给水工程课后思考题答案

《给水工程》课后习题答案

十四章 给水处理概论

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

答：杂质无外乎两种来源：一是自然过程，例如地层矿物质在水中的溶解，水中微生物的繁殖及其死亡残骸等；二是人为因素，即工业废水、农业污水及生活污水的污染。水中杂质按尺寸大小可分成三类： 悬浮物：悬浮物尺寸较大，易于在水中下沉或上浮。粒径大于０.1mm的泥砂去除较易，通常在水中很快下沉。粒径较小的悬浮物，须投加混凝剂方可去除。

胶体杂质：尺寸很小，在水中长期静置也难下沉，水中所存在的胶体通常有粘土、某些细菌及病毒、腐殖质及蛋白质等。有机高分子物质通常也属于胶体一类。天然水中的胶体一般带有负电荷，有时也含有少量正电荷的金属氢氧化物胶体。须加混凝剂方可去除。

溶解杂质：分为有机物和无机物两类。它们与水所构成的均相体系，外观透明，属于真溶液。有的无机溶解物可使水产生色、臭、味。

2、了解《生活饮用水卫生标准》中各项指标的意义。 答：在《标准》中所列的水质项目可分成以下几类。

一类属于感官性状方面的要求。浊度、色度、臭和味以及肉眼可见物等。 第二类是对人体健康有益但不希望过量的化学物质。 第三类是对人体健康无益但一般情况下毒性也很低的物质。 第四类有毒物质。

第五类细菌学指标，目前仅列细菌总数、总大肠菌数和余氯三项。 3、反应器原理用于水处理有何作用和特点？

答：反应器是化工生产过程中的核心部分.在反应器中所进行的过程,既有化学反应过程,又有物理过程,影响因素复杂。在水处理方面引入反应器理论推动了水处理工艺发展。在化工生产过程中，反应器只作为化学反应设备来独立研究，但在水处理中，含义较广泛。许多水处理设备与池子都可作为反应器来进行分析研究，包括化学反应、生物化学反应以至物理过程等。例如，水的氯化消毒池，除铁、除锰滤池、生物滤池、絮凝池、沉淀池等等，甚至一段河流自净过程都可应用反应器原理和方法进行分析、研究。

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4、试举出3种质量传递机理的实例。

答：质量传递输可分为：主流传递；分子扩散传递；紊流扩散传递。

1）主流传递：物质随水流主体而移动，它与液体中物质浓度分布无关，而与流速有关。实例：在平流池中，物质将随水流作水平迁移。物质在水平方向的浓度变化，是由主流迁移和化学引起的。

2）分子扩散传递：与浓度梯度有关。在静止或作层流运动的液体中，存在浓度梯度的话，高浓度区内的组分总是向低浓度区迁移，最终趋于均匀分布状态，浓度梯度消失。实例：如平流池存在浓度梯度时。

3）紊流扩散传递：在紊流状态下，液体质点不仅具有随水流前进的运动，还具有上下左右的脉动，且伴有涡旋。在绝大多数情况下，水流往往处于紊流状态。水处理构筑物中绝大部分都是紊流扩散。 5、3种理想反应器的假定条件是什么？研究理想反应器对水处理设备的设计和操作有何作用。 答：3种理想反应器的假定条件如下

1）完全混合间歇式反应器（CMB型）：不存在由物质迁移而导致的物质输入和输出、且假定是在恒温下操作。

2）完全混合连续式反应器（CSTR型）：反应器内物料完全均匀混合且与输出产物相同的假定，且是在恒温下操作。

3）推流型反应器（PF型）：反应器内的物料仅以相同流速平行流动，而无扩散作用。这种流型唯一的质量传递就是平行流动的主流传递。

在水处理中，反应器含义较广泛。许多水处理设备与池子都可作为反应器来进行分析研究，包括化学反应、生物化学反应以至物理过程等。例如，氯化消毒池，除铁、除猛滤池，生物滤池等等。在水处理方面引入反应器理论，提供了一种分析研究水处理工艺设备的方法和思路，推动了水处理工艺发展。通过简化的反应器称理想反应器，虽然理想反应器内不能完全准确地描述反应器内所进行的实际过程，但可近似反应真实反应器的特征。而且，由理想反应器模型可进一步推出偏离理想状态的实际反应器模型。

6、为什么串联的CSTR型反应器比同体积的单个CSTR型反应器效果好？(8’)

答：串联的反应器数愈多，所需反应时间愈短，理论上，当串联的反应器数n??时，所需反应时间将趋近于CMB型和PF型的反应时间。

7、混合与返混合在概念上有何区别？返混合是如何造成的？

答：CMB和CSTR反应器内的混合是两种不同的混合。前者是同时进入反应器又同时流出反应器

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的相同物料之间的混合，所有物料在反应器内停留时间相同；后者是在不同时间进入反应器又在不同时间流出反应器的物料之间的混合，物料在反应器内停留时间各不相同，理论上，反应器内物料的停留时间由0至无穷大。这种停留时间不同的物料之间混合，在化学反应工程上称之为“返混”。显然，在PF反应器内，是不存在返混现象的。造成返混的原因，主要是环流、对流、短流、流速不均匀、设备中存在死角以及物质扩散等等。

返混：广义地说，泛指不同时间进入系统的物料之间的混合，狭义地说，返混专指物料逆流动方向的流动和混合。

8、PF型和CMB型反应器为什么效果相同？两者优缺点比较。

答：在推流型反应器的起端（或开始阶段），物料是在C0的高浓度下进行反应，反应速度很快。沿着液流方向，随着流程增加（或反应时间的延续），物料浓度逐渐降低，反应速度也随之逐渐减小。这与间歇式反应器的反应过程是完全一样的。介它优于间歇式反应器的在于：间歇式反应器除了反应时间以外，还需考滤投料和卸料时间，而推流型反应器为连续操作。

