1、水質工程學（上）例題、思考題、習題第 1 章 水質與水質標準1 .水中雜質按尺寸大小可分為幾類？了解各類雜質主要來源、特點及一般去除方法。水中雜質按尺寸大小分為懸浮物、膠體、溶解物三類。懸浮物：尺寸較大（ 1?m-1mm ） ，可下沉或上浮（大顆粒的泥砂、礦碴下沉，大而輕的有機物上浮）主要是泥砂類無機物質和動植物生存過程中產生的物質或死亡后的腐敗產物等有機物。這類雜質由于尺寸較大，在水中不穩定，常常懸浮于水流中。當水靜置時，相對密度小的會上浮與水面，相對密度大的會下沉，因此容易去除。膠體：尺寸很小（ 10nm-100nm ） , 具有穩定性，長時靜置不沉。主要是粘土、細菌和病毒、腐殖質和蛋白質

2、等。膠體通常帶負電荷，少量的帶正電荷的金屬氧化物膠體。一般可通過加入混凝劑進去去除。溶解物：主要是呈真溶液狀態的離子和分子，如 Ca2+、Mg2+、Cl-等離子，HCO3-、SO42-等酸根,O2 、O2、 H2S 、 SO2、 NH3 等溶解氣體分子。溶解物與水成均相，透明。但可能產生色、臭、味。是某些工業用水的去除對象， 需要特殊處理。 有毒有害的無機溶解物和有機溶解物也是生活飲用水的去除對象。2 .各種典型水質特點。 （數值可不記）江河水：易受自然條件影響，濁度高于地下水。江河水年內濁度變化大。含鹽量較低，一般在70900mg/L之間。硬度較低，通常在 50400mg/L（以CaCO3計

3、）之間。江河水易受工業廢水和生活污水的污染，色、臭、味變化較大，水溫不穩定。湖泊及水庫水：主要由河水補給，水質類似河水，但其流動性較小，濁度較低；湖水含藻類較多，易產生色、臭、味。湖水容易受污染。含鹽量和硬度比河水高。湖泊、水庫水的富營養化已成為嚴重的水污染問題。海水：海水含鹽量高，在7.543.0g/L之間，以氯化物含量最高，約占83.7%,硫化物次之，再次為碳酸鹽，其它鹽類含量極少。海水須淡化后才可飲用。地下水：懸浮物、膠體雜質在土壤滲流中已大部分被去除，水質清澈， 不易受外界污染和氣溫變化的影響， 溫度與水質都比較穩定， 一般宜作生活飲用水和冷卻水。 含鹽量通常高于地表水（海水除外），大

4、部分地下水含鹽量在1005000mg/L,硬度通常在 100500mg/L（以CaCO3 計） ，含鐵量一般10mg/L 以下，個別達 30mg/L 。3 .生活飲用水衛生標準（GB5749-2006） 分類指標。生活飲用水水質標準有四類指標： 水的感官性狀和一般化學指標、 微生物學指標、 毒理性指標、放射性指標。水的感官性狀和一般化學指標：色度、渾濁度、臭和味、 pH 值、總硬度、鐵、錳、銅、鋅、揮發酚類、陰離子合成洗滌劑、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體等。微生物學指標：細菌總數、大腸菌群、游離性余氯。補充：水體的富營養化：水體的富營養化是指富含磷酸鹽和某些形式的氮素的水， 在光照和其他環境條

5、件適宜的情況下， 水中所含的這些營養物質足以使水體中的藻類過量生長， 在隨后的藻類死亡和隨之而來的異養微生物代謝活動中， 水體中的溶解氧很可能被耗盡， 造成水體質量惡化和水生態環境結構破壞的現象。水體的富營養化危害很大，對人類健康、水體功能等都有損害，包括：( 1 )使水味變得腥臭難聞。 ( 2 )降低水的透明度。( 3 )消耗水中的溶解氧。( 4 )向水體中釋放有毒物質。( 5 )影響供水水質并增加供水成本。 ( 6 )對水生生態的影響。水體的自凈：水體的自凈是指水體在流動中或隨著時間的推移，水體中的污染物自然降低的現象。通過化學作用和生物作用對水體中有機物的氧化分解， 使污染物質濃度衰減，

