水質工程學(上)答案

14章4．反應器原理用于水處理有何作用和特點？答：作用：推動了水處理工藝發(fā)展；特點：在化工生產中，反應器都只作為化學反應設備來獨立研究，但在水處理中，含義較廣泛，許多水處理設備與池子都可作為反應器來進行分析研究，包括化學反應、生物化學反應以至純物理過程等。例：沉淀池。5.試舉出3種質量傳遞機理的實例。答：質量傳遞包括主流傳遞、分子擴散傳遞、紊流擴散傳遞。主流傳遞：在平流池中，物質將隨水流作水平遷移。物質在水平方向的濃度變化，是由主流遷移和化學引起的。分子擴散傳遞：在靜止或作層流運動的液體中，存在濃度梯度的話，高濃度區(qū)內的組分總是向低濃度區(qū)遷移，最終趨于平均分布狀態(tài)，濃度梯度消失。如平流池等。紊流擴散傳遞：在絕大多數(shù)情況下，水流往往處于紊流狀態(tài)。水處理構筑物中絕大部分都是紊流擴散。6.（1）完全混合間歇式反應器（CMB）不存在由物質遷移而導致的物質輸入和輸出，且假定是在恒溫下操作（2）完全混合連續(xù)式反應器（CSTR）反應物投入反應器后，經攪拌立即與反應器內的料液達到完全均勻混合，輸出的產物其濃度和成分與反應器內的物料相同(3)推流型反應器（PF）反應器內的物料僅以相同流速平行流動，而無擴散作用，這種流型唯一的質量傳遞就是平行流動的主流傳遞答:在水處理方面引入反應器理論推動了水處理工藝發(fā)展。在化工生產過程中，反應器只作為化學反應設備來獨立研究，但在水處理中，含義較廣泛。許多水處理設備與池子都可作為反應器來進行分析研究，包括化學反應、生物化學反應以至物理過程等。例如，氯化消毒池，除鐵、除錳濾池、生物濾池、絮凝池、沉淀池等等，甚至一段河流自凈過程都可應用反應器原理和方法進行分析、研究。介紹反應器概念，目的就是提供一種分析研究水處理工藝設備的方法和思路。7.為什么串聯(lián)的CSTR型反應器比同容積的單個CSTR型反應器效果好？答：因為使用多個體積相等的CSTR型反應器串聯(lián)，則第二只反應器的輸入物料濃度即為第一只反應器的輸出物料濃度，串聯(lián)的反應器數(shù)愈多，所需反應時間愈短，理論上，當串聯(lián)的反應器數(shù)N趨近無窮時，所需反應時間將趨近于CMB型和PF型的反應時間。8.混合與返混在概念上有什么區(qū)別？返混是如何造成的？答：區(qū)別是：返混又稱逆向混合。廣義地說，泛指不同時間進入系統(tǒng)的物料之間的混合，包括物料逆流動方向的流動。造成返混的原因主要是環(huán)流，對流，短流，流速不均勻，設備中存在死角以及物質擴散等。例如：環(huán)流和由湍流和分子擴散所造成的軸向混合，及由不均勻的速度分布所造成的短路、停滯區(qū)或“死區(qū)”、溝流等使物料在系統(tǒng)中的停留時間有差異的所有因素。9.PF型和CMB型反應器為什么效果相同？兩者優(yōu)缺點比較。答：在推流型反應器的起端（或開始階段），物料是在C0的高濃度下進行的，反應速度很快。沿著液流方向，隨著流程增加（或反應時間的延續(xù)），物料濃度逐漸降低，反應速度也隨之逐漸減小。這跟間歇式反應器的反應過程是一樣的。推流型反應器優(yōu)于間歇式反應器的在于：間歇式反應器除了反應時間以外，還需考慮投料和卸料時間，而推流型反應器為連續(xù)操作。1.在實驗室內作氯消毒試驗。已知細菌被滅活速率為一級反應，且k=。求細菌被滅99.5%時，所需消毒時間為多少分鐘？解答：,0.005細菌被滅速率等于活細菌減少速率，=-k﹒=-0.85,t=×(-5.29)≈6.22習題2設物料i分別通過CSTR與PF反應器進行反應過后，進水與排水中i濃度之比均為C0/Ce=10，且屬于一級反應。K=2h。求水流在CSTR與PF型反應期各需要停留多少時間。（注：C0——進水i初始濃度；Ce——出水濃度）解：CSTR型反應器反應時間=; PF型反應器反應時間t2=有題意可以得出，所以總時間T=t1+t2=h。所以得出在CSTR中需要4.5h，在PF需要0.5h。題3中若采用4只CSTR型反應器串聯(lián)，其余條件同上。求串聯(lián)后水流總停留時間為多少？解：t=2.35minT=4t=4*2.35=9.4min 綜上所述串聯(lián)后水流總停留時間為9.4min15章2、混凝過程中，壓縮雙電層和吸附-電中和作用有何區(qū)別？簡要敘述硫酸鋁混凝作用機理及其與水的pH值的關系。答：壓縮雙電層機理：由膠體粒子的雙電層結構可知，反離子的濃度在膠粒表面處最大，并沿著膠粒表面向外的距離呈遞減分布,最終與溶液中離子濃度相等。當向溶液中投加電解質，使溶液中離子濃度增高，則擴散層的厚度減小。該過程的實質是加入的反離子與擴散層原有反離子之間的靜電斥力把原有部分反離子擠壓到吸附層中，從而使擴散層厚度減小。