9.为什么CSTR型反应器生产能力低于PF型？

在PF反应器内，液流以相同流速平行流动，物料浓度在垂直于流动方向完全混合均匀，但沿流动反向绝无混合现象，物料浓度在流动方向形成浓度梯度。而在CSTR型反应器内，物料完全均匀混合，无论进口端还是出口端，浓度都相同。PF型反应器在进口端是在高浓度C0下进行反应，反应速率高，只是在出口端才在低浓度Ce下进行反应。而CSTR型始终在低浓度Ce下进行反应，故反应器始终处于低反应速率下操作，这就是CSTR型反应器生产能力低于PF型的原因。

10、何谓“纵向分散模型”（PFD）？纵向分散模型对水处理设备的分析研究有何作用？(7’)

答：实际反应器总是介于推流型和完全混合连续流型之间。纵向分散模型就是在推流型基础上加上一个纵向的混合，而这种混合又可设想为一种扩散所引起的，其中既包括分子扩散、紊流扩散，又包括短流、环流、流速不均匀等。只要这种模型与实际所研究的对象基本等效，不必去深究扩散机理及其它细节。纵向分散模型介于CSTR型和PF型之间，所以在对水处理设备的分析研究中采用此模型更贴近实际反应器模，在水处理中，沉淀池、氯消毒池、生物滤池、冷却塔等，均可作为PFD型反应器来进行研究。

第十五章 混凝

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1、何谓胶体稳定性？试用胶粒间互相作用势能曲线说明胶体稳定性的原因。

答：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。

胶体稳定性分”动力学稳定”和’聚集稳定”两种。动力学稳定性系指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力，粒子愈小，动力学稳定性愈高。聚集稳定性系指胶体粒子之间不能相互聚集的特性。胶体粒子很小，比表面积大从而表面能很大，在布朗运动作用下，有自发地相互聚集的倾向。但由于粒子表面同性电荷的斥力作用或水化膜的阻碍使这种自发聚集不能发生。胶体稳定性，关键在于聚集稳定性。

对憎水胶体而言，聚集稳定性主要决定于胶体颗粒表面的动电位即ζ电位，ζ电位愈高，同性电荷斥力愈大。虽然胶体的ζ电位是导致聚集稳定性的直接原因，但研究方法却可从两胶粒之间相互作用力及其与两胶粒之间的距离关系来评价。DLVO理论认为，当两个胶粒相互接近以致双电层发生重叠时，便产生静电斥力,其与两胶粒表面间距x有关，用排斥势能ER表示，排斥势能随x增大而指数关系减小。相互接近的两胶粒之间同时还存在范德华引力，用吸引势能EA表示，与x成反比。当0a

对于亲水胶体(如有机胶体或高分子物质)而言，水化作用确是胶体聚集稳定性的主要原因。它们的水化作用往往来源于粒子表面极性基团对水分子的强烈吸附，使粒子周围包裹一层较厚的水化膜阻碍胶粒相互靠近。

2、混凝过程中，压缩双电层和吸附-电中和作用有何区别？简要叙述硫酸铝混凝作用机理及其与水的pH值的关系。

答：压缩双电层机理：当向溶液中投加电解质，使溶液中反离子浓度增高，加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，使扩散层的厚度减小。从而不仅两胶粒吸引力相应变大，并且造成电位相应降低，使胶粒间的相互排斥力减少。此时，合力由斥力变成引力，胶粒得以迅速凝聚。

吸附-电中和机理：胶粒表面吸附异号离子、异号胶粒、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，降低了ξ电位，使胶体颗粒更易于聚沉。这种吸附作用的驱动力包括静电力、氢键、配位键和范德华力等等。

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此机理可解释再稳现象。胶粒吸附了过多的反离子，使原来的电荷变号，排斥力变大，从而发生了再稳现象。

吸附架桥作用：是指分散体系中的胶体颗粒通过吸附有机或无机高分子物质架桥连接，凝集为大的聚集体而脱稳聚沉，此时胶体颗粒之间并不直接接触，高分子物质在两个胶体颗粒之间像一座桥将他们连接起来。

网捕-卷扫作用：当铝盐或铁盐混凝剂投量很大而形成大量氢氧化物沉淀时，可以网捕、卷扫水中胶体以致产生沉淀分离。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比。

根据原水水质不同，在同一原水混凝中可能发生多种作用机理。无论哪一种作用机理都并非十全十美。

硫酸铝混凝作用机理及其与水的pH值的关系： pH<3时，简单水和铝离子可压缩双电层作用。

pH=4.5-6.0范围内时,主要是多核羟基配合物对负电荷胶体起吸附-电中和作用；pH=7-7.5范围内，电中性氢氧化铝聚合物可起吸附架桥作用，同时也存在某些羟基配合物的电性中和作用。 天然水的pH一般在6.5-7.8之间，铝盐的混凝作用主要是吸附架桥和电性中和。当铝盐投加量过大，可起网捕和卷扫作用。在一定的PH值下，几种作用都可能同时存在，只是程度不同。如果水中胶粒含量过低，往往需要投加大量铝盐混凝剂使之产生卷扫作用才能发生混凝作用。 3．高分子混凝剂投量过多时，为什么混凝效果反而不好？

答：如投加量过大时，胶体颗粒表面被高分子所覆盖，两胶粒接近时，受到胶粒与胶粒之间因高分子压缩变形产生的反弹力和带电高分子之间的静电排斥力，使胶体不能聚集。

最佳投量应是既能把胶粒快速絮凝起来，又可使絮凝起来的最大胶粒不易脱落。 4、目前我国常用的混凝剂有哪几种？各有何优缺点？ 答：铝系：硫酸铝、聚合氯化铝（PAC）

铁系：三氯化铁、硫酸亚铁、聚合硫酸铁（PFS） 有机高分子混凝剂：聚丙烯酰胺（PAM）。 优缺点： 硫酸铝 优点 给处理后的水质带来不良影响 缺点 较松散；不溶杂质含量较多；酸度较高而腐蚀性强，溶解与投加设备需考滤防腐。 聚合氯化1.形成絮凝体速度快,絮凝体大而密实，沉缺点无 5

