给水工程14-21章课后思考题与习题答案-整合版

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。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0axoc时,排斥势能占优势,x=0b时,排斥势能优势最明显,用Emax表示，称排斥能峰。只有当x0a时,吸引势能随间距急剧增大,凝聚才会发生。要使两胶粒表面间距小于0a，布朗运动的动能首先要能克服排斥能峰Emax才行。然而，胶体布朗运的动能远小于Emax，两胶粒之间距离无法靠近到Oa以内，故胶体处于分散稳定状态。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。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：pH3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）。优缺点优点缺点硫酸铝价格较低，使用便利，混凝效果较好，不会给处理后的水质带来不良影响当水温低时，硫酸铝水解困难，形成的絮体较松散；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。聚合氯化铝（PAC）1.形成絮凝体速度快,絮凝体大而密实，沉降性能好;2.投加量比无机盐类混凝剂低;3.适宜的PH值范围较宽(在5～9间);4.对原水水质适应性好；5.对设备的腐蚀程度小,处理后水的pH值和碱度变化也较小。缺点无机理：主要是利用水解缩合过程中产生的高价多核配合物的压缩双电层作用和吸附电中和作用。三氯化铁极易溶于水；形成的絮凝体密实，沉淀性好；处理低温水或低浊水效果比铝盐的好；适用的pH值范围较宽，投加连比硫酸铝小。固体产品极易吸水潮解，不易保管；腐蚀性较强；处理后水色度较铝盐处理水高；最佳投加量范围较窄，不易控制等。硫酸亚铁价格低廉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。聚合硫酸铁投加剂量少；絮体形成快，沉降速度也快；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。聚丙烯酰胺（PAM）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。常作助凝剂以配合铝盐和铁盐作用，效果显著。有毒，毒性在于单体丙烯酰胺。Ps：