水质工程学()例题、思考题、习题答案

水质工程学（Ⅰ）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。 （3）消耗水中的溶解氧。 （5）影响供水水质并增加供水成本。

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。

（2）降低水的透明度。

（4）向水体中释放有毒物质。 （6）对水生生态的影响。

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

5

5.2

各段廊道总净宽（m） 3.6 4

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”

19. 设原水悬浮物体积浓度ф＝5×10-5。假定悬浮颗粒粒径均匀，有效碰撞系数α＝1，水温按15℃计。设计流量Q＝360m3/h。搅拌功率（或功率消耗）P=195W。试求： （1） （2）

絮凝池按PF型反应器考虑，经15min絮凝后，水中颗粒数量浓度将降低百分之几？ 采用3座同体积机械絮凝池串联（机械絮凝池按CSTR型反应器考虑），絮凝池总

体积与（1）相同。搅拌功率仍为195W，设3座絮凝池搅拌功率分别为：P1=100W，P2=60W，

P3=35W，试问颗粒数量浓度最后降低百分之几？

第4章 沉淀 例题

1.设计日产水量为10万m3的平流式沉淀池。水厂本身用水占5％。采用两组池子。 解：1）. 每组设计流量

Q＝100000×1.05/(2×24)＝2187.5 m3/h＝0.608 m3/s

2） 设计数据的选用

表面负荷Q/A=0.6mm/s＝51.8 m3/（m2?d），沉淀池停留时间T=1.5h； 沉淀池水平流速为v＝14 mm/s。 3）计算

沉淀池表面积A＝2187.5×24/51.8＝1013.5 m2 沉淀池长L＝3.6×14×1.5＝75.6m，采用76m。

沉淀池宽B=1013.5/76=13.3m，采用13.4m。由于宽度较大，沿纵向设置一道隔墙分成两格，每格宽为13.4/2=6.7m。

沉淀池有效水深H＝QT/BL＝2187.5×1.5/（13.4×76）=3.22m，采用3.5m（包括保护高）。 絮凝池与沉淀池之间采用穿孔布水墙，穿孔墙上的孔口流速采用0.2m/s，则孔口总面积为0.608/0.2=3.04 m2。每个孔口尺寸定为15cm×8cm，则孔口数为3.04/（0.15*0.08）=253个。 沉淀池放空时间按3h计，则放空管直径按公式计算： ，采用DN350mm。

出水渠断面宽度采用1.0m，出水渠起端水深按公式计算：

为保证堰口自由落水，出水堰保护高采用0.1m，则出水渠深度为0.68m。 4）水力条件校核

水流截面积ω＝6.7×3.32＝21.57m 水流湿周χ＝6.7+2×3.22＝13.14 m

水力半径R=21.574/13.14=1.64m

弗劳德数Fr＝v2/Rg=1.42/（164×981）＝1.2×10-5

雷诺数Re＝vR/υ=1.4×164/0.01＝22960（按水温20℃计）

2.设计单池产水量为15000 m3/d的斜管沉淀池。水厂自用水按5％计。 解：

1） 设计数据

设计流量Q=15000m3/d×1.05＝650 m3/h＝0.18 m3/s 表面负荷取q＝10 m3/（m2?h）＝2.8mm/s

斜管材料采用厚0.4mm塑料板热压成正六角形管，内切圆直径d＝25mm，长1000mm，水平倾角θ＝60°。

2）计算

按公式求得清水区面积： A＝Q/q=0.18/0.0028=64.5 m2

采取沉淀池尺寸为5.5×12＝66 m2，为了配水均匀，进水区布置在12m长的一侧。在5.5m的长度中扣除无效长度0.5m。因此净出口面积（考虑斜管结构系数1.03）： A’=(5.5-0.5)×12/1.03=58 m2