6、 是水體自凈的主要過程。第 2 章 水的處理方法概論例題1. 某水樣采用 CMB 反應器進行氯消毒實驗， 假定投氯量一定， 經實驗知： 細菌被滅活速率為一級反應，且 k=0.92min-1 ,求細菌滅活99%時所需時間為多少？解：設原有細菌密度為 C0， t 時后尚存活的細菌密度為 Ci ，被殺死的細菌密度則為 C0-Ci ，根據題意，在t 時刻， C0-Ci/C0=99% ， Ci = 0.01C0 ，細菌被滅速率等于活細菌減少速率，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)=5min2.

7、 采用 CSTR 反應器作為氯化消毒池，條件同上，求細菌去除率達到 99 ，所需消毒時間為多少？解：Ci = 0.01C0 , k=0.92 min-1 ,代入公式得：=(C0/ Ci)-1/k=(C0/ 0.01C0)-1/0.92 = 107.6min對比可知，采用 CSTR 反應器所需消毒時間幾乎是CMB 反應器時間的 21.5倍，由于 CSTR反應器僅僅是在細菌濃度為最終濃度Ci = 0.01C0 下進行反應，反應速度很低。3. 在上題中若采用 2 個 CSTR 反應器串聯，求所需要消毒時間為多少？解： Cn /C0= 0.01, n=2, 0.01=1/ (1+0.92)2=9.9m

8、in ;= 2 =2*9.9=19.8min由此可知， 采用 2 個 CSTR 反應器串聯， 所需消毒時間比 1 個反應器大大縮小。 串聯的反應器數量越多，所需反應時間越短。1 .水的主要物理化學處理方法。混凝：通過投加化學藥劑，使水中的懸浮固體和膠體聚集成易于沉淀的絮凝體。沉淀和澄清：通過重力作用，使水中的懸浮顆粒、絮凝體等物質被分離去除。浮選：利用固體或液滴與它們在其中懸浮的液體之間的密度差，實現固-液或液-液分離的方法。過濾：使固 -液混合物通過多孔材料（過濾介質） ，從而截留固體并使液體（濾液）通過的過程。膜分離：利用膜的孔徑或半滲透性質實現物質的分離。吸附： 通常在水處理中指固相材料

9、浸在液相或氣相中， 液相或氣相物質固著到固相表面的傳質現象。離子交換： 在分子結構上具有可交換的酸性或堿性基團的不容性顆粒物質， 固著在這些基團上的正、 負離子能和基團所接觸的液體中的同符號離子交換為對物質的物理外觀毫無明顯的改變，也不引起變質或增溶作用的過程。中和：把水的 pH 調整到接近中性或是調整到平衡pH 值的任何處理。氧化與還原：改變某些金屬或化合物的狀態，使他們變成不溶解的或無毒的。2 .反應器原理用于水處理有何作用和特點？作用： 應用反應器理論， 能夠確定水處理裝置的最佳形式，估算所需尺寸， 確定最佳的操作條件。 利用反應器的停留時間分布函數， 可以判斷物料在反應器里的流動模型，

10、 也可以計算 化學反應的轉化率。特點： 水處理反應器較多在常溫常壓下工作； 水處理反應器的進料多是動態的； 水處理工程 中通常都是采用連續式反應器。3 .反應器的類型。按反應器內物料的形態可以分為均相反應器和多相反應器。按反應器的操作情況可以分為間歇式反應器和連續流式反應器兩大類。連續流式反應器有活塞流反應器 （管式反應器）和恒流攪拌反應器 （連續攪拌罐反應器）兩種完全對立的理想類型。4 .理想反應器模型及其特點。通過簡化可得3 種理想反應器： 完全混合間歇式反應器（ CMB 型） 、 完全混合連續式反應器（ CSTR 型） 、推流式反應器（ PF 型） 。完全混合間歇式反應器（ CMB 型）

