水污染控制工程习题答案

水质工程学（上）例题、思考题、习题 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：

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。

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”

15. 设大阻力配水系统干管起端流速为1m/s；支管起端流速为2m/s；孔口流速为3m/s。试通过计算说明该配水系统的配水均匀性是否达到95％以上。

16. 设滤池平面尺寸为5.4m（长）×4m（宽）。滤层厚70cm。冲洗强度q＝14 L/（s ? m2），滤层膨胀度e＝40％。采用3条排水槽，槽长4m，中心距1.8m。求： （1） 标准排水槽断面尺寸； （2） 排水槽顶距砂面高度；

（3） 校核排水槽在水平面上总面积是否符合设计要求。

17. 滤池平面尺寸、冲洗强度及砂滤层厚度同上题，并已知：冲洗时间6min；承托层厚0.45m；大阻力配水系统开孔比α＝0.25％；滤料密度为2.62g/cm3；滤层孔隙率为0.4；冲洗水箱至滤池的管道中水头损失按0.6m计。求：（1）冲洗水箱容积；（2）冲洗水箱底至滤池排水冲洗槽高度。

第6章 吸附 思考题与习题

1、吸附剂与吸附质的概念。

吸附：在两相界面层中，某物质浓度能够自动地发生富集的现象称为吸附。 吸附剂：具有吸附能力的物质称作吸附剂。

吸附质：被吸附在吸附剂表面的物质称为吸附质。

2、活性炭吸附的应用主要有那几种类型？

活性炭一般有两种应用方式。即粉末炭和粒状炭。

粉末炭：将活性炭制成粉末，直接投入水中吸附水中杂质。

粒状炭：将活性炭制成颗粒，当水经过活性炭滤池过滤时，水中某些杂质即被吸附在活性炭表面。

3、饮用水处理中活性炭吸附有哪些功能？

在饮用水处理中，活性炭的功能表现为以下几个方面：1、臭和味的去除；2、总有机碳的去除；3、消毒副产物前驱物的去除；4、挥发性有机物的去除；5、人工合成有机物的去除。

第7章 氧化还原与消毒 思考题与习题

1. 目前水的消毒方法主要有哪几种？简要评述各种消毒方法的优缺点。 消毒方法：

化学消毒法（氧化剂消毒）：氯、臭氧、二氧化氯、次氯酸钠、过氧化氢、高锰酸盐、高铁酸盐等。

物理消毒方法：紫外线消毒、电化学消毒。 氯：是水处理中应用最广泛的化学氧化方法，主要用于水的消毒。氯消毒效果好，成本较低，可在管网中保持一定余氯量。但氯具有很强的取代作用，在消毒的同时还会与水中有机物进行取代反应，生成一些对人体健康具有潜在危害的卤代副产物，如三卤甲烷、卤乙酸等。 臭氧：是水处理中应用较早的氧化剂。具有很强的杀菌作用，杀菌能力是氯消毒的几百倍；能选择性地降解水中带有不饱和键的多种有机污染物；能提高水中有机物的可生化性。但臭氧在水中不稳定，易散失，且降解有机物过程中可能产生有毒的中间产物。

二氧化氯：消毒能力比氯高几十倍。但二氧化氯需要现场制备，其主要消毒副产物是亚氯酸根，对红血球有破坏作用，因而二氧化氯不宜过多投加。 次氯酸钠：是强氧化剂和消毒剂，但消毒效果不如氯。 过氧化氢：是强氧化剂，主要用于水和污水的高级氧化。

高锰酸盐：是强氧化剂，能选择性地降解水中带有不饱和键的有机物，同时，高锰酸盐在氧化过程中产生的新生态二氧化锰对水中多种微量有机与无机污染物有吸附作用，可在一定程度上提高对水中多种有机污染物和重金属的去除；新生态水和二氧化锰对高锰酸盐氧化一些污染物有催化作用。高锰酸钾的除臭、味作用显著，无副作用。在水处理中有重要的应用潜力。

高铁酸盐：其氧化还原电位比较高，在氧化过程中能形成复杂的中间态成分。具有氧化、絮凝、吸附等多种作用。但高铁酸盐合成难度较大，稳定性需要提高。有一定的研究开发潜力。 紫外线消毒：消毒速度快，几十秒钟即能杀菌；不影响水的物理和化学性质；操作简单。 电化学消毒：消毒效率高。