采用保护高0.3m，清水区高度1.2m，配水区高度1.5m，穿孔排泥槽高0.80m，斜管高度h＝Lsinθ＝L×sin60°＝0.87m，池子总高度H＝0.30+1.2+1.5+0.80+0.87＝4.67 m。 沉淀池进口采用穿孔墙，排泥采用穿孔管，集水系统采用穿孔管。 3）核算 a. 雷诺数

水力半径R=d/4=25/4=6.25mm=0.625cm

当水温t＝20℃时，水的运动粘度υ＝0.01cm2/s，按公式可求得管内流速： V＝Q/A’sinθ＝0.18/58sin60°=0.0036m/s=0.36cm/s Re＝vR/υ=0.625×0.36/0.01=22.5

b. 弗劳德数Fr＝v2/Rg=0.362/（0.625×981）=2.1×10-4 c. 斜管中的沉淀时间

T=L/v=1000/3.6=280s=4.6min(一般在2～5min之间)。

思考题与习题

1. 什么叫自由沉淀、拥挤沉淀和絮凝沉淀？

自由沉淀：单个颗粒在无边际水体中沉淀，其下沉的过程颗粒互不干扰，且不受器皿壁的干扰，下沉过程中颗粒的大小、形状、密度保持不变，经过一段时间后，沉速也不变。 拥挤沉淀：当水中含有的凝聚性颗粒或非凝聚性颗粒的浓度增加到一定值后，大量颗粒在有限水体中下沉时，被排斥的水便有一定的上升速度，使颗粒所受的摩擦阻力增加，颗粒处于相互干扰状态，此过程称为拥挤沉淀。

絮凝沉淀：在沉淀的过程，颗粒由于相互接触絮聚而改变大小、形状、密度，并且随着沉淀深度和时间的增长，沉速也越来越快，絮凝沉淀由凝聚性颗粒产生。

2. 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？

平流沉淀池构造：（1）进水区；（2）沉淀区；（3）污泥区；（4）出水区。 条件：

①颗粒处于自由沉淀状态，颗粒的沉速始终不变。

②水流沿水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等，并在流动过程中流速始终不变。 ③颗粒沉到底就被认为去除，不再返回水流中。

关系：设理想沉淀区的深度为H，长度为L，宽度为B，进入沉淀区的水流量为Q 则有：水平流速 ，沉降时间 ，截留沉速 ，表面负荷

对u

对u>u0的颗粒，沉淀效率为100%，即沉降速率大于截留沉速u0的颗粒能够全部去除。则沉速大于等于u0的颗粒全部去除率为（1-p0）。 因此，理想沉淀池的总沉淀效率

式中p0—沉速小于u0的颗粒重量占所有颗粒重量的百分率； 由上述内容可知，理想沉淀区的沉淀效率只与截留沉速有关，即水在沉淀区中的沉淀效率只与表面负荷有关，而与其他工艺参数（如沉淀时间、池深、水流速度等）无关。当处理水量一定时，沉淀效率只与沉淀池的表面积有关，即沉淀池表面积越大，沉淀效率越高。

3. 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？ 主要因素：

1、水流的紊动性：水流的紊动，影响颗粒沉淀。所以希望紊动性小些。紊动性大小可用雷諾数 来衡量，Re越大紊动性越强。平流沉淀池一般Re=4000～15000，属于紊流。只有斜板（管）可达层流。

2、水流的稳定性：为避免外界干扰（异重流、风浪等），希望稳定性越高越好。水流的稳定性以弗劳德数 来衡量，越大越稳定。平流沉淀池宜使Fr＞10-5。 3、凝聚作用的影响：实际沉淀池的水深对混凝沉淀效果也有影响。 作用：降低水力半径R，从而降低雷诺数Re并提高弗劳德数Fr。