11、反應物投入容器后，通過攪拌使物質均勻混合，同時發生反應，直到反應物到預期要求時，停止操作，排出反應產物。在反應過程中不存在由物質遷移而導致的物質輸入和輸出，且假定在恒溫下操作。CMB 型反應器通常用于實驗室實驗或少量的水處理。完全混合連續式反應器（ CSTR 型）當反應物投入反應器后， 經攪拌立即與反應器內的料液達到完全均勻混合， 新的反應物連續輸入，反應產物也連續輸出。輸出的產物濃度和成分與反應器內的物料相同。 進口濃度和出口濃度不一樣。 由于快速混合，輸出的物料各部分的停留時間各不相同。推流式反應器（ PF 型）反應器的物料僅以相同的流速平行流動， 而無擴散作用。 物料濃度在垂直液流方向完

12、全均勻，而沿著液流方向將發生變化。這種流型的唯一的質量傳遞就是平行流動的主流傳遞。5 .典型給水處理工藝流程。典型地表水處理流程：原水f混凝f沉淀f過濾f消毒f飲用水典型除污染給水處理流程：原水-預氧化f混凝-沉淀-過濾-活性炭吸附-消毒-飲用水一般冷卻水流程：1、原水f自然沉淀冷卻用水2、原水-自然沉淀-混凝-沉淀-冷卻用水除鹽水處理流程：濾過水陽離子交換陰離子交換除鹽水第 3 章 凝聚和絮凝例題1 .設已知K=5.14X 10-5,G= 30s-1。經過絮凝后要求水中顆粒數量濃度減少3/4,即n0/nM=4 ,試按理想反應器作以下計算：1）采用PF 型反應器所需絮凝時間為多少分鐘？2）采用

13、CSTR 反應器（如機械攪拌絮凝池）所需絮凝時間為多少分鐘？3）采用4 個 CSTR 型反應器串聯所需絮凝時間為多少分鐘？解：公式詳見書本P74 式 3-41、 42、 431）將題中數據代入公式得：=ln4/（5.14 X 10-5X 30）= 899s= 15min2）將題中數據代入公式得：=（ 4-1） /（5.14X 10-5X 30）= 1946s=32min3）將題中數據代入公式得：=（ 41/4-1） /（5.14X 10-5 X 30）= 269s總絮凝時間=4 =4X269= 1076s=18min由此可知，推流型絮凝池的絮凝效果優于單個機械絮凝池，但采用 4 個機械絮凝池串

14、聯時，絮凝效果接近推流型絮凝池。2 .某地表水源的總堿度為0.2mmol/L 。市售精制硫酸鋁（含 Al2O3 約 16）投量為 28mg/L 。試估算石灰（市售品純度為50）投量為多少mg/L 。解：投藥量折合 A12O3為28mg/LX 16%= 4.48mg/L, A12O3分子量為102,故投藥量相當于 4.48/102=0.044 mmol/L ，剩余堿度取0.37 mmol/L ，則得：CaO=3 X 0.044 0.2+0.37= 0.3 mmol/LCaO分子量為56,則市售石灰投量為：0.3X 56/0.5=33 mg/L。3 .某往復式隔板絮凝池設計流量為75000m3/d

15、 ；絮凝時間采用 20min ；為配合平流沉淀池寬度和深度，絮凝池寬度22m ，平均水深2.8m 。試設計各廊道寬度并計算絮凝池長度。解：1）絮凝池凈長度設計流量 Q=75000*1.06/24=3312.5 m3/h =0.92 m3/s （水廠自用水量占 6%）絮凝池凈長度 L = QT/BH=3312.5*20/（22*2.8*60）=17.92m2）廊道寬度設計絮凝池起端流速取0.55m/s,末端流速取0.25 m/s。首先根據起、末端流速和平均水深算出起末端廊道寬度，然后按流速遞減原則，決定廊道分段數和各段廊道寬度。起端廊道寬度 b=Q/Hv = 0.92/ （2.8*0.55） =