价格较低，使用便利，混凝效果较好，不会当水温低时，硫酸铝水解困难，形成的絮体

铝 降性能好; 2.投加量比无机盐类混凝剂低;3.机理：主要是利用水解缩合过程中产生的高水水质适应性好；5.对设备的腐蚀程度小,和作用。 处理后水的pH值和碱度变化也较小。 （PAC） 适宜的PH值范围较宽(在5～9间);4.对原价多核配合物的压缩双电层作用和吸附电中三氯化铁 极易溶于水；形成的絮凝体密实，沉淀性好；固体产品极易吸水潮解，不易保管；腐蚀性处理低温水或低浊水效果比铝盐的好；适用较强；处理后水色度较铝盐处理水高；最佳的pH值范围较宽，投加连比硫酸铝小。 硫酸亚铁 价格低廉 投加量范围较窄，不易控制等。 不如三价铁盐那样有良好的混凝效果；残留在水中的 Fe2+会使处理后的水带色。 聚合硫酸投加剂量少；絮体形成快，沉降速度也快； 铁 有效的pH值范围宽；与三氯化铁相比腐蚀性大大降低，处理后的色度和铁离子含量均较低。 聚丙烯酰混凝效果在于对胶体表面具有强烈的吸附有毒，毒性在于单体丙烯酰胺。 胺 作用，在胶粒之间形成桥联。常作助凝剂以（PAM） 配合铝盐和铁盐作用，效果显著。 Ps：合成有机高分子絮凝剂可分为阳离子型（占重要地位）、阴离子型、两性聚合物以及非离子型聚合物。非离子的主要品种是聚丙烯酰胺（PAM）。与合成高分子絮凝剂相比，天然高分子物质分子量低，电荷密度较小，易生物降解而失去活性，因此实际应用不多。但其毒性可能比合成高分子要小，而且由于易于生物降解，不会引起环境污染问题，所以这反面的研究受到关注。 5、什么叫助凝剂？常用的助凝剂有哪几种？在什么情况下需要投加助凝剂？

答：在单独使用混凝剂不能取得预期效果时，需投加某种辅助药剂以提高混凝效果，这种药剂称为助凝剂。传统意义上的助凝剂通常是高分子物质，其作用往往是为了改善絮凝体结构，促使细小而松散的絮粒变得粗大而密实，作用机理是高分子物质的吸附架桥。

常用的助凝剂有：骨胶、聚丙烯酰胺及其水解物、活化硅酸、海藻酸钠等。

当单独使用混凝剂效果不佳时采用助凝剂，例如：对于低温、低浊度水采用铝盐或铁盐混凝剂时，形成絮粒往往细小松散，不易沉淀。当加如少量活化硅酸时，絮凝体的尺寸和密度就会增大，沉速加快。 6、为什么有时需将PAM在碱化条件下水解成HPAM？PAM水解度是何涵义？一般要求水解度为多少？

答：PAM聚丙烯酰胺，混凝效果在于对胶体表面具有强烈的吸附作用，在胶粒之间形成桥联。由于酰胺基之间的氢键作用，线性分子往往不能充分伸展开来，致使桥架作用消弱。为此，通常将PAM在

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碱性条件下（pH>10）进行部分水解，生成阴离子型水解聚合物（HPAM）

PAM水解度：由酰胺基转化为羟基的百分数称水解度。一般控制水解度在30%--40%较好。 7.何谓同向絮凝和异向絮凝？两者絮凝速率（或碰撞数率）与哪些因素有关？

同向絮凝：由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集称为同向絮凝。其速率与颗粒直径的三次方成正比，与颗粒数量浓度平方成正比，以及速度梯度一次方成正比。

异向絮凝：由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集称异向絮凝。其速率与水温成正比，与颗粒的数量浓度平方成反比，而与颗粒尺寸无关。

8.混凝控制指标有哪几种？为什么要重视混凝控制指标的研究？你认为合理的控制指标应如何确定？ 在絮凝阶段，以同向絮凝为主。同向絮凝不仅与G值有关，还与絮凝时间T有关。TN0即为整个絮凝时间内单位体积流体中颗粒碰撞次数，因N0与G成正比，因此在絮凝阶段，通常以G值或GT值作为控制指标。重视混凝剂控制指标的研究，可以控制混凝效果，即节省能源，取得好的混凝效果。

在絮凝过程中，所施功率或G值愈大，颗粒碰撞速率愈大，絮凝效果愈好，但实际絮凝过程中，G值增大时，水流的剪切力也随之增大，已形成的絮体有破碎的可能，如何计算或控制一个最佳G值，使达到最佳的絮凝效果又不致使絮凝体破裂的G值能有待研究。

由于大的絮凝体容易破碎，故自絮凝开始至絮凝结束，G值应渐次减小。

9.絮凝过程中，G值的真正涵义是什么？沿用依旧的G值和GT值的数值范围存在什么缺陷？请写出机械絮凝池和水力絮凝池的G值公式。

G值表示速度梯度，控制混凝效果的水力条件，反映能量消耗概念。

旧的G值和GT值变化幅度很大，从而失去控制意义。而且按公式求得的G值，并未反应有效功率消耗。

G值公式：G?p??gh ??T10．折板絮凝池混凝效果为什么优于隔板絮凝池？

答：折板絮凝池的优点是：水流在同波折板之间曲折流动或在异波折板之间间缩放流动且连续不断，以至形成众多的小涡旋，提高了颗粒碰撞絮凝效果。与隔板絮凝池相比，水流条件大大改善，亦即在总