4. 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？

关系：对于理想沉淀池，表面负荷在数值上等于截留沉速，但意义不同。 即：

区别：表面负荷是指单位沉淀面积上所承受的水流量。

截留沉速是指恰好能从池顶始端沉淀到池底末端时的颗粒沉降速度。

5. 平流沉淀池进水为何采用穿孔隔墙？出水为什么往往采用出水支渠？ 穿孔隔墙作用：使流量均匀分布在进水截面上，尽量减少扰动。

出水支渠作用：增加出水堰的长度，降低流量负荷，避免流线过于集中。

6. 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°？

理论根据：浅池理论，即在保持截留沉速u0和水平流速v都不变的条件下，减小沉淀池的深度，就能相应地减少沉淀时间和缩短沉淀池的长度。

从另一方面来说，在原体积不变时，增加沉淀面积，可使颗粒去除率提高。

斜板、斜管的倾角，应能使沉泥能自动下滑，其值与沉泥的性质及颗粒粗细有关。在城市自来水的混凝沉淀池中，斜板、斜管的倾角多采用60°。

7. 澄清池的基本原理和主要特点是什么？

原理：把絮凝和沉淀综合在一个构筑物中完成，主要靠活性泥渣层达到澄清目的。当脱稳的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。这是把泥渣层做为接触介质的净化过程，也是一种絮凝过程，称接触絮凝。在絮凝的同时，杂质从水中分离出来，清水在澄清池上部被收集。 特点：

8. 已知颗粒密度ρ＝2.65g/cm3，粒径d＝0.45mm（按球形颗粒考虑），求该颗粒在20℃水中沉降速度为多少？

9. 平流沉淀池设计流量为720 m3/h。要求沉速等于和大于0.4mm/s的颗粒全部去除。试按理想沉淀条件，求：（1）所需沉淀池平面积为多少m2？（2）沉速为0.1mm/s的颗粒，可去除百分之几？

10. 原水泥沙沉降试验数据见下表。取样口在水面下180cm处。平流沉淀池设计流量为900 m3/h，表面积500 m2。试按理想沉淀池条件，求该池可去除泥沙颗粒约百分之几？（C0表示泥沙初始浓度，C表示取样浓度）。

沉降试验数据 取样时间（min） 0 C/C0

第5章 过滤

例题

1. 设滤池平面尺寸为7.5m×7.0m＝52.5 m2。试设计大阻力配水系统。

解：冲洗强度采用q＝14L/s?m2，冲洗流量Q＝14×52.5＝735L/s＝0.735m3/s， 1） 干管

采用钢筋混凝土渠道。断面尺寸：850mm×850mm，长7500mm。

起端流速v0＝0.735/（0.85*0.85）=1m/s。 2）支管

支管中心距采用0.25m。支管数n＝7.5×2/0.25=60根（每侧30根）。支管长为（7.00-0.85-0.3）/2≈2.93m，取2.9m。式中0.3m为考虑渠道壁厚及支管末端与池壁间距。每根支管进口流量＝735/60=12.25L/s，支管直径选用80mm，支管截面积为5.03×10-3m2，查水力计算表，得支管始端流速va＝2.47m/s。

3）孔口

孔口流速采用5.6m/s，孔口总面积f＝0.735×/5.6=0.131 m2。配水系统开孔比α＝0.131/52.5=0.25%。

孔口直径采用9mm，每个孔口面积＝6.36×10-5 m2。孔口数m＝0.131/(6.36*10-5)=2060个。考虑干管顶开2排孔，每排40个孔，孔口中心距e1＝7.5/40=0.187m。

每根支管孔口数＝（2060-80）/60=33个，取34个孔，分两排布置，孔口向下与中垂线夹角45°交错排列，每排17个孔，孔中心距e2＝2.9/17=0.17m。 4）配水系统校核

实际孔口数m’=34*60+80=2120个

实际孔口总面积f’=2120*6.36*10-5=0.1348m2

实际孔口流速v’=0.735/0.1348=5.45m/s

(f’/ω0)2+(f’/nωa)2=(0.1348/0.85*0.85)2+(0.1348/60*5.03*10-3)2=0.25＜0.29 α＝q/1000v’=14/1000*5.45=0.268% 符合配水均匀性达到95％以上的要求。

