水质工程学(Ⅰ)例题、思考题、习题答案

水质工程学

（Ⅰ）

例题、思考题、习题参考答案

第1章水质与水质标准

1.水中杂质按尺寸大小可分为几类？了解各类杂质主要来源、特点及一般去除方法。

水中杂质按尺寸大小分为悬浮物、胶体、溶解物三类。

悬浮物：

尺寸较大（1?m-1mm），可下沉或上浮（大颗粒的泥砂、矿碴下沉，大而轻的有机物上浮）。

主要是泥砂类无机物质和动植物生存过程中产生的物质或死亡后的腐败产物等有机物。

这类杂质由于尺寸较大，在水中不稳定，常常悬浮于水流中。

当水静置时，相对密度小的会上浮与水面，相对密度大的会下沉，因此容易去除。

胶体：

尺寸很小（10nm-100nm）, 具有稳定性，长时静置不沉。

主要是粘土、细菌和病毒、腐殖质和蛋白质等。胶体通常带负电荷，少量的带正电荷的金属氧化物胶体。

一般可通过加入混凝剂进去去除。

溶解物：

主要是呈真溶液状态的离子和分子，如Ca2+、Mg2+、Cl-等离子，HCO3-、SO42-等酸根，O2、CO2、H2S、SO2、NH3等溶解气体分子。

溶解物与水成均相，透明。但可能产生色、臭、味。

是某些工业用水的去除对象，需要特殊处理。有毒有害的无机溶解物和有机溶解物也是生活饮用水的去除对象。

2.各种典型水质特点。（数值可不记）

江河水：易受自然条件影响，浊度高于地下水。江河水年内浊度变化大。含盐量较低，一般在70～

900mg/L之间。硬度较低，通常在50～400mg/L(以CaCO3计）之间。江河水易受工业废水和生活污水的污染，色、臭、味变化较大，水温不稳定。

湖泊及水库水：主要由河水补给，水质类似河水，但其流动性较小，浊度较低；湖水含藻类较多，易产生色、臭、味。湖水容易受污染。含盐量和硬度比河水高。湖泊、水库水的富营养化已成为严重的水污染问题。

海水：海水含盐量高，在7.5～43.0g/L之间，以氯化物含量最高，约占83.7%，硫化物次之，再次为碳酸盐，其它盐类含量极少。海水须淡化后才可饮用。

地下水：悬浮物、胶体杂质在土壤渗流中已大部分被去除，水质清澈，不易受外界污染和气温变化的影响，温度与水质都比较稳定，一般宜作生活饮用水和冷却水。含盐量通常高于地表水（海水除外），大部分地下水含盐量在100～5000mg/L, 硬度通常在100～500mg/L(以CaCO3计），含铁量一般10mg/L以下，个别达30mg/L。

3.《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006) 分类指标。

生活饮用水水质标准有四类指标：水的感官性状和一般化学指标、微生物学指标、毒理性指标、放射性指标。

水的感官性状和一般化学指标：色度、浑浊度、臭和味、pH值、总硬度、铁、锰、铜、锌、挥发酚类、阴离子合成洗涤剂、硫酸盐、氯化物、溶解性总固体等。

微生物学指标：细菌总数、大肠菌群、游离性余氯。

补充：

1、水体的富营养化：

水体的富营养化是指富含磷酸盐和某些形式的氮素的水，在光照和其他环境条件适宜的情况下，水中所含的这些营养物质足以使水体中的藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏的现象。水体的富营养化危害很大，对人类健康、水体功能等都有损害，包括：

（1）使水味变得腥臭难闻。（2）降低水的透明度。

（3）消耗水中的溶解氧。（4）向水体中释放有毒物质。

（5）影响供水水质并增加供水成本。（6）对水生生态的影响。

2、水体的自净：

水体的自净是指水体在流动中或随着时间的推移，水体中的污染物自然降低的现象。

通过化学作用和生物作用对水体中有机物的氧化分解，使污染物质浓度衰减，是水体自净的主要过程。

第2章水的处理方法概论

例题

1. 某水样采用CMB反应器进行氯消毒实验，假定投氯量一定，经实验知：细菌被灭活速率为一级反应，且k＝0.92min-1，求细菌灭活99%时所需时间为多少？

解：设原有细菌密度为C0，t时后尚存活的细菌密度为Ci，被杀死的细菌密度则为C0-Ci，根据题意，在t时刻，C0-Ci/C0=99%，Ci = 0.01C0，细菌被灭速率等于活细菌减少速率，于是，r（Ci）＝-k ?Ci ＝-0.92 Ci，代入公式得，t＝-ln(0.01 C0/ C0)/0.92=-4.6/(-0.92)=5min