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的水流能量消耗中，有效能量消耗比例提高，故所需絮凝时间可以缩短，池子体积减小，絮凝效果良好。 11.影响混凝效果的主要因素有哪几种？这些因素是如何影响混凝效果的？

影响混凝效果的主要因素有水温，水的PH值和碱度及水中悬浮物浓度、有机物污染。 水温：a.无机盐的水解是吸热反应，低温水混凝剂水解困难；

b.低温水的粘度大，使水中杂质颗粒布朗运动强度减弱，碰撞机会减少，不利于胶粒脱稳凝聚；

c.水温低时胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶体混凝； d.水温与水的PH值有关。

PH值：水的PH对混凝效果的影响很大。一方面，不同的PH值下胶体颗粒的表面电荷和电位不同，所需要的混凝剂量也不同；另一方面，水的pH对混凝剂的水解反应有显著影响。

水的碱度：当原水碱度不足或混凝剂投量甚高时，水的pH值将大幅度下降以至影响混凝剂继续水解。如果水的PH值超出混凝剂最佳混凝pH值范围，将使混凝效果受到显著影响。

悬浮物浓度：含量过低时，颗粒碰撞速率大大减小，混凝效果差。含量高时，所需铝盐或铁盐混凝剂量将大大增加。

水中有机污染物的影响：水中中有机物对胶体有保护稳定作用，阻碍胶体颗粒之间的碰撞，阻碍混凝剂与胶体颗粒之间的脱稳凝聚作用。

此外，混凝剂种类与投加量、混凝剂投加方式、水力条件对混凝效果的影响都是非常显著的。要根据水质情况和所投加的混凝剂优化选择。

12.混凝剂有哪几种投加方式？各有何优缺点及其适用条件？

混凝剂投加分固体投加（干投）和液体投加（湿投）两种方式。Ps：搅拌装置有机械搅拌、压缩空气搅拌及水力搅拌等。 常用的有：

1）、泵前投加 该投加方式安全可靠，一般适用于取水泵房距水厂较近者

2）、高位溶液池重力投加 该投加方式安全可靠，但溶液池位置较高。适用于取水泵房距水厂较远者 3)、水射器投加 该投加方式设备简单，使用方便，溶液池高度不受太大限制，但水射器效率较低，

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且易磨损。

4）、泵投加 有两种方式：一是采用计量泵，一是采用离心泵配上流量计。采用计量泵不必另备计量

设备，泵上有计量标志，最适合用于混凝剂自动控制系统。

13．何谓混凝剂“最佳剂量”？如何确定最佳剂量并实施自动控制？

混凝剂“最佳剂量”，即混凝剂的最佳投加量，是指达到既定水质目标的最小混凝剂投加量。目前问过大多数水厂还是根据实验室混凝搅拌试验确定混凝剂最佳剂量，然后进行人工调整。这种方法虽然简单易行，但实验结果到生产调节往往滞后，且试验条件与生产条件也很难一致，故试验所得最佳剂量未必是生产上的最佳剂量。混凝工艺的自动控制技术正逐步推广应用，主要有数学模型法、现场模拟实验法、特性参数法等。

14.当前水厂中常用的混合方法有哪几种？各有何优缺点？在混合过程中，控制G值的作用是什么？ 1）水泵混合 混合效果好，不需另建混合设施，节省动力，大、中、小型水厂均可采用。但采用FeCl3混凝剂时，若投量较大，药剂对水泵叶轮可能有轻微腐蚀作用。适用于取水泵房靠近水厂处理构筑物的场合，两者间距不宜大于150m。

2）管式混合 简单易行。无需另建混合设备，但混合效果不稳定，管中流速低，混合不充分。

3）机械混合池 混合效果好，且不受水量变化影响，缺点是增加机械设备并相应增加维修工作。 控制G值的作用是可以控制混凝效果，即节省能源，取得好的混凝效果。

15．当前水厂中常用的絮凝设备有哪几种？各有何优缺点？在絮凝过程中，为什么G值应自进口至出口逐渐减少？

分为两大类:水力搅拌式和机械搅拌式。

1）、隔板絮凝池 包括往复式和回转式两种。优点：构造简单，管理方便。缺点：流量变化大时，絮凝效果不稳定，絮凝时间长，池子容积大。

2）、折板絮凝池 优点：与隔板絮凝池相比，提高了颗粒碰撞絮凝效果，水力条件大大改善，缩短了絮凝时间，池子体积减小。缺点：因板距小，安装维修较困难，折板费用较高。

3）、机械絮凝池 优点：可随水质、水量变化而随时改变转速以保证絮凝效果，能应用于任何规模水厂 缺点：需机械设备因而增加机械维修工作。

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G值增大时，水流的剪切力也随之增大，已形成的絮体有破碎的可能。絮凝过程中絮凝体尺寸逐渐增大，为避免絮凝体破碎，絮凝设备内的流速及水流转弯处的流速应沿程逐渐减少，从而G值也沿程逐渐减少。

16.采用机械絮凝池时，为什么要采用3-4档搅拌机且各档之间需用隔墙分开？

因为单个机械絮凝池接近于CSTR型反应器，故宜分格串联。分格愈多，愈接近PF型反应器，絮凝效果愈好，但分格过多，造价增高且增加维修工作量。各档之间用隔墙分开是为防止水流短路。