2. 设滤池平面尺寸为L=4m，B＝3m，F＝12m2。滤层厚H2＝70cm，冲洗强度采用q＝14 L/（s ? m2）。滤层膨胀度e＝45％。试设计冲洗排水槽断面尺寸和冲洗排水槽高度H。 解：每个滤池设2条冲洗排水槽，槽长l＝B＝3m，中心距＝4/2=2m。

1

15 20 30 60 120 180

0.98 0.88 0.70 0.30 0.12 0.08

每槽排水流量Q＝qF/2=14*12/2=84L/s=0.084 m3/s。

冲洗排水槽断面采用标准形状。按公式求断面模数： X＝0.45Q0.4＝0.45*0.0840.4 m≈0.17m

冲洗排水槽底厚采用δ＝0.05m，保护高0.07m，则槽顶距砂面高度： H＝eH2+2.5x+ δ+0.07＝0.45*0.7+2.5*0.17+0.05+0.07＝0.86m

校核：

冲洗排水槽总面积与滤池面积之比＝2×l×2x/F=2×3×2×0.17/12=0.17＜0.25（符合要求）

思考题与习题

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？ 悬浮颗粒必须经过迁移和粘附两个过程才能完成去除的过程。 迁移：包括沉淀、扩散、惯性、截阻和水动力效应等5种基本作用。

粘附：包括范德华引力、静电力以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用、絮凝颗粒间的架桥作用等作用。

粒径小于滤层中孔隙尺寸的杂质颗粒迁移到滤料表面时，主要通过粘附作用，即在范德华引力、静电力、某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用下，被滤层拦截。而粘附作用主要取决于滤料和水中颗粒表面的物理化学性质，而与粒径尺寸大小无关。

迁移：

1、截阻作用：悬浮物沿流线运动，与滤料表面接触时被俘获。

2、惯性作用：颗粒具有自身的惯性力而脱离流线，到达滤料颗粒表面。

3、沉淀作用：水流通过砂滤料层相当于经过无数微型沉淀池。

4、扩散作用：悬浮颗粒物存在浓度梯度，使颗粒物扩散到滤料颗粒表面被俘获。

5、水动力效应作用：水流经过砂滤层具有速度梯度G值，使颗粒发生转动而脱离流线。 粘附：

粘附作用是一种物理化学作用。当水中颗粒迁移到滤料颗粒表面时，在范德华引力、静电力、某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用下，被粘附在滤料颗粒表面上，或者粘附在滤料颗粒表面上原先粘附的颗粒上。

因此，粘附作用主要取决于滤料和水中颗粒表面的物理化学性质，而无需增大颗粒尺寸。

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。 滤层内杂质分布规律：

在颗粒粘附同时，还存在着由于孔隙中水流剪力作用而导致颗粒从滤料颗粒表面上脱落趋势。粘附力和水流剪力相对大小，决定了颗粒粘附和脱落的程度。

过滤初期滤料较干净，孔隙率较大，孔隙流速较小，因而水流剪力较小，粘附作用占优势。随着过滤时间的延长，滤层中杂质逐渐增多，孔隙逐渐减小，水流流速加大，水流剪力增大，以致最后粘附上的颗粒首先脱落下来，或者水流挟带的后续颗粒不能再有粘附现象，悬浮颗粒向下推移，下层滤料截留作用渐得发挥。

改善途径：滤池工作的经济性，与滤池过滤作用水头是否被充分利用有关。在建成的重力式滤池里，滤池的过滤作用水头都已经确定。所以充分利用作用水头，增长过滤时间，实现使滤池水头损失达到最大值的工作周期（压力周期），在运行管理上是经济的。滤池的最优工作条件是使水质周期等于压力周期。为达到这点，可以调整滤池的各种工艺参数，如增加滤层的厚度。在实际生产中由于影响滤池工作周期的因素十分复杂，不可能在任何条件下都保持最优工作条件，所以在滤池设计中一般采用水质周期大于压力周期的工作条件。

