，混合液污泥浓度（MLSS）为3000mg/L。试计算：(1)曝气池的有效容积（m³）。(2)水力停留时间（HRT，h）。(3)每日产生的剩余污泥量（以干污泥计，kg/d）。假设污泥产率系数Y为0.6kgMLSS/kgBOD₅，污泥自身氧化率K_d取0.05d⁻¹。答案与解析：(1)每日去除的BOD₅量=10×10⁴m³/d×(20020)g/m³×10⁻³kg/g=18000kg/d。根据污泥负荷公式=，可得：V=故曝气池有效容积为20000m³。(2)水力停留时间HR(3)根据活性污泥法基本方程，每日产生的剩余污泥量（干重）ΔX为：ΔX代入数据：ΔX=0.6×18000kg/d0.05d⁻¹×3.0kg/m³×20000m³=10800kg/d3000kg/d=7800kg/d。故每日产生剩余污泥量（干重）为7800kg。2.简述水体中氮的转化过程，并说明生物脱氮的基本原理及在活性污泥法中实现生物脱氮的典型工艺。答案与解析：水体中氮的转化主要包括氨化作用（有机氮转化为氨氮）、硝化作用（氨氮在好氧条件下被硝化细菌转化为亚硝酸盐和硝酸盐）以及反硝化作用（硝酸盐在缺氧条件下被反硝化细菌还原为氮气）。生物脱氮的基本原理是利用微生物的代谢活动，先后通过硝化和反硝化两个过程，将含氮化合物最终转化为氮气从水中去除。硝化过程需要好氧环境，反硝化过程需要缺氧环境且需提供有机碳源。在活性污泥法中实现生物脱氮的典型工艺包括：A/O工艺（缺氧/好氧工艺）：污水先进入缺氧池进行反硝化，再利用好氧池进行有机物氧化和硝化，好氧池混合液回流至缺氧池提供硝酸盐。A²/O工艺（厌氧/缺氧/好氧工艺）：在A/O前增加一个厌氧段，主要用于生物除磷，同时实现脱氮。氧化沟、SBR等序批式或循环式反应器，通过时间或空间上的交替，创造缺氧和好氧条件。3.混凝是水处理中的重要单元操作。(1)写出硫酸铝Al₂(SO₄)₃·18H₂O溶于水后的主要水解反应式（至生成Al(OH)₃絮体为止）。(2)解释混凝机理中的“电性中和”与“吸附架桥”作用。(3)列举影响混凝效果的主要因素。答案与解析：(1)硫酸铝溶于水后发生水解：AAA最终生成氢氧化铝絮体。(2)电性中和：混凝剂水解产生的高价正离子（如Al³⁺、Fe³⁺及其羟基络合物）可压缩胶体颗粒的双电层，降低其ζ电位，使颗粒间排斥力减小而发生聚沉。吸附架桥：高分子混凝剂或水解形成的聚合物在胶体颗粒间吸附，像桥梁一样将多个颗粒连接起来形成大的絮凝体而下沉。(3)影响混凝效果的主要因素包括：水温、水的pH值与碱度、水中浊质颗粒的性质与浓度、混凝剂的种类与投加量、水力条件（搅拌强度与时间）、共存杂质等。4.某工业废水含铬（Cr(VI)）浓度为50mg/L，流量为50m³/h，拟采用化学还原法处理至0.5mg/L以下。选用硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）作为还原剂，在酸性条件下进行反应。已知还原反应为：C+(1)计算每小时需要投加的理论硫酸亚铁量（kg/h）。（原子量：Cr=52，Fe=56，S=32，O=16，H=1）(2)简述该反应后为何通常需要调整pH至8-9，并进行后续固液分离。答案与解析：(1)首先计算Cr(VI)的摩尔浓度。以Cr计，需去除的Cr(VI)质量流量=50m³/h×(500.5)g/m³×10⁻³kg/g=2.475kg/h。Cr的摩尔质量=52g/mol，故需去除的Cr(VI)的物质的量=2.475×10³g/h÷52g/mol≈47.60mol/h。根据反应式，1molCr₂O₇²⁻（含2molCr(VI)）需要6molFe²⁺。因此，去除47.60molCr(VI)需要Fe²⁺的物质的量=(6/2)×47.60=142.8mol/h。FeSO₄·7H₂O的摩尔质量=56+32+64+7×18=278g/mol。故理论硫酸亚铁投加量=142.8mol/h×278g/mol×10⁻³kg/g≈39.70kg/h。