16章 沉淀和澄清

1．什么叫自由沉淀，拥挤沉淀和絮凝沉淀？

答：在沉淀过程中，彼此没有收到干扰，只收到颗粒本身在水中的重力和水流阻力的作用，称为自由沉淀。

颗粒在沉淀的过程中，彼此相互干扰，或者收到容器壁的干扰，虽然其粒度和第一种相同，但沉淀速度却较小，称为拥挤沉淀。

拥挤沉淀：颗粒的沉降受到周围其他颗粒的影响，颗粒间相对位置保持不变，形成一个整体共同下沉，与澄清水之间有一个清晰的泥水界面。

2．已知悬浮颗粒密度和粒径，可否采用公式（16-4）直接求得颗粒沉速？为什么？

答：不能够。因为从（16-4）式可以知道，要求得颗粒的沉速，除了要知道悬浮颗粒密度和粒径外，还需要知道阻力系数Cd。

3．了解肯奇沉淀理论的基本概念和它的用途。 答：肯奇理论：Ct=CoHo/Ht

涵义：高度为Ht，均匀浓度为Ct沉淀管中所含悬浮物量和原来高度为Ho,均匀浓度为Co的沉淀管中所含悬浮物量相等。

4．理想沉淀池应符合哪些条件？根据理想沉淀条件，沉淀效率与池子深度、长度和表面积关系如何？ 答：1）颗粒处于自由沉淀状态。

2）水流沿着水平方向流动，流速不变。

3）颗粒沉到池底即认为已被去除，不再返回水流中。

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去除率E?uiQ/A由式子可知：悬浮颗粒在理想沉淀池中的去除率只与沉淀池的表面负荷有关，

而与其他因素如水深，池长，水平流速和沉淀时间均无关。

5．影响平流沉淀池沉淀效果的主要因素有哪些？沉淀池纵向分格有何作用？

答：1)沉淀池实际水流状况对沉淀效果的影响。（包括水流的紊动性和水流稳定性；分别用雷诺数Re和弗劳德数Fr）；2）凝聚作用的影响。

沉淀池纵向分格/斜板/斜管沉淀池可以减小水力半径R从而降低Re和提高Fr数，有利于沉淀和加强水的稳定性，从而提高沉淀效果。

6．沉淀池表面负荷和颗粒截留沉速关系如何？两者涵义有何区别？

Q答：u0? 表面负荷在数值上等于截留沉速，但涵义不同。前者是指单位沉淀池表面积的产水量，

A后者代表自池顶开始下沉所能全部去除的颗粒中的最小颗粒的沉速。 7.设计平流沉淀池是根据沉淀时间、表面负荷还是水平流速?为什么?

ui答:设计平流沉淀池是根据表面负荷.因为根据E=可知,悬浮颗粒在理想沉淀池中的去除率只

Q/A与沉淀池的表面负荷有关,而与其他因素如水深、池长、水平流速和沉淀时间均无关。 8.平流沉淀池进水为什么要采用穿孔隔墙?出水为什么往往采用出水支渠?

答:平流沉淀池进水采用穿孔隔墙的原因是使水流均匀地分布在整个进水截面上,并尽量减少扰动。增加出水堰的长度或堰口布置，采用出水支渠是为了使出水均匀流出,缓和出水区附近的流线过于集中，降低堰口的流量负荷。

9.斜管沉淀池的理论根据是什么?为什么斜管倾角通常采用60度?

答：斜管沉淀池的理论根据：根据公式E=

ui，在沉淀池有效容积一定的条件下，增加沉淀面积，Q/A可使颗粒去除率提高。因为斜管倾角越小，沉淀面积越大，沉淀效率越高，但对排泥不利，根据生产实践，故倾角宜为60度。

10.澄清池的基本原理和主要特点是什么？

答：基本原理：原水加药后进入澄清池，使水中的脱稳杂质与澄清池中的高浓度泥渣颗粒充分接触碰撞凝聚，并被泥渣层拦截下来，水得到澄清。

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主要特点：澄清池将絮凝和沉淀两个过程综合与一个构筑物内完成，主要利用活性泥渣层达到澄清的目的。当脱稳杂质随水流与泥渣层接触时，便被泥渣层阻留下来，使水获得澄清。 11简要叙述书中所列四种澄清池的构造，工作原理和主要特点？ 悬浮澄清池 主要构造 工作原理 主要特点 气水分离器，加药后的原水经汽水分离（作用：分离空气，一般用于小型水厂，处理效果受水澄清室，泥渣以免进入澄清池扰动泥渣层）从配水管进入质，水量等变化影响大，上升流速较浓缩室等 澄清室，水自下而上通过泥渣层，水中杂质被泥渣层截留，清水从集水槽流出，泥渣进入浓缩室浓缩外运。 小。 脉冲澄清池 脉冲发生器， 原水由进水管进入进水室，由于真空泵造成进水室 ，真空泵， 进水澄清池的上升流速发生周期性的变的真空使进水室水位上升，此为进水过程，化，处理效果受水量水质 水温影响当水位达到最高水位时，进气阀打开通入空较大，构造也较复杂。 管 ，稳流板 气，进水室的水位迅速下降，此为澄清池放水过程。通过反复循环地进水和放水实现水的澄清。 机械搅拌澄清池 第一絮凝室， 第二絮凝加药后的原水进入第一絮凝室和第二泥渣的循环利用机械进行抽升，增加絮凝室内与高浓度的回流泥渣相接触，达到维修工作，结构较复杂。泥渣回流量室 ，分离室 较好的絮凝效果，结成大而重的絮凝体，在大，浓度高，需按要求进行调整控制， 分离室中进行分离。 对原水的水量、水质、水温的变化适应性强。 水力循环澄清池 第一絮凝室， 第二絮凝室 ，泥渣浓原水从池底进入，先经喷嘴高速喷入喉结构较简单，无需机械设备，但泥渣管，在喉管下部喇叭口造成真空而吸入回流回流量难以控制，且因絮凝室容积较泥渣。原水和泥渣在喉管剧烈混合后被送入小，絮凝时间较短，处理效果较机械12

缩室 ，分离室 ，喷嘴 两絮凝室，从絮凝室出来的水进入分离室进澄清池差，耗药量大，对原水水量，行泥水分离。泥渣一部分进入浓缩室，一部水质和水温的变化适应性较差，适用分进行回流。 于中、小型水厂。 前两种是泥渣悬浮型澄清池，后两种是泥渣循环型澄清池。