发展趋势：由不均匀滤料构成的单层滤层，由于反冲洗时的水力分级作用，导致不均匀滤料单层滤层的含污能力是不高的。为增加不均匀滤料单层滤层的含污能力，可以采用反粒度过滤或双向流过滤。为减少水力分级给滤层带来的不利影响，在工程中可以采用均匀滤料或者多种滤料混杂滤层。

概念补充：

水质周期：滤池由开始进入有效过滤期到出水浊度达到泄漏值，称为水质周期。 压力周期：从开始过滤到滤层水头损失增至最大值时，滤池的过滤周期称为压力周期 滤池的过滤作用水头：滤前水的最高水位与滤后水水位（常为清水池水位）之差。 含污能力：过滤周期结束时，整个滤料层单位体积滤料中所截留的杂质量，以kg/m3或g/cm3计。含污能力大，表明整个滤料层所发挥的作用大，所以滤池性能的好坏很重要的一个指标就是截污能力。滤池性能用含污能力来衡量。

水力分级：在上升水流中使滤料分层的现象，称为水力分级现象。由比重不同的滤料组成的滤层，能够在反冲洗时互不混杂而保持各自的分层状态，是由于水力分级作用的结果。 泄漏浊度：达到泄漏点时相应的出水浊度。

有效过滤期：快滤池反冲洗结束后恢复过滤时，出水浊度较高，这部分出水称为初滤水，初滤水的延续时间称为成熟期。初滤水浊度降低至要求值后的延续时间，为有效过滤期。

3. 什么叫“等速过滤”和“变速过滤”？分析两种过滤方式的优缺点。

变速过滤：水头损失保持不变，则滤速减小，这叫变速（减速）过滤。 变速过滤,滤速随时间而逐渐减小的过滤过程称“变速过滤”或“减速过滤”。普通快滤池及移动冲洗罩滤池即属于变速过滤的滤池。

“减速”过滤，过滤初期滤速较大可使悬浮质深入下层滤料；过滤后期滤速减小（但砂层缝隙中的滤速减小要缓慢得多），可防止颗粒穿透滤层，所以产水量较大，水质较好，过滤周期较长。

等速过滤：保持滤池进水流量不变，即滤速保持不变，则水头损失增大，这叫等速（恒速）过滤。

变水头等速过滤 ,“等速（恒速）过滤”实际上就是保持滤池流量Q不变，而水头H随滤层孔隙率减小而增加，虹吸滤池和无阀滤池就是按“等速过滤”工作的。

“等速”过滤，砂滤层缝隙的流速实际上是增大的，水流剪力也不断增大，从而引起杂质颗粒的脱落和不粘附，所以水质较差，但缩短了过滤周期。

4. 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”产生？ 负水头：当过滤进行到一定时刻时，从滤料表面到某一深度处的滤层的水头损失超过该深度处的水深，该深度处就出现负水头。

危害：负水头会导致水中的溶解气体大量析出并在滤层中形成气泡，致使： 1、增加滤层局部阻力，减少有效过滤面积，增加了水头损失；

2、空气泡会穿过滤料层，上升到滤池表面，甚至把煤粒等轻质滤料带走。在冲洗时，空气更容易把大量的滤料随水带走。

避免滤池中出现负水头的两个方法：

1、增加砂面上的水深；2、令滤池出口位置等于或高于滤层表面。

5. 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？

有效粒径：d10，表示通过滤料重量10%的筛孔孔径（mm），它反映滤料中细颗粒的尺寸。 d80，指通过滤料重量80%的筛孔孔径（mm）。它反映滤料中粗颗粒的尺寸。 不均匀系数：d80与d10的比值称为滤料的不均匀系数。

K80愈大滤料粒径愈不均匀,这对过滤和冲洗都很不利。因为K较大时，滤料中的粗细颗粒尺寸相差明显，反冲洗时滤料的水力分级现象明显，导致过滤时滤层的水头损失增加的很快，甚至可能产生负水头，滤池压力周期缩短，滤层的含污能力降低。此外，反冲洗时无法满足最优工况，反冲洗效果差，无法达到节水、节能等目的。 为保证过滤与反冲洗效果，一般K不大于2.0。