(2)反应在强酸性条件下进行，将Cr(VI)还原为毒性较低的Cr(III)。随后调整pH至8-9，目的是使Cr³+形成稳定的Cr(OH)₃沉淀（很小），同时Fe³+也形成Fe(OH)₃沉淀。这两种氢氧化物絮体可以共沉淀，并通过吸附、网捕等作用进一步去除水中残留的微量重金属离子。后续的固液分离（如沉淀、过滤）将沉淀物从水中分离，从而实现铬的彻底去除。5.解释以下水处理专业术语：(1)污泥容积指数（SVI）(2)短程硝化反硝化(3)高级氧化工艺（AOPs）(4)水体富营养化答案与解析：(1)污泥容积指数（SVI）：指在曝气池出口处取混合液，静置30分钟后，1克干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积（mL）。单位是mL/g。它是衡量活性污泥沉降性能的重要指标，SVI值过低说明污泥颗粒细小、无机物含量高，过高则说明污泥可能发生膨胀。(2)短程硝化反硝化：一种生物脱氮技术。它将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段（即NH₄⁺→NO₂⁻），随后直接在缺氧条件下进行反硝化（NO₂⁻→N₂）。相比传统的全程硝化反硝化（NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻→N₂），可节省约25%的氧气需求和40%的有机碳源，并减少污泥产量。(3)高级氧化工艺（AOPs）：指通过产生具有强氧化能力的羟基自由基（·OH）来氧化降解水中难生物降解有机污染物或微量有毒有害化学物质的一系列深度氧化技术。常见工艺包括芬顿法、臭氧氧化、光催化氧化、电化学氧化等。(4)水体富营养化：指由于人类活动，水体中氮、磷等植物营养盐含量过度增加，导致藻类及其他浮游生物异常、快速繁殖，水体溶解氧下降，水质恶化，生态系统被破坏的过程。湖泊、水库、海湾等缓流水体易发生。6.已知某平流式沉淀池设计流量Q=0.5m³/s，池长L=40m，池宽B=8m，有效水深H=3m。试计算：(1)沉淀池的表面水力负荷（m³/(m²·h)）。(2)沉淀池的水力停留时间（h）。(3)若欲去除沉速u₀≥1.2m/h的颗粒，求该颗粒的去除率。假设颗粒沉速分布均匀。答案与解析：(1)沉淀池表面积A=L×B=40m×8m=320m²。表面水力负荷（溢流率）q=换算为小时单位：q=(2)沉淀池有效容积V=L×B×H=40×8×3=960m³。水力停留时间HR(3)对于理想沉淀池，沉速为u的颗粒的去除率η=u/q(当u<q时)。本题中，颗粒沉速u₀=1.2m/h，q=5.625m/h。因为u₀<q，所以该部分颗粒的去除率η=u₀/q=1.2/5.625≈0.2133，即21.33%。7.论述厌氧生物处理的基本原理、三个阶段（或四阶段）理论，并比较其与好氧生物处理的主要优缺点。答案与解析：厌氧生物处理是在无分子氧条件下，利用兼性菌和厌氧菌分解有机物，最终产生甲烷和二氧化碳的过程。三阶段理论包括：水解发酵阶段：复杂有机物（多糖、蛋白质、脂肪）在发酵细菌作用下水解并发酵为简单有机物（如单糖、氨基酸、脂肪酸）及醇类、醛类等。产氢产乙酸阶段：上一阶段的产物被产氢产乙酸菌转化为乙酸、氢气、二氧化碳等。产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸、氢气/二氧化碳等生成甲烷。（四阶段理论将第一阶段细分为水解和酸化两个阶段）。与好氧生物处理比较：优点：能耗低，无需曝气。可产生沼气（甲烷）作为能源回收。污泥产率低，剩余污泥量少，稳定性高。对营养物（N、P）需求低。可处理高浓度有机废水。缺点：反应速率慢，水力停留时间长，反应器容积大。出水水质通常较差，一般需后续好氧处理才能达标。对温度、pH等环境条件更敏感，启动时间长。处理过程中可能产生臭味（如H₂S）。8.某污水处理厂采用A²/O工艺，请画出其典型的工艺流程框图，并标注各主要构筑物及回流路线。