由于擴散層厚度的減小，電位相應降低，因此膠粒間的相互排斥力也減少。另一方面，由于擴散層減薄，它們相撞時的距離也減少，因此相互間的吸引力相應變大。從而其排斥力與吸第一格=78第二格=第三格=20=設原水懸浮物體積濃度。假定懸浮顆粒粒徑均勻，有效碰撞系數(shù)=1，水溫按15°C計。設計流量Q=360.。攪拌功率p=195W.試求：（1）絮凝池按PF型反應器考慮，經15min絮凝后，水中顆粒濃度將減低百分之幾？（2）采用3座同體積機械絮凝池串聯(lián)（機械絮凝池按CSTR型反應器考慮），絮凝池總體積與（1）相同。攪拌總功率仍為195W，設3座絮凝池攪拌功率分別為：=100W，，試問顆粒濃度最后減低百分之幾？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反應器并用3個串聯(lián)按公式（14—11）得：帶入數(shù)字得=6.61484.88%何謂膠體穩(wěn)定性？試用膠粒間相互作用勢能曲線說明膠體穩(wěn)定性的原因。膠體的穩(wěn)定性是指膠體粒子在水中長期保持分散懸浮狀態(tài)的特性。致使膠體粒子穩(wěn)定性的主要原因是粒子的布朗運動、膠體粒子間同性電荷的靜電斥力和顆粒表面的水化作用。膠體穩(wěn)定性分為動力學穩(wěn)定和聚集性穩(wěn)定兩種；如圖：將排斥勢能ER與吸引勢能EA相加可得到總勢能E。圖（b）中，當x＝ob時存在最大值Emax，稱為排斥能峰；當x＜oa或x＞oc時，吸引勢能占優(yōu)勢，兩膠?？上嗷ノ?；不過當x〉oc時存在著排斥能峰這一屏障，兩膠粒仍無法靠近。當oa＜x＜ob時，排斥勢能占優(yōu)勢，且存在排斥能峰，兩膠粒相互排斥。因此，只有x＜oa時，吸引勢能EA隨x減小而急劇增大，兩膠粒才會發(fā)生凝聚。如果布朗運動的動能EB＞Emax，兩膠粒之間就可通過布朗運動克服排斥能峰而碰撞凝聚。但是天然水中膠體布朗運動的動能EB＜＜Emax，于是膠體長期處于分散穩(wěn)定狀態(tài)。17章第9題濾料承托層有何作用？粒徑級配和厚度如何考慮？答：濾料承托層的作用，主要是防止濾料從配水系統(tǒng)中流失，同時對均布沖洗水也有一定作用。單層或雙層濾料濾池采用大阻力配水系統(tǒng)時，承托層采用天然卵石或礫石；三層濾料濾池，由于下層濾料粒徑小而重量大，承托層必須與之相適應，即上層采用重質礦石，以免反沖洗移動；為了防止反沖洗時承托層移動，美國也有采用“粗-細-粗”的礫石分層方式，上層粗礫石用以防止中層細礫石向上移動，中層細礫石用以防止砂濾料流失，下層粗礫石則用以支撐中層細礫石。具體粒徑級配和厚度，應根據(jù)配水系統(tǒng)類型和濾料級配確定。10、濾池反沖洗強度和濾層膨脹度之間關系如何？答：膨脹度與沖洗強度的關系：沖洗流速在最小流態(tài)化速度之前，e隨L增大而成曲線增大；當沖洗流速在最小流態(tài)化速度之后，e隨L成直線增長趨勢。14題、答：1.“大阻力”配水系統(tǒng)中孔口阻力大，優(yōu)點是配水均勻性好，缺點是結構復雜，孔口水頭損失大，沖洗時動力消耗大，管道易結垢，檢修困難。“小阻力”配水系統(tǒng)中的孔口阻力小，優(yōu)缺點與“大阻力”相反，對于沖洗水頭優(yōu)先的虹吸濾池和無閥濾池適用。2.S1為配水系統(tǒng)內的水力阻抗，S2為配水孔眼的水力阻抗，S3為承托層的水力阻抗，q1為第一線路的流量，q2為第二條線路的流量。