均质滤料：均质滤料是指从滤料的截面处看粒径的平均值相同。

6. 双层和多层滤料混杂与否与哪些因素有关？滤料混杂对过滤有何影响？

因素：1、两种滤料悬浮滤层的相对密度差，其差值愈大，水力分级作用愈强，混杂程度也愈小。2、悬浮滤层中的扰动，特别是下层细滤料的扰动，能使上层粗滤料被卷入下层，造成混杂；并且反冲洗强度愈大，扰动愈强，混杂程度也愈大。

所以，选择适当的反冲洗强度和两种滤料的粒径比，使之在该反冲洗强度条件下两种滤料形成的悬浮滤层的相对密度有一定的差值，就能够控制层间混杂不致过大。

影响：

一种观点认为：煤-砂交界面上适度的混层，可避免交界面上积聚过多杂质而使水头损失增长较快，故适度混杂是有益的。

另一种认为：煤-砂交界面上不应有混杂现象。因为煤层起截留大量杂质作用，砂层则起精过滤作用，而界面分层清晰，起始水头损失将较小。

7. 气-水反冲洗有哪几种操作方式？各有何优缺点？ 气水联合冲洗有3种操作方式：

1、先气洗，后水洗；2、先气水混合洗，再用水洗；3、先气洗，再气水混合洗，最后用水洗或漂洗。

气-水联合冲洗时，总的反冲洗时间约在10min左右。

单独气洗时气泡通过滤头上方的滤层时会带动滤料产生循环移动的现象，能提高反冲洗的效果，而且单独用气反冲洗，不会导致滤料流失。但气泡对滤层各部位的扰动程度不均匀，且滤料循环移动时移动速度很慢，在一次气反冲洗的时间里移动距离也有限，需要多次气冲后才能使之循环一次。

气、水同时反冲洗时，滤料的移动速度比单独气洗时要快的多，冲洗效果也好于单独气洗。但滤料能被上升气泡带动抛离滤层，易于产生滤料流失。

无论何种操作方式，最后都需要再单独用水冲洗一次，这是为了将冲洗下来的污物带走，并去除残留在滤层中的气泡。

气-水联合冲洗原理：利用压缩空气进入滤池后，上升空气气泡产生的振动和擦洗作用，将附着在滤料表面的杂志清除下来并使之悬浮于水中，然后再用水反冲把杂质排出池外。 气-水联合冲洗具有下述特点：

冲洗效果好；节约反冲洗水量；冲洗结束后，滤层不产生或不明显产生上细下粗的分层现象；但是气水联合冲洗操作较为麻烦，池子和设备较复杂，需增加鼓风机或空压机、储气罐等气冲设备。

8. 大阻力配水系统和小阻力配水系统的涵义是什么？各有何优缺点？掌握大阻力配水系

统的基本原理和公式的推导过程。详见P160-161

S1为配水系统内的水力阻抗；S2为配水孔眼的水力阻抗；S3为承托层的水里阻抗；qⅠ为第一条线路的流量；qⅡ为第二条线路的流量。 反冲洗水在池中分布的均匀程度，常以池中反冲洗强度的最小值和最大值的比值来表示，并要求此比值不小于0.9～0.95。即：qmin/qmax≥0.9～0.95 为达到上述均匀分布反冲洗水的要求，可采用两种途径：

1、加大配水孔眼的水力阻抗S2，使S1和S2相比甚小，则式中阻抗比便能趋近于1，从而使两条线路的流量比也接近于1。所以，只要选择适当的S2的值，就能满足qmin/qmax≥0.9～0.95的要求。按这种原理设计出来的配水系统，称为大阻力配水系统。