第17章 过滤

1、为什么粒径小于滤层中孔隙尺寸的杂质颗粒会被滤层拦截下来？

答：颗粒较小时，布朗运动较剧烈，然后会扩散至滤粒表面而被拦截下来。 2、从滤层中杂质分布规律，分析改善快滤池的几种途径和滤池发展趋势。

答：使用双层滤料、三层滤料或混合滤料及均质滤料等滤层组成以改变上细下粗的滤层中杂质分布严重的不均匀现象，提高滤层含污能力。

3、直接过滤有哪两种方式？采用原水直接过滤应注意哪些问题？

答：两种方式：1、原水经加药后直接进入滤池过滤，滤前不设任何絮凝设备，这种过滤方式一般称“接触过滤”2、滤池前设一简易微絮凝池，原水加药混合后先经微絮凝池，形成粒径相近的微絮凝池后（粒径大致在40～60μm左右）即刻进入滤池过滤，这种过滤方式称“微絮凝过滤”。

注意问题：1）原水浊度和色度较低且水质变化较小。2)采用双层、三层或均质材料，滤料粒径和厚度适当增大，否则滤层表面孔隙易被堵塞。3)水进入滤池前，无论是接触过滤或微絮凝过滤，均不应形成大的絮凝体以免很快堵塞滤层表面孔隙。4)滤速应根据原水水质决定。

4、清洁滤层水头损失与哪些因素有关？过滤过程中水头损失与过滤时间存在什么关系？可否用数学式表达？

答：因素：滤料粒径、形状、滤层级配和厚度及水温。 随着过滤时间的延长，滤层中截留的悬浮物量逐渐增多，滤层孔隙率逐渐减小，当滤速保持不变的情况下，将引起水头损失的增加。

5、什么叫“等速过滤”和“变速过滤”？两者分别在什么情况下形成？分析两种过滤方式的优缺点并指出哪几种滤池属“等速过滤”。

答：当滤池过滤速度保持不变，亦即滤池流量保持不变时，称“等速过滤”。滤速随过滤时间而逐渐减

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小的过滤称“变速过滤”。

随着过滤时间的延长，滤层中截留的悬浮物量逐渐增多，滤层孔隙率逐渐减小，由公式可知道，当滤料粒径、形状、滤层级配和厚度以及水温已定时，如果孔隙率减小，则在水头损失保持不变的条件下，将引起滤速的减小；反之，当滤速保持不变的情况下，将引起水头损失的增加。这样就产生了等速过滤和变速过滤两种基本过滤方式。

与等速过滤相比，在平均滤速相同情况下，减速过滤的滤后水质较好，而且，在相同过滤周期内，过滤水头损失也较小。过滤初期，滤速较大可使悬浮杂质深入下层滤料；过滤后期滤速减小，可防止悬浮颗粒穿透滤层。等速过滤则不具备这种自然调节功能。

虹吸滤池和无阀滤池即属等速过滤的滤池，移动罩滤池属变速过滤的滤池，普通快滤池可以设计成变速过滤也可设计成等速过滤。

6.什么叫“负水头”?它对过滤和冲洗有何影响?如何避免滤层中“负水头”的产生?

答：在过滤过程中,当滤层截留了大量的杂质以致砂面以下某一深度处的水头损失超过该处水深时,便出现负水头现象.

负水头会导致溶解于水中的气体释放出来而形成气囊。气囊对过滤有破坏作用,一是减少有效过滤面积,使过滤时的水头损失及滤层中孔隙流速增加,严重时会影响滤后水质;二是气囊会穿过滤层上升,有可能把部分细滤料或轻质滤料带出,破坏滤层结构。反冲洗时,气囊更易将滤料带出滤池。

避免出现负水头的方法是增加砂面上水深,或令滤池出口位置等于或高于滤层表面,虹吸滤池和无阀滤池所以不会出现负水头现象即是这个原因。

7.什么叫滤料“有效粒径”和“不均匀系数”?不均匀系数过大对过滤和反冲洗有何影响?“均质滤料”的涵义是什么?

滤料的有效径粒是指通过滤料重量的筛孔孔径,不均匀系数表示滤料粒径级配.不均匀系数愈大,表示粗细尺寸相差愈大,颗粒愈不均匀,这对过滤和冲洗都很不利。因为不均匀系数较大时,过滤时滤层含污能力减小;反冲洗时,为满足粗颗粒膨胀要求,细颗粒可能被冲出滤池,若为满足细颗粒膨胀要求,粗颗粒将得不到很好清洗,如果径粒系数愈接近1,滤料愈均匀,过滤和反冲洗效果愈好,但滤料价格提高。

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8.双层和多层滤料混杂与否与那些因素有关?滤料混杂对过滤有何影响?

主要决定于滤料的密度差,粒径差及滤料的粒径级配,滤料形状,水温及反冲洗强度等因素.

滤料混杂对过滤影响如何,有两种不同的观点.一种意见认为,滤料交界面上适度混杂,可避免交界面上积聚过多杂质而是水头损失增加较快,故适度混杂是有益的;另一种意见认为滤料交界面不应有混杂现象.因为上层滤料起截留大量杂质作用,下层则起精滤作用,而界面分层清晰,起始水头损失将较小.实际上,滤料交界面不同程度的混杂是很难避免的.生产经验表明,滤料交界混杂厚度在一定时,对滤料有益无害. 9.滤料承托层有何作用?粒径级配和厚度如何考滤?

承托层作用,主要是防止滤料从配水系统中流失,同时对均布冲洗水也有一定作用.