答案与解析：```进水→粗格栅→提升泵房→细格栅→沉砂池↓(厌氧池)→(缺氧池)→(好氧池)→二沉池→出水↑↑↓↓└─────污泥回流─────┘剩余污泥(混合液回流)```流程说明：污水经预处理（格栅、沉砂）后进入厌氧池，聚磷菌在此释放磷并吸收低分子有机物。随后进入缺氧池，反硝化菌利用来自好氧池回流的硝化液中的硝酸盐以及污水中的有机物进行反硝化脱氮。然后进入好氧池，进行有机物的彻底氧化、氨氮的硝化以及聚磷菌对磷的超量吸收。好氧池混合液进入二沉池进行泥水分离，上清液排放。二沉池污泥大部分回流至厌氧池（污泥回流），小部分作为剩余污泥排出系统。好氧池至缺氧池设有混合液回流，将硝化液送至缺氧池进行反硝化。9.有一含氰废水，CN⁻浓度为100mg/L，流量为20m³/h，拟采用碱性氯化法处理。反应分两个阶段进行，第一阶段在pH>10条件下将CN⁻氧化为CNO⁻，第二阶段在pH=7.5-8.0条件下将CNO⁻进一步氧化为N₂和HCO₃⁻。请写出两个阶段的主要化学反应方程式，并计算理论需氯量（以Cl₂计，kg/h）。（原子量：C=12，N=14，Cl=35.5）答案与解析：第一阶段反应（不完全氧化）：C或CO第二阶段反应（完全氧化）：2或2C为简化计算，总反应式可合并为（理论上将1molCN⁻完全氧化为N₂和HCO₃⁻）：2以Cl₂计，因为Cl₂+2OH⁻=ClO⁻+Cl⁻+H₂O，所以1molCl₂可生成1molClO⁻。因此氧化1molCN⁻需要2.5molCl₂。需处理的CN⁻质量流量=20m³/h×100g/m³×10⁻³kg/g=2.0kg/h。CN⁻的摩尔质量=26g/mol，故CN⁻的物质的量流量=2.0×10³g/h÷26g/mol≈76.92mol/h。理论需氯量（Cl₂）=76.92mol/h×2.5×71g/mol×10⁻³kg/g≈136.6kg/h。（注：实际投加量需大于理论值，以应对副反应、保证反应完全及出水余氯要求。）10.分析活性污泥法运行中可能出现的污泥膨胀现象，说明丝状菌膨胀的主要原因及控制策略。答案与解析：污泥膨胀是指活性污泥沉降性能恶化，SVI值异常升高（通常>150mL/g），二沉池泥水分离困难的现象。丝状菌膨胀是最常见类型，由于丝状微生物过度生长，形成网状结构，阻碍污泥凝聚沉降。主要原因：水质因素：低分子可溶性有机物（如糖类、有机酸）含量高；N、P等营养盐缺乏或不平衡；pH过低；硫化物含量高。运行条件：低溶解氧（DO<0.5mg/L）有利于丝状菌竞争；低污泥负荷（F/M<0.1kgBOD₅/kgMLSS·d）下丝状菌比表面积大，竞争优势强；有时高负荷（>0.5）也可能引发；进水波动大，冲击负荷频繁。反应器构型：完全混合式曝气池比推流式更易发生膨胀。控制策略：工艺调整：改为推流式或选择器工艺（在曝气池前设置高负荷接触区，抑制丝状菌）；提高DO浓度（>2mg/L）；调整营养盐比例（BOD₅:N:P≈100:5:1）。化学控制：投加氧化剂（如Cl₂、H₂O₂）直接杀灭丝状菌（需谨慎控制剂量）；投加混凝剂（如铁盐、铝盐、聚丙烯酰胺）改善沉降性。物理方法：加强曝气，防止污泥在死角沉积；设置筛网拦截丝状菌。根本措施：控制进水水质，均衡负荷，避免有毒物质冲击。11.简述膜分离技术（如微滤、超滤、纳滤、反渗透）在水处理中的应用，并比较它们在分离机理、操作压力、能截留物质大小方面的主要区别。答案与解析：膜分离技术利用选择性透过膜作为分离介质，在外界能量或化学位差驱动下对混合物进行分离、纯化。应用：微滤（MF）：去除悬浮颗粒、细菌、藻类等，用于给水预处理、污水深度处理后的消毒替代、膜生物反应器（MBR）等。超滤（UF）：去除胶体、大分子有机物、病毒、部分细菌，用于饮用水深度处理、工业废水回用、蛋白质分离等。纳滤（NF）：去除多价离子、小分子有机物、硬度、色度等，用于软化、脱色、部分脱盐、饮用水中有害物质的去除。反渗透（RO）：几乎去除所有离子、小分子有机物，用于海水淡化、苦咸水淡化、超纯水制备、工业废水深度回用。