16、0.597m0.6m末端廊道寬度 b=Q/Hv = 0.92/ （2.8*0.25） =1.3m廊道寬度分為 4 段、各段廊道寬度和流速見下表。340.6 0.8 1.0 1.30.55 0.41 0.33 0.25543.6 455.2廊道寬度和流速計算表廊道分段號12各段廊道寬度（m ）各段廊道流速（m/s ）各段廊道數65各段廊道總凈寬（m）四段廊道寬度之和匯 b= 3.6+4+5+5.2 = 17.8m取隔板厚度8 =0.1m,共19塊隔板，則絮凝池總長度L為:L= 17.8+19*0.1 = 19.7m 如要計算隔板絮凝池水頭損失和速度梯度，可根據上表有關數據按公式分別求得。思考題與

17、習題混凝：水中膠體粒子以及微小懸浮物的聚集過程稱為混凝，是凝聚和絮凝的總稱。凝聚：膠體脫穩并生成微小聚集體的過程。絮凝：脫穩膠體或微小懸浮物聚結成大的絮凝體的過程。混凝過程涉及：水中膠體的性質；混凝劑在水中的水解；膠體與混凝劑的相互作用。1. 何謂膠體穩定性？ 膠體穩定性是指膠體粒子在水中長期保持分散懸浮狀態的特性。2. 膠體的凝聚機理。膠體的凝聚機理有4 個方面：壓縮雙電層作用、吸附電中和作用、吸附架橋作用、 網捕卷掃作用。壓縮雙電層作用：水中膠體顆粒通常帶有負電荷， 使膠體顆粒間相互排斥而穩定， 當加入含有高價態正電荷離子的電解質時， 高價態正離子通過靜電引力進入到膠體顆粒表面， 置換出原

18、來的低價正離子，這樣雙電層中仍然保持電中性， 但是正離子的數量減少了， 即雙電層的厚度變薄了， 膠體顆粒滑動面上的Z電位降低。當電位降低至某一數值（臨界電位 Z k）使膠體顆粒總勢能曲 線上的勢壘處Emax=0 時，膠體顆粒即可發生凝集作用。吸附電中和作用：膠體顆粒表面吸附異號離子、 異號膠體顆粒或帶異號電荷的高分子， 從而中和了膠體顆粒本身所帶部分電荷， 減少了膠體顆粒間的靜電斥力， 使膠體更易于聚沉。 這種吸附作用的驅動力包括靜電引力、氫鍵、 配位鍵和范德華力等，具體何種作用為主要驅動力，由膠體特性和被吸附物質本身的結構決定。吸附架橋作用：不帶電，帶異號電荷，甚至帶有與膠粒同性電荷的高分子

19、物質在范德華引力、共價鍵、 氫鍵 或其他物理化學作用下，與膠粒也產生吸附作用。當高分子鏈的一端吸附了某一膠粒后，另一端又吸附另一膠粒，形成“膠粒- 高分子-膠粒” 的絮凝體。在這里高分子起了膠粒與膠粒之間的橋梁作用，故稱為吸附架橋作用。網捕卷掃作用：當鋁（鐵） 鹽混凝劑投量很大而形成大量氫氧化物沉淀時，會像多孔的網一樣，將水中的膠體顆粒和懸浮濁質捕獲、 卷掃下來， 稱網捕或卷掃作用。 這是一種機械作用，所需的混凝劑投量與原水雜質含量成反比，即雜質少，用量多。3. 混凝過程中，壓縮雙電層和吸附 -電中和作用有何區別？簡要敘述硫酸鋁混凝作用機理及其與水的 pH 值的關系。壓縮雙電層作用是高價態正電