2. 什么叫自由性氯？什么叫化合性氯？两者消毒效果有何区别？简述两者消毒原理。 自由性氯：自由性氯是Cl2、HOCl与OCL-的统称。

化合性氯：当水中所含的氯以氯胺形式存在时，称为化合性氯。

区别：自由性氯的消毒效果比化合性氯高得多，但是自由性氯消毒的持续性不如化合性氯，后者的持续消毒效果好。

自由性氯消毒原理：一般认为，起消毒作用的主要是次氯酸HOCl。次氯酸HOCl和次氯酸根OCl-均具氧化能力。HOCl是中性分子，可以扩散到带负电的细菌表面，并渗入细菌体内，通过氧化作用破坏细菌体内的酶，进而使细菌死亡。而OCl-带负电，难以接近带负电的细菌表面，杀菌能力比HOCl差得多，生产实践表明，pH值愈低， HOCl 含量愈高，消毒作用愈强。

化合性氯消毒原理：当水中有氨存在时，氯加入含有氨氮的水中后会发生如下可逆反应，并生成一氯胺、二氯胺、三氯胺。 NH3 + HOCl ? NH2Cl + H2O NH2Cl+ HOCl ? NHCl2 + H2O NHCl2+ HOCl ? NCl3 + H2O

氯胺的消毒也是依靠次氯酸（HOCl），即氯胺的消毒作用来自于上述可逆反应中维持平衡所不断释放出来的次氯酸。因此，氯胺的消毒效果慢而持续。

一氯胺、二氯胺、三氯胺的含量与pH有关：

pH>9时，一氯氨占优势 pH=7时，一氯胺和二氯胺同时存在 pH<6.5时，二氯胺占优势 pH<4.5时，三氯胺占优势

3. 水的pH值对氯消毒作用有何影响？为什么？ 水中pH值越低，则HOCl含量越高，消毒作用越强。 水中HOCl与OCl-存在电离平衡：HOCl ? H+ + OCl-

pH越低，则氢离子H+浓度越高，平衡向逆反应方向移动，HOCl含量就越高。而氯消毒过程中，主要通过次氯酸HOCl起消毒作用。因此，水中pH值越低则消毒作用越强。

4. 什么叫折点加氯？出现折点的原因是什么？折点加氯有何利弊？

当水中含有氨和氮化合物时，其实际需氯量满足后，加氯量增加，余氯量增加，但是后者增长缓慢，一段时间后达到峰点，此后加氯量增加，余氯量反而下降，达到折点后，随着加氯量的增加，余氯量又上升，此折点后自由性余氯出现，继续加氯消毒效果最好，即折点加氯。 水中的氨氮可在适当pH值条件下，利用氯系的氧化剂(如Cl2、NaOCl)使之氧化成氯胺(NH2Cl、NHCl2、NCl3)之后，再氧化分解成N2气体而达脱除之目的。此处理方法一般通称为折点加氯法

原因：当余氯为化合性氯时，加氯量增加，一氯胺被氧化成一些不起消毒作用的化合物，余氯反而逐渐减少。当所有消耗氯的物质都反应完全以后，即出现折点。折点后继续加氯，则余氯增加，此时余氯基本为游离性氯，消毒效果最好。

利弊：当原水受污染情况严重时，折点加氯可以降低水的色度、去除臭和味，降低水中有机物含量，提高混凝效果。但是氯化消毒过程中会形成三卤甲烷和卤乙酸等对人体健康具有潜在危害的卤代副产物，需要进行预处理或深度处理。

概念补充：

需氯量：指灭活水中微生物、氧化有机物和无机还原性物质等所消耗的氯。 余氯量：为了抑制水中残存细菌的再度繁殖，管网中尚需维持少量的余氯。

二者关系：1、理想状况下，水中不存在消耗氯的微生物、有机物和还原性物质时，加氯量等于余氯量。2、天然水中存在着微生物、有机物以及还原性无机物质。投氯后，有一部分氯被消耗（即需氯量），氯的投加量减去消耗量即得到余氯。

5. 什么叫余氯？余氯的作用是什么？

余氯：水中投氯后，有一部分氯被水中的微生物、有机物以及还原性物质所消耗，剩余的氯含量即为余氯。

作用：为了抑制水中残存细菌的再度繁殖，管网中尚需维持少量的余氯，以保持水质符合标准。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5hbo.html