2. 采用CSTR反应器作为氯化消毒池，条件同上，求细菌去除率达到99％，所需消毒时间为多少？解：Ci = 0.01C0，k＝0.92 min-1，代入公式得：＝[(C0/ Ci)-1]/k=[(C0/ 0.01C0)-1]/0.92＝107.6 min

对比可知，采用CSTR反应器所需消毒时间几乎是CMB反应器时间的21.5倍，由于CSTR反应器仅仅是在细菌浓度为最终浓度Ci = 0.01C0下进行反应，反应速度很低。

3. 在上题中若采用2个CSTR反应器串联，求所需要消毒时间为多少？

解：Cn /C0= 0.01, n=2, 0.01=[1/ (1+0.92 )]2

＝9.9min；＝2 =2*9.9=19.8min

由此可知，采用2个CSTR反应器串联，所需消毒时间比1个反应器大大缩小。串联的反应器数量越多，所需反应时间越短。

1.水的主要物理化学处理方法。

混凝：通过投加化学药剂，使水中的悬浮固体和胶体聚集成易于沉淀的絮凝体。

沉淀和澄清：通过重力作用，使水中的悬浮颗粒、絮凝体等物质被分离去除。

浮选：利用固体或液滴与它们在其中悬浮的液体之间的密度差，实现固-液或液-液分离的方法。

过滤：使固-液混合物通过多孔材料（过滤介质），从而截留固体并使液体（滤液）通过的过程。

膜分离：利用膜的孔径或半渗透性质实现物质的分离。

吸附：通常在水处理中指固相材料浸在液相或气相中，液相或气相物质固着到固相表面的传质现象。离子交换：在分子结构上具有可交换的酸性或碱性基团的不容性颗粒物质，固着在这些基团上的正、

负离子能和基团所接触的液体中的同符号离子交换为对物质的物理外观毫无明显的改变，也不引起变质或增溶作用的过程。

中和：把水的pH调整到接近中性或是调整到平衡pH值的任何处理。

氧化与还原：改变某些金属或化合物的状态，使他们变成不溶解的或无毒的。

2.反应器原理用于水处理有何作用和特点？

作用：应用反应器理论，能够确定水处理装置的最佳形式，估算所需尺寸，确定最佳的操作条件。利用反应器的停留时间分布函数，可以判断物料在反应器里的流动模型，也可以计算化学反应的转化率。