主要区别：类型分离机理（主导）操作压力(MPa)能截留的物质大小/分子量典型截留物微滤(MF)筛分0.01-0.20.1-10μm悬浮物、细菌、花粉超滤(UF)筛分0.1-0.51-100nm(MWCO:1k-500kDa)胶体、蛋白质、多糖、病毒纳滤(NF)筛分+溶解扩散+Donnan效应0.5-1.5~1nm(MWCO:200-1000Da)二价及以上离子、小分子有机物、染料反渗透(RO)溶解扩散1-10<1nm(MWCO:~100Da)所有离子、糖类、氨基酸12.计算题：某城市污水处理厂采用完全混合式曝气池，处理生活污水。设计流量Q=50000m³/d，进水BOD₅=180mg/L，要求出水BOD₅=20mg/L。曝气池混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）为2500mg/L，污泥龄（θ_c）设计为10d。已知动力学参数：Y=0.5kgVSS/kgBOD₅，K_d=0.06d⁻¹。试求：(1)曝气池容积V（m³）。(2)计算每日排放的剩余污泥量（以VSS计，kg/d）。(3)计算曝气池的F/M比（kgBOD₅/kgMLVSS·d）。答案与解析：(1)根据劳伦斯-麦卡蒂方程，污泥龄公式为：=其中，X_v=2500mg/L=2.5kg/m³。代入数据：=计算：0.1=0.5×0.06=0.5×0.06=0.06。所以=0.1+0.06(2)每日排放的剩余污泥量（以VSS计）ΔX_v，可由污泥龄定义求得：=。故Δ=（也可用ΔX_v=YQ(S₀-S_e)K_dX_vV验证：=0.5×50000×0.160.06×2.5×10000=40001500=2500kg/d，结果一致。）(3)F/M比===13.论述消毒在水处理中的地位与作用，并比较氯消毒、二氧化氯消毒、紫外线消毒和臭氧消毒的主要特点及适用场合。答案与解析：消毒是水处理（尤其是给水处理和污水深度处理/回用）的最后一道关键屏障，其作用是灭活或去除水中病原微生物（细菌、病毒、原生动物等），防止水媒疾病传播，保障公共卫生安全。主要消毒方法比较：氯消毒：特点：效果好，成本低，工艺成熟，有持续消毒能力（保持余氯）。但会产生具有“三致”风险的消毒副产物（如三卤甲烷THMs、卤乙酸HAAs）；对某些原生动物（如隐孢子虫）灭活效果差；氯气有毒，存在安全隐患。特点：效果好，成本低，工艺成熟，有持续消毒能力（保持余氯）。但会产生具有“三致”风险的消毒副产物（如三卤甲烷THMs、卤乙酸HAAs）；对某些原生动物（如隐孢子虫）灭活效果差；氯气有毒，存在安全隐患。适用：大中型给水厂、污水处理厂尾水消毒（需考虑余氯对受纳水体的影响）。适用：大中型给水厂、污水处理厂尾水消毒（需考虑余氯对受纳水体的影响）。二氧化氯消毒：特点：氧化能力强，消毒效果优于氯，几乎不产生THMs，能有效控制嗅味。但成本较高，需现场制备；无机副产物（亚氯酸盐、氯酸盐）有一定毒性；无持续消毒能力。特点：氧化能力强，消毒效果优于氯，几乎不产生THMs，能有效控制嗅味。但成本较高，需现场制备；无机副产物（亚氯酸盐、氯酸盐）有一定毒性；无持续消毒能力。适用：对消毒副产物控制要求高的给水处理，工业循环水杀菌除藻。适用：对消毒副产物控制要求高的给水处理，工业循环水杀菌除藻。紫外线消毒：特点：物理消毒，不添加化学物质，不产生消毒副产物；对细菌、病毒灭活效率高；接触时间短。但无持续消毒能力；水质的浊度、色度、SS会影响透光率；灯管需定期清洗更换。特点：物理消毒，不添加化学物质，不产生消毒副产物；对细菌、病毒灭活效率高；接触时间短。但无持续消毒能力；水质的浊度、色度、SS会影响透光率；灯管需定期清洗更换。适用：污水深度处理及回用、食品饮料行业用水、对消毒副产物有严格限制的场合。适用：污水深度处理及回用、食品饮料行业用水、对消毒副产物有严格限制的场合。臭氧消毒：特点：氧化能力极强，消毒效率最高，能同时去除色、嗅、味，降解微量有机物。但设备投资和运行成本高；在水中不稳定，无持续消毒能力；可能产生溴酸盐等副产物。