为防止反冲洗时承托层移动,对滤料滤池常采用”粗-细-粗”的砾石分层方式.上层粗砾石用以防止中层细砾石在反冲洗过程中向上移动;中层细砾石用以防止砂滤料流失.下层粗砾石则用以支撑中层细砾石.具体粒径级配和厚度,应根据配水系统类型和滤料级配确定.对于一般的级配分层方式,承托层总厚度不一定增加,而是将每层厚度适当减小.

10.滤池反冲洗强度和滤层膨胀度之间关系如何?当滤层全部膨胀起来以后,反冲洗强度增大,水流通过滤层的水头损失是否同时增大?为什么?

当冲洗流速超过Vmf以后,滤层中水头损失不变,但滤层膨胀起来.冲洗强度愈大,膨胀度愈大。 不会,因为当冲洗流速超过最小流态化冲洗流速Vmf时,滤料处于悬浮状态，其受力平衡，即水流冲击力等于重力，水流冲击力用于克服重力做功，做功大小用水头损失表示，重力不变，所以水头损失也不变。 12什么叫“最小流态化冲洗流速”？当反冲洗流速小于最小流态化冲洗流速时，反冲洗时的滤层水头损失与反冲洗强度是否有关？

答： Vmf是反冲时滤料刚刚开始流态化的冲洗流速，称“最小流态化冲洗流速”。反冲洗流速小于最小流态化冲洗流速时，反冲洗时的滤层水头损失与反冲洗强度有关。 13气-水反冲洗有哪几种操作方式？ 答：操作方式有以下3种：

1）先用空气反冲，然后再用水反冲。 2）先用气-水同时反冲，然后再用水反冲。

3）先用空气反冲，然后用气-水同时反冲，最后再用水反冲。

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响二价锰的氧化，因此地下水除锰比除铁困难。

4.何种水质条件下使曝气除铁法增加困难，可用什么措施解决？

答：水的碱度不足会影响氧化速率使曝气除铁法增加困难，将pH值增大到7.0以上可解决。 5.除铁、除锰滤料的成熟期是指什么？任何滤料是否需到成熟期后才出现催化氧化作用？ 答：滤料从开始使用到其表面覆盖有氧化物，形成氢氧化物膜所需的时间称为成熟期。

滤料在形成氢氧化物后即有催化作用，故在达到成熟期之前已有催化氧化作用。 6．除铁滤池的滤速受到哪些因素的影响？

答：pH，水温t，滤池进水含铁量，滤池出水含铁量，滤层厚度，滤料有效粒径 7.活性炭等温吸附试验的结果可以说明哪些问题？

答：由等温线可以比较不同活性碳对各种溶质的吸附效果，并由此将所拟去除的溶质从初浓度C0降低到要求浓度时，所需投加的粉末活性炭数量。

8.活性炭柱的接触时间和泄露时间指什么，两者有什么关系？

答：接触时间的含义是活性炭床容积除以流量、或是炭床厚度除以流速所得出的时间。泄露时间是指流量一定时，从活性炭池开始进水到出水开始不符合水质要求时所经历的时间。

接触时间和泄露时间有内在的联系，因为当流速（或流量）一定时增减炭床厚度或炭床厚度一定时改变流速，都可以改变接触时间，而接触时间的变化可影响活性炭池的泄露时间和吸附容量。接触时间短虽然可以减少所需的活性炭床容积，但是泄露时间提早以致再生周期较短；相反，则所需炭床容积增大，但可延缓泄露时间使再生周期延长，再生次数减少。

9.吸附区高度对活性炭柱有何影响？如何从泄露曲线估计该区的高度？

答：吸附区是指从原水溶质浓度降低到出水允许浓度时所需的活性炭层高度。吸附区高度越大炭床的利用率越低。

10．什么叫生物活性炭法，有什么特点？ 答：臭氧和活性炭吸附结合在一起的水处理方法。

特点是：1）完成生物硝化作用，将NH4+ -N转化为NO3_；

2）将溶解有机物进行生物氧化,可去除mg/L级有机碳和三卤甲烷前体物；

3）增加了水中的溶解氧，有利于好氧微生物的活动，促使活性炭部分再生，从而延长了再生周期；

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4）臭氧如投加在滤池之前还可以防止藻类和浮游植物在滤池中生长繁殖。水厂常规水处理工艺不能去除有毒有害有机物的情况下，生物活性炭法是饮用水深度处理的有效方法之一。 11.目前应用最广的除氟方法是什么？原理如何？ 答：吸附过滤法，也就是活性氧化铝法。

原理：活性氧化铝是白色颗粒状多孔吸附剂，有较大的比表面积。活性氧化铝是两性物质。在酸性溶液中活性氧化铝为阴离子交换剂，对氟有极大的选择性。

Ps：在pH=5-8范围内时，除氟效果较好，而在pH5.5时，吸附量最大，因此如将原水的pH值调节到5.5左右，可以增加活性氧化铝的吸氟效率。

第二十一章 水的软化

1.试说明石灰软化时水中发生的化学反应 石灰软化过程包括下面几个方面： CO2+Ca(OH)2 → CaCO3↓+H2O Ca(HCO3)2+Ca(OH)2 → 2CaCO3↓+2H2O Mg(HCO3)2+Ca(OH)2 → CaCO3↓+MgCO3+2H2O MgCO3+Ca(OH)2 → CaCO3↓+Mg(OH)2↓

2.石灰软化处理后水质有何变化？为什么不能将水中硬度降为零？

水的剩余碳酸盐硬度可以降低到0.25－0.5毫摩尔每升，剩余碱度约0.8－1.2毫摩尔每升，硅化合物可去除30％-35％，有机物可去除25％，铁残留量约0.1毫克每升。

熟石灰虽然亦能与水中非碳酸盐的镁硬度起反应生成氢氧化镁，但同时又产生了等物质的量的非碳酸盐的钙硬度：

MgSO4+Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓+CaSO4↓ MgCl2+Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓+CaCl2↓

所以单纯的石灰软化是不能降低水的非碳酸盐硬度的。不过，通过石灰处理，还可以去除水中部分

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铁和硅的化合物。

3.与顺流再生相比，逆流再生为何能使离子交换出水质显著提高？

顺流再生固定床树脂层上部再生程度高，而越是下部，再生程度越差，到软化工作后期，由于树脂下半部原先再生不好，出水剩余硬度提前超出规定指标，导致交换器过早地失效，降低了设备工作效率。

逆流再生固定床再生时，再生液首先接触饱和程度低的底层树脂，然后再生饱和程度较高的中、上层树脂。这样，再生液被充分利用，再生剂用量显著降低，并能保证底层树脂得到充分再生。软化时，处理水在经过相当软化之后又与这一底层树脂接触，进行充分交换，从而提高出水水质。 4.逆流再生的关键是什么?