特点：水处理反应器较多在常温常压下工作；水处理反应器的进料多是动态的；水处理工程中通常都是采用连续式反应器。

3.反应器的类型。

按反应器内物料的形态可以分为均相反应器和多相反应器。

按反应器的操作情况可以分为间歇式反应器和连续流式反应器两大类。

连续流式反应器有活塞流反应器（管式反应器）和恒流搅拌反应器（连续搅拌罐反应器）两种完全对立的理想类型。

4.理想反应器模型及其特点。

通过简化可得3种理想反应器：完全混合间歇式反应器（CMB型）、完全混合连续式反应器（CSTR 型）、推流式反应器（PF型）。

完全混合间歇式反应器（CMB型）

反应物投入容器后，通过搅拌使物质均匀混合，同时发生反应，直到反应物到预期要求时，停止操作，排出反应产物。

在反应过程中不存在由物质迁移而导致的物质输入和输出，且假定在恒温下操作。

CMB型反应器通常用于实验室实验或少量的水处理。

完全混合连续式反应器（CSTR型）

当反应物投入反应器后，经搅拌立即与反应器内的料液达到完全均匀混合，新的反应物连续输入，反应产物也连续输出。

输出的产物浓度和成分与反应器内的物料相同。进口浓度和出口浓度不一样。由于快速混合，输出的物料各部分的停留时间各不相同。

推流式反应器（PF型）

反应器的物料仅以相同的流速平行流动，而无扩散作用。物料浓度在垂直液流方向完全均匀，而沿着液流方向将发生变化。这种流型的唯一的质量传递就是平行流动的主流传递。

5.典型给水处理工艺流程。

典型地表水处理流程：

原水→混凝→沉淀→过滤→消毒→饮用水

典型除污染给水处理流程：

原水→预氧化→混凝→沉淀→过滤→活性炭吸附→消毒→饮用水

一般冷却水流程：

1、原水→自然沉淀→冷却用水

2、原水→自然沉淀→混凝→沉淀→冷却用水

除盐水处理流程：

滤过水→阳离子交换→阴离子交换→除盐水

第3章凝聚和絮凝

例题

1.设已知K＝5.14×10-5，G＝30s-1。经过絮凝后要求水中颗粒数量浓度减少3/4，即n0/nM=4，试按理想反应器作以下计算：

1）采用PF型反应器所需絮凝时间为多少分钟？

2）采用CSTR反应器（如机械搅拌絮凝池）所需絮凝时间为多少分钟？

3）采用4个CSTR型反应器串联所需絮凝时间为多少分钟？

解：公式详见书本P74式3-41、42、43

1）将题中数据代入公式得：＝ln4/(5.14×10-5×30)＝899s＝15min

2）将题中数据代入公式得：＝（4-1）/(5.14×10-5×30)＝1946s＝32min

3）将题中数据代入公式得：＝（41/4-1）/(5.14×10-5×30)＝269s

总絮凝时间＝4 ＝4×269＝1076s＝18min

由此可知，推流型絮凝池的絮凝效果优于单个机械絮凝池，但采用4个机械絮凝池串联时，絮凝效果接近推流型絮凝池。

2.某地表水源的总碱度为0.2mmol/L。市售精制硫酸铝（含Al2O3约16％）投量为28mg/L。试估算石灰（市售品纯度为50％）投量为多少mg/L。

解：投药量折合Al2O3为28mg/L×16％＝4.48mg/L，Al2O3分子量为102，故投药量相当于4.48/102=0.044 mmol/L，剩余碱度取0.37 mmol/L，则得：

[CaO]=3×0.044－0.2+0.37＝0.3 mmol/L

CaO分子量为56，则市售石灰投量为：0.3×56/0.5=33 mg/L。

3.某往复式隔板絮凝池设计流量为75000m3/d；絮凝时间采用20min；为配合平流沉淀池宽度和深度，絮凝池宽度22m，平均水深2.8m。试设计各廊道宽度并计算絮凝池长度。

解：

1）絮凝池净长度

设计流量Q=75000*1.06/24=3312.5 m3/h＝0.92 m3/s（水厂自用水量占6％）

絮凝池净长度L＝QT/BH=3312.5*20/(22*2.8*60)=17.92m

2）廊道宽度设计

絮凝池起端流速取0.55m/s，末端流速取0.25 m/s。首先根据起、末端流速和平均水深算出起末端廊道宽度，然后按流速递减原则，决定廊道分段数和各段廊道宽度。

起端廊道宽度b＝Q/Hv＝0.92/（2.8*0.55）=0.597m≈0.6m

末端廊道宽度b＝Q/Hv＝0.92/（2.8*0.25）=1.3m

廊道宽度分为4段、各段廊道宽度和流速见下表。

廊道宽度和流速计算表

廊道分段号 1 2 3 4

各段廊道宽度（m）0.6 0.8 1.0 1.3

各段廊道流速（m/s）0.55 0.41 0.33 0.25

各段廊道数 6 5 5 4

各段廊道总净宽（m） 3.6 4 5 5.2

四段廊道宽度之和∑b＝3.6+4+5+5.2＝17.8m

取隔板厚度δ＝0.1m，共19块隔板，则絮凝池总长度L为：

L＝17.8+19*0.1＝19.7m

如要计算隔板絮凝池水头损失和速度梯度，可根据上表有关数据按公式分别求得。

思考题与习题

混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。

凝聚：胶体脱稳并生成微小聚集体的过程。

絮凝：脱稳胶体或微小悬浮物聚结成大的絮凝体的过程。

混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝剂在水中的水解；③胶体与混凝剂的相互作用。

1. 何谓胶体稳定性？

胶体稳定性是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。

2. 胶体的凝聚机理。

胶体的凝聚机理有4个方面：压缩双电层作用、吸附—电中和作用、吸附—架桥作用、网捕—卷扫作用。

压缩双电层作用：

水中胶体颗粒通常带有负电荷，使胶体颗粒间相互排斥而稳定，当加入含有高价态正电荷离子的电解质时，高价态正离子通过静电引力进入到胶体颗粒表面，置换出原来的低价正离子，这样双电层中仍然保持电中性，但是正离子的数量减少了，即双电层的厚度变薄了，胶体颗粒滑动面上的ζ电位降低。当ζ电位降低至某一数值（临界电位ζk）使胶体颗粒总势能曲线上的势垒处Emax=0时，胶体颗粒即可发生凝集作用。

吸附—电中和作用：

胶体颗粒表面吸附异号离子、异号胶体颗粒或带异号电荷的高分子，从而中和了胶体颗粒本身所带部分电荷，减少了胶体颗粒间的静电斥力，使胶体更易于聚沉。这种吸附作用的驱动力包括静电引力、氢键、配位键和范德华力等，具体何种作用为主要驱动力，由胶体特性和被吸附物质本身的结构决定。

吸附—架桥作用：

不带电，带异号电荷，甚至带有与胶粒同性电荷的高分子物质在范德华引力、共价键、氢键或其他物理化学作用下，与胶粒也产生吸附作用。

当高分子链的一端吸附了某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，形成“胶粒-高分子-胶粒”的絮凝体。在这里高分子起了胶粒与胶粒之间的桥梁作用，故称为吸附架桥作用。

网捕—卷扫作用：