给水工程计划14-21章课后思考题与-习题-答案~整合版.doc

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1、|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.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

2、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

3、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。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

4、。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

5、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

6、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 时，所需反应时n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

7、，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

8、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

9、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

10、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

11、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 电位， 电位愈高，同性电荷斥力愈大。虽然胶体的 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 0a10）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

12、 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。TN 0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

13、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

14、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： pghT10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

15、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

16、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

17、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，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

18、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

19、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

20、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。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。