答:再生时再生液流向与交换时水流流向相反，并在再生操作过程中做到各层次不乱。

5. 如图21-14所示，当氢离子交换出水强酸酸度为零，与其相应，出水Na+含量应是多少？C(1/2SO42- +Cl_)

第二十二章 水的除盐与咸水淡化

1.在一级复床除盐系统中如何从水质变化情况来判断强碱阴床和强酸阳床即将失效？

答： 若阴床运行以硅酸开始泄漏作为失效控制点,则电导率瞬时下降可视为周期终点的讯号。若阳床运行以Na+开始泄漏作为失效控制点,则出水酸度开始急剧下降可视为失效点。 2.试说明离子交换混合床工作原理，其除盐效果好的原因何在？

答：阴、阳离子交换树脂填在同一个交换器内，再生时使之分层再生，使用时先将其均匀混合，这种阴、阳树脂混合一起的离子交换器称为混合床。

混合床的反应过程可写成（以NaCl为例）：RH + NaOH + NaCl→RNa+RCl+H2O

其除盐效果好的原因：上式交换反应可看作是盐分解反应和中和反应的组合，并且阴阳离子交换反应是同时进行的。由于混合床中阴、阳树脂紧密交替接触。好象有许多阳床和阴床串联在一起，构成无数微型复床，反复进行多次脱盐，加上去离子作用是在中性pH值下迅速进行的，所以出水纯度高。并且具有水质稳定、间断运行影响小、失效终点明显等特点。

3.在离子交换除盐系统中，阳床、阴床、混合床和除二氧化碳器的前后位置的布置应如何考虑？试说明理由。

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答：（一）强酸—脱气—强碱系统 (阳床→除二氧化碳器→中间水箱→阴床→出水)

进水通过阳床，去除Ca2+,Mg2+、Na+等阳离子，出水为酸性水，随后通过除CO2器去除CO2，最后由阴床去除水中的SO42-,Cl-,HCO3-等阴离子。 强碱阴床设置在强酸阳床之后的理由：

（1）若水先通过阴床，容易生成碳酸钙、氢氧化镁沉淀在树脂层内，使强碱树脂交换容量降低。 (2）阴床在酸性介质中易于进行离子交换，若进水先经过阴床，更不利于去除硅酸因为 强碱树脂在硅酸盐的吸附要比对硅酸的吸附差得多。 （3）强酸树脂抗有机物污染的能力胜过强碱树脂。

（4）若原水先通过阴床，本应由除二氧化碳器去除的碳酸，都要由阴床承担，从而增加 了再生剂耗用量。

除CO2器设置在强酸阳床之后的理由：当水的pH值低，碳酸几乎全部以游离CO2形态存在于水中，因此除CO2器放置进接H离子交换器之后。 （二）强酸—脱气—弱减—强碱系统

适用于原水有机物含量较高、强酸阴离子含量较大的情况。弱碱树脂用于去除强酸阴离子，强碱树脂主

要用于除硅。

4.何谓双层床？其与混合床有何区别？

答：即在同一交换器内装有弱酸/碱和强酸/碱两种树脂，借助于树脂湿真密度之差别，经反洗分层后，使弱酸/碱树脂位于上层，强酸/碱树脂位于下层，组成双层床。

与混合床区别：

1）混合床中，阴阳离子交换反应是同时进行的，而双层床分为阴、阳两种，分别只去除阴离子、阳离子。

2）双层床因使用弱酸或弱碱树脂，使交换能力提高，酸/碱比耗降低，废酸/碱量亦显著减少，出水量增加，适用范围增大。混合床因为阴、阳树脂紧密交替接触，构成无数微型复床，加上去离子作用是在中性pH值下迅速进行的，因而出水纯度高。

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3）因为原理不同，所以再生方式存在差异。都要反洗分层，但双层床的上层弱脂可用强脂用过的再生液充分加以利用，不过对于阴离子交换床，再生要求更为严格。

5、电渗析的级和段是如何规定的？级和段与电渗析器的出水水质、产水量以及操作电压有何关系？ 答：一对电极之间的膜堆称为一级，具有同向水流的并联膜堆称为一段。一般而言，增加段数就等于增加脱盐流程，亦提高脱盐效率，有利于提高出水水质。增加膜堆数，则可提高水处理量。增加级数则可降低所需电压。

Ps：一对阴、阳膜和一对浓、淡水隔板交替排列，组成最基本的脱盐单元，称为膜对。电极之间由若干组膜对堆叠一起即为膜堆。应根据具体情况选择合理的工作状况，并在此基础上，确定所需电渗析器的台数以及并联或串联的组装方式。 6、试画出六级三段电渗析器组装示意图。 答：

7、电渗析器的电流效率与电能效率有何区别？

答：电流效率等于一个淡室实际去除的盐量与应析出的盐量之比。与膜对数无关，电压随膜对增加而加大，而电流则保持不变。电能效率是衡量电能利用程度的一个指标，可定义为整台电渗析器脱盐

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