由于反沖洗水在配水系統(tǒng)內所走的路程不同,故反沖洗水在池中分布的均勻程度，常以池中反沖洗強度的最小值和最大值的比值來表示，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，式中阻抗比能趨近于1，從而使得兩條線路的流量比也趨近于1，適當選擇S2的值，就能滿足qmin/qmax≥0.9∽0.95的要求，按這原理設計的配水系統(tǒng)即為大阻力配水。3.的推導Qa=μω(2gHa)1/2Qc=μω(2gHc)1/2Qa/Qc=(Ha/Hc)1/2要求配水均勻性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將②③④代入①即為（令μ=0.62）q:沖洗強度F:濾池面積f:配水系統(tǒng)孔口總面積μ：孔口流量系數(shù)g:重力加速度ω0:干管截面積ωa:支管截面積n:支管根數(shù)Ha:支管a點壓頭15.小阻力配水系有哪些形式？選用時主要考慮哪些因素？答：配水系有鋼筋混凝土穿孔板、穿孔濾磚、濾頭等形式。主要考慮因素有流速、阻力、配水系統(tǒng)造價等因素。20.無閥濾池虹吸上升管中的水位變化是如何引起的?虹吸輔助管管口和出水堰口標高差表示什么？答：無閥濾池虹吸上升管中的水位變化是由于隨著過濾時間的延續(xù)，濾料層水頭損失逐漸增加，虹吸上升管中水位相應逐漸升高，管內原存空氣受到壓縮，一部分空氣將從虹吸下降管出口堰穿過水封進入大氣，當水位上升到虹吸輔助管的管口時，水從輔助管流下，依靠下降水流在管中形成的真空和水流的挾氣作用，抽氣管不斷將虹吸管中的空氣排出，使真空逐漸增大。虹吸輔助管管口和出水堰口標高差表示終期允許水頭損失H。21.無閥濾池反沖洗時，沖洗水箱內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，降低水封井堰口標高有何作用？答：無閥濾池反沖洗時，沖洗水箱內水位和排水水封井上堰口水位之差表示沖洗水頭，亦即虹吸水位差。在有地形可以利用的情況下（如丘陵、山地），降低排水水封井堰口標高以增加可資利用的沖洗水頭。題目22．為什么無伐濾池通常采用2格或3格濾池合用1個沖洗水箱？合用沖洗水箱的濾池格數(shù)過多對反沖洗有何影響？答：（1）當沖洗水頭大于平均沖洗水頭時，整個濾層將全部膨脹起來。若沖洗水箱水深H較大時，在沖洗初期的最大沖洗水頭下，有可能將上層部分細濾料沖出濾池。當沖洗水頭笑語平均沖洗水頭時，下層部分粗濾料將下沉而不再懸浮。因此，采用2格或3格濾池合用1個沖洗水箱減小沖洗水箱水深，可減小沖洗強度的不均勻程度，從而避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。合用一個沖洗水箱的濾池數(shù)愈多，沖洗水箱深度愈小，濾池總高度得以降低。這樣，不僅降低造價，也有利于與濾前處理構筑物在高程上的銜接。沖洗強度的不均勻性也可減小。（2）一般，合用沖洗水箱的濾池數(shù)n=2-3，而以2格合用沖洗水箱者居多。因為合用沖洗水箱濾池數(shù)過多時，將會造成不正常沖洗現(xiàn)象。例如，某一格濾池的沖洗將結束時，虹吸破壞管剛露出水面，由于其余格數(shù)濾池不斷向沖洗水箱大量供水，管口很快又被水封，致使虹吸破壞不徹底，造成該格濾池時斷時續(xù)的不停沖洗。思考題28所謂V型池，其主要特點是是什么？答：V型池是因雙側（或一側也可）進水槽設計成V型而得名，其主要特點是：（1）：可采用較粗濾料較厚濾層以增加過濾周期。由于反沖洗濾層不膨脹，故整個濾層在深度方向粒徑分布均勻，不發(fā)生水力分級現(xiàn)象。即所謂“均質濾料”，使濾層含污能力提高。