特点：氧化能力极强，消毒效率最高，能同时去除色、嗅、味，降解微量有机物。但设备投资和运行成本高；在水中不稳定，无持续消毒能力；可能产生溴酸盐等副产物。适用：对水质要求极高的饮用水深度处理、瓶装水生产、游泳池水处理、工业废水高级氧化。适用：对水质要求极高的饮用水深度处理、瓶装水生产、游泳池水处理、工业废水高级氧化。14.某工业区污水含苯酚浓度为150mg/L，流量为100m³/d，拟采用生物滤池进行处理。根据小试实验，在滤料高度为2m时，出水苯酚浓度与水力负荷的关系符合公式：=，其中S₀、S_e为进、出水浓度（mg/L），H为滤料高度（m），q为水力负荷（m³/(m²·d)），k=0.5，n=0.6。若要求出水苯酚浓度≤10mg/L，滤池平面为圆形，试计算所需滤池的直径（m）。答案与解析：已知：S₀=150mg/L，S_e=10mg/L，H=2m，k=0.5，n=0.6。由公式=，代入得：=。即1/两边取自然对数：ln(1/15ln15≈两边取1/0.6次方：q=(0.3692。计算：1所需滤池总面积A=Q/q=100m³/d÷0.20m³/(m²·d)=500m²。由圆面积公式A=πD²/4，得直径D=。故所需滤池直径约为25.2米。15.解释吸附法在水处理中的应用，说明活性炭吸附的特点，并分析影响活性炭吸附容量的主要因素。答案与解析：吸附法是利用多孔性固体材料（吸附剂）的表面吸附水中溶解性污染物（吸附质）的一种物理化学处理方法。常用于深度处理，去除微量有机物、色度、嗅味、重金属离子等。活性炭吸附特点：具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积（可达500-1500m²/g），吸附能力强。表面含有多种官能团，可进行物理吸附和化学吸附。可再生重复使用，但再生会损失部分吸附能力。对有机物吸附具有选择性，对分子量在500-3000的有机物吸附效果较好。影响活性炭吸附容量的主要因素：吸附质性质：分子结构（芳香族化合物比脂肪族易吸附）、分子大小（适中最佳）、极性（极性越小越易吸附）、溶解度（溶解度越小越易吸附）、浓度（一般浓度高吸附容量大）。活性炭性质：比表面积、孔隙结构（微孔、中孔、大孔的分布）、表面化学性质（含氧官能团影响对极性物质的吸附）。操作条件：水温（物理吸附为放热过程，低温有利）、pH值（影响吸附质的存在形态及活性炭表面电荷，如吸附有机酸在低pH好）、接触时间（需保证吸附平衡）。共存物质：水中存在多种污染物时可能产生竞争吸附，某些大分子有机物可能堵塞孔隙。16.什么是污泥厌氧消化？简述其三个阶段，并说明消化池搅拌的主要目的。答案与解析：污泥厌氧消化是在无氧条件下，利用兼性菌和厌氧菌分解污泥中的有机物，使其稳定化（减少臭味、病原菌）、减量化（产生沼气、减少固体量）的过程。三个阶段：1.水解酸化阶段：污泥中复杂有机物（蛋白质、多糖、脂肪）被水解酶分解为可溶性小分子（氨基酸、单糖、脂肪酸），并进一步发酵为有机酸（如乙酸、丙酸）、醇类等。2.产氢产乙酸阶段：上一阶段产生的较高级有机酸和醇类被产氢产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二氧化碳。3.产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸（乙酸营养型）或氢气和二氧化碳（氢营养型）生成甲烷和二氧化碳。消化池搅拌的主要目的：使污泥与微生物充分混合接触，提高传质效率，加速反应速率。保持池内温度、浓度、pH的均匀，避免局部酸积累抑制产甲烷菌。防止污泥分层和浮渣结壳，保证沼气顺利逸出。提高消化池的有效容积利用率。17.某河流监测断面处，测得BOD₅为4mg/L，DO为6mg/L，水温为20℃。已知该断面处BOD的耗氧速率常数k₁(20℃)=0.15d⁻¹，河流的复氧速率常数k₂(20℃)=0.30d⁻¹。假设该断面是突发污染后的一个计算起点，上游来水BOD₅=0，DO饱和