大阻力配水系统特点：能定量地控制反冲洗水分布的均匀程度，工作比较可靠，但是水头损失大。

2、尽量减小配水系统内的水力阻抗S1，使S1与（S2+S3）相比甚小，也能使阻抗比趋近于1，从而使两条线路的流量比也接近于1。按这种原理设计出来的配水系统，称为小阻力配水系统。

小阻力配水系统特点：虽然分布水的均匀程度较差，但是反冲洗时消耗的水头损失很小，为滤池实现反冲洗提供了便利条件，常用于中、小型设备。

9. 小阻力配水系统有哪些形式？选用时主要考虑哪些因素？ 形式：有格栅、孔板、穿孔渠、滤头等形式。 因素：开孔比p、反冲洗强度q、孔眼流速v0。

10. 滤池的冲洗排水槽设计应符合哪些要求，并说明理由。

大、中型滤池在滤层上设排水槽，排水槽设计必须符合以下要求：

1、冲洗废水应自由跌落排水槽，槽内水面以上宜有7cm的超高，以免槽内水面与滤池水面连成一片，影响冲洗均匀性。

2、排水槽内的废水应自由跌落废水渠，以免废水渠干扰排水槽出流，引起壅水，所以废水渠水面应比排水槽底低0.2m左右。

3、为使单位槽长的溢流量相等，排水口应力求水平，误差限制在±2mm。

4、排水槽在平面上的总面积一般不大于滤池面积的25%。否则，冲洗时槽内之间水流上升速度过大，影响上升水流的均匀性。 5、槽与槽的间距一般为1.5～2.0m。间距过大，长短流线相差过远，也会影响排水的均匀性。 6、排水槽在滤池中的安裝高度要适当。槽口太高，废水排除不净，太低则滤料流失，故槽底应在滤层膨胀面之上。

11. 冲洗水塔或冲洗水箱高度和容积如何确定？

冲洗水箱(塔)一般与滤池合建，通常建造于滤池操作室层顶上，水塔（箱）中水深不宜超过3m。水塔（箱）容积可按单个滤池冲洗水量的1.5倍计算： （m3）

q——反冲洗强度，L/(s?m2)。

A——滤池面积，m2。 t——为冲洗历时，min。

水塔（箱）底高出滤池冲洗排水槽顶的高度可按下式计算： （m）

H0——排水槽顶与清水池最低水位之差，m；

h1——从清水池至滤池的冲洗管道中总水头损失，m；

h2——滤池配水系统水头损失，m。大阻力配水系统按孔口平均水头损失计算。

h3——承托层的水头损失，m。可根据承托层的厚度Z（m）及冲洗强度q（L/s?m2）计算： h4——滤料层的水头损失，m， h5——备用水头，一般取1.5～2.0m。

水泵冲洗时，需考虑有备用措施。水泵流量和扬程分别为： （L/s）； (m)

12. 所谓V型滤池，其主要特点是什么？

V型滤池：是粗滤料滤池的一种形式。对滤池进行反冲洗时，由于滤料粒径较粗，水的反冲洗强度不足以使之悬浮，所以不致产生水力分级现象，从而使滤层过滤时不宜被堵塞，过滤周期较长，含污能力较高。V型滤池的过滤和反冲洗过程的操作已经全部实现了自动控制。常用于大、中型水厂。

13. 某天然海砂筛分结果见下表，根据设计要求，d10＝0.54mm，K80＝2.0。试问筛选滤料时，共需筛除百分之几天然砂粒(分析砂样200g)。 筛分试验记录 筛孔

（mm） 留在筛上砂量 通过该筛号的砂量 质量（g） ％ 质量（g） ％ 2.36 0.8 1.65 18.4 1.00 40.6 0.59 85.0 0.25 43.4

0.21 9.2 筛底盘 2.6 合计

200

14. 根据上题所选砂滤料，求滤速为10m/h的过虑起始水头损失为多少cm？已知：砂粒球度系数ф＝0.94；砂层孔隙率m0＝0.4；砂层总厚度l0＝70cm；水温按15℃计。

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