一般采用沙濾料，有效粒徑的d10=0.95~1.50mm，不均勻系數(shù)K60=（1）2~1.5，濾層厚約0.95~1.5m。（2）氣水反沖再加始終存在的橫向表面掃洗，沖洗效果好，沖洗水量太大減少。5.設濾池平面尺寸為5.4m（長）×4m（寬）。濾層厚70cm。沖洗強度（長）×4m（寬）。濾層厚70cm。沖洗強度q=14L/(s·m2)，濾層膨脹度，濾層膨脹度e=40%。采用3條排水槽，槽長4m，中心距為1.8m。求：（1）.標準排水槽斷面尺寸（2）.排水槽頂距砂面高度（3）.校核排水槽在水平面上總面積是否符合設計要求解：（1）.采用3條排水槽，則槽長: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沖洗排水槽斷面如圖：求斷面模數(shù)：x=0.45Q0.4=0.45×0.1010.4≈0.18m2x=2×0.18=0.36沖洗排水槽底厚采用，保護高0.07m，則槽頂距砂面高度H=e·H2+2.5x+δ+0.07=0.4.×0.7+2.5×0.18+0.05+0.07=0.85m校核沖洗排水槽總面積與濾池面積之比：3×l×2x÷F=3×4×2×0.18÷（5.4×4）=0.2=20%＜25%滿足要求1.為什么粒徑小于濾層中孔隙尺寸的雜質顆粒會被濾層攔截下來？答：懸浮顆粒必須經過遷移和粘附兩個過程才能完成去除的過程。遷移：包括沉淀、擴散、慣性、截阻和水動力效應等5種基本作用。粘附：包括范德華引力、靜電力以及某些化學鍵和某些特殊的化學吸附力作用、絮凝顆粒間的架橋作用等作用。粒徑小于濾層中孔隙尺寸的雜質顆粒遷移到濾料表面時，主要通過粘附作用，即在范德華引力、靜電力、某些化學鍵和某些特殊的化學吸附力作用下，被濾層攔截。而粘附作用主要取決于濾料和水中顆粒表面的物理化學性質，而與粒徑尺寸大小無關。遷移：1、截阻作用：懸浮物沿流線運動，與濾料表面接觸時被俘獲。2、慣性作用：顆粒具有自身的慣性力而脫離流線，到達濾料顆粒表面。3、沉淀作用：水流通過砂濾料層相當于經過無數(shù)微型沉淀池。4、擴散作用：懸浮顆粒物存在濃度梯度，使顆粒物擴散到濾料顆粒表面被俘獲。5、水動力效應作用：水流經過砂濾層具有速度梯度G值，使顆粒發(fā)生轉動而脫離流線。粘附：粘附作用是一種物理化學作用。當水中顆粒遷移到濾料顆粒表面時，在范德華引力、靜電力、某些化學鍵和某些特殊的化學吸附力作用下，被粘附在濾料顆粒表面上，或者粘附在濾料顆粒表面上原先粘附的顆粒上。因此，粘附作用主要取決于濾料和水中顆粒表面的物理化學性質，而無需增大顆粒尺寸。第5題1等速過濾：保持濾池進水流量不變，即濾速保持不變，則水頭損失增大，這叫等速（恒速）過濾。變水頭等速過濾,“等速（恒速）過濾”實際上就是保持濾池流量Q不變，而水頭H隨濾層孔隙率減小而增加，虹吸濾池和無閥濾池就是按“等速過濾”工作的。“等速”過濾，砂濾層縫隙的流速實際上是增大的，水流剪力也不斷增大，從而引起雜質顆粒的脫落和不粘附，所以水質較差，但縮短了過濾周期。2變速過濾：水頭損失保持不變，則濾速減小，這叫變速（減速）過濾。變速過濾,濾速隨時間而逐漸減小的過濾過程稱“變速過濾”或“減速過濾”。普通快濾池及移動沖洗罩濾池即屬于變速過濾的濾池。“減速”過濾，過濾初期濾速較大可使懸浮質深入下層濾料；過濾后期濾速減?。ǖ皩涌p隙中的濾速減小要緩慢得多），可防止顆粒穿透濾層，所以產水量較大，水質較好，過濾周期較長。6.什么叫負水頭?他對沖洗合過濾有何影響?如何避免濾層中負水頭產生?答：“負水頭”是指濾層截留了大量雜質以致砂面以下某一深度處的水頭損失超過該處水深。負水頭會導致溶解于水中的氣體釋放出來而形成氣囊。氣囊對過濾有破壞作用，一是減少了過濾面積，使過濾時的水頭損失及濾層中孔隙流速增加，嚴重時會影響濾后水質；二是氣囊的上升可能將部分細濾料和輕質濾料帶出，破壞濾層結構。反沖洗時，氣囊更易將濾料帶出濾池。避免出現(xiàn)負水頭的方法可以采用增加砂面上的水深，或令濾池出口位置等于或高于濾層表面。7.什么叫濾料“有效粒徑”和“不均勻系數(shù)”？不均勻系數(shù)過大對于過濾和反沖洗有何影響？“均質濾料“的涵義是什么？答：有效離徑是指的是濾料經篩分后，小于總重量10%的濾料顆粒粒徑。“不均勻系數(shù)”是指的是濾料經篩分后，小于總重量80%的濾料顆粒粒徑與有效粒徑之比。不均勻系數(shù)過大對于過濾和反沖洗的影響是“過大導致濾層孔隙率小，含污能力低，從而導致過濾時濾池工作周期縮短；反沖洗時，若滿足細顆粒膨脹要求，粗顆粒將得不到很好清洗。料有效粒徑（d10）是指通過濾料重量10%的篩孔孔徑，濾料不均勻系數(shù)（K80）是指通過濾料重量80%的篩孔孔徑。濾料不均勻系數(shù)過大，過濾時濾層含污能力減??；反沖洗時，為滿足粗顆粒膨脹要求，細顆?？赡鼙粵_出濾池，若滿足細顆粒膨脹要求，粗顆?？赡艿貌坏胶芎玫臎_洗。均質濾料是指濾料均勻，K80等于1。習題4.解:要配水均勻性達到95%以上，即QaQc>=0.95Ha≥9（v2o+v2a）/2g=9（12+22）/（2×9.8）而根據(jù)式17-30及17-33，將式17-33代入式17-30得：Ha=（v/μ）2/2g=（3/0.62）2/（2×9.8）=1.2<2.3故該配水系統(tǒng)的配水均勻性不能達到95%以上。18章2、什么叫自由性氯？什么叫化合性氯？兩者消毒效果有何區(qū)別？簡述兩者消毒原理。答：各種物質介紹見下表：名稱自由性氯化合性氯定義以次氯酸，次氯酸鹽離子和溶解的單質氯形式存在的氯以氯胺和有機氯胺形式存在的總氯的一部分消毒機理主要是次氯酸起作用，它為中性分子，能擴散到帶負電的細菌表面，并通過細胞的細胞壁穿透到細胞內部，起到氧化作用破壞細胞的酶系統(tǒng)而殺死細胞它使微生物的酶被氧化失效，破壞微生物正常的新陳代謝，從而使微生物死亡。消毒效果經濟有效，有后續(xù)消毒效果，技術成熟；有消毒副產物當水中存在有機物和苯酚時，氯胺消毒不會產生氯臭和氯酚臭，且大大減少THMs的生成，能較長時間保持水中余氯。但是，消毒作用緩慢。殺菌能力差什么叫折點加氯？出現(xiàn)折點的原因是什么？折點加氯有何利弊？

答：（1）當水中存在有機物且有機物主要是氨和氮化合物時，水中起始需氯量滿足后，加氯量增加，剩余氯也增加，當繼續(xù)加氯時，雖然加氯量增加，余氯量反而下降，隨著加氯量的進一步增加，剩余氯又上升了。這就稱為折點加氯。

1區(qū)：無余氯，消毒效果不可靠；

2區(qū)：氯與氨反應，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區(qū)：2NH2Cl+HOCl

N2

+HCl+H2O，有效氯減少，NH2Cl被氧化成沒有消毒作用的化合物，最后到達折點B；4區(qū)：胺與HOCl反應完，自由性余氯增加。

出現(xiàn)折點加氯的原因是：水中存在氨和氮的化合物

（3）折點加氯的利弊：當原水受到嚴重污染，一般的加氯量，不能解決問題時，采用折點加氯可取得明顯的效果，它能降低水的色度，去除惡臭，降低水中有機物的含量，能提高混凝效果。但是，當發(fā)現(xiàn)水中有機物能與氯生成THMs后，折點加氯來處理水源水引起人們擔心，因