20、荷離子置換出膠體顆粒表面的低價正離子， 雙電層中仍保持電中性，但是正離子的數量減少，雙電層的厚度變薄，膠體顆粒滑動面上的Z電位降低。而吸附電中和作用是異號離子、 異號膠體顆粒、 帶異號電荷的高分子中和膠體顆粒本身所帶部分電荷， 減少膠體顆粒間的靜電斥力。 膠體顆粒表面電荷不但可能被降為零， 而且還可能帶上相反的電荷，即膠體顆粒反號，發生再穩定的現象。硫酸鋁的混凝機理：不同 pH 條件下， 鋁鹽可能產生的混凝機理不同。 何種作用機理為主， 決定于鋁鹽的投加量、pH 、溫度等。實際上，幾種可能同時存在。其中，水的 pH 值直接影響Al3+ 的水解聚合反應。pH<3簡單的水合鋁離子起壓縮雙電層

21、作用；pH=45多核羥基絡合物起吸附電性中和作用；除色時適宜。pH=6.57.5氫氧化鋁聚合物起吸附架橋作用；絮凝的主要作用，除濁時最佳。4. 高分子混凝劑投量過多時，為什么混凝效果反而不好？1、壓縮雙電層作用：電位最多可降至0，因而不能解釋以下兩種現象：（ 1）混凝劑投加過多， 混凝效果反而下降； （ 2） 與膠粒帶同樣電荷的聚合物或高分子有機物也有好的凝集效果。2、吸附電中和作用：膠體顆粒與異號離子作用，首先是吸附，然后才是電荷中和，因此當投加混凝劑時， 膠體顆粒表面電荷不但可能被降為零， 還可能帶上相反電荷。 即膠體顆粒反號，發生重新穩定的現象。3、吸附架橋作用：當高分子物質投加過多時，

22、膠體顆粒表面被高分子所覆蓋，兩個膠體顆粒接近時， 受到膠粒與膠粒之間因高分子壓縮變形產生的反彈力和帶電高分子之間的靜電排斥力，使膠體顆粒不能凝集。4、網捕卷掃作用：金屬氫氧化物在形成過程中對膠粒的網捕與卷掃，所需混凝劑與原水雜質含量成反比，即當原水膠體含量少時，所需混凝劑多，反之亦然。當混凝劑加量大時， 混凝劑相互之間會有影響， 使上述各種作用能力發生變化， 但不都是作用力加強，大于混凝劑的最佳投藥量時，再投加混凝劑反而效果會降低。5. 目前我國常用的混凝劑有哪幾種？各有何優缺點？我國常用的混凝劑有： （無機鹽類： ） 硫酸鋁、 三氯化鐵； （高分子混凝劑： ） 聚合氯化鋁（ PAC ） 、聚

23、合硫酸鐵。硫酸鋁：采用硫酸鋁作混凝劑時，運輸方便，操作簡單，混凝效果好。但水溫低時，硫酸鋁水解困難， 形成的絮凝體較松散，混凝效果變差。 粗制硫酸鋁由于不溶性雜質含量高， 使用時廢渣較多， 帶來排除廢渣方面的操作麻煩， 而且因酸度較高而腐蝕性強， 溶解與投加設備需要考慮防腐。三氯化鐵： 采用三氯化鐵作混凝劑時，易溶解，形成的絮凝體比鋁鹽絮凝體密實， 沉降速度快，處理底紋、低濁水時效果優于硫酸鋁，使用的 pH 值范圍較寬，投加量比硫酸鋁小。但三氯化鐵固體產品極易吸水潮解，不易保管，腐蝕性較強，對金屬、混凝土、塑料等均有腐蝕性，處理后水色度比鋁鹽處理水高，最佳投加量范圍較窄，不易控制。聚合氯化鋁（

24、 PAC ） ：聚合氯化鋁作混凝劑時，形成混凝體速度快，絮凝體大而密實，沉降性能好；投加量比無機鹽類混凝劑低；對原水水質適應性好，無論是低溫、低濁、高濁、高色度、有機污染等原水，均保持較穩定的處理效果；最佳混凝pH 值范圍較寬，最佳投加量范圍寬，一定范圍內過量投加不會造成水的 pH 值大幅度下降，不會突然出現混凝效果很差的現象； 由于聚合氯化鋁的鹽基度比無機鹽類高， 因此在配制和投加過程中藥液對設備的腐蝕程度小，處理后水的 pH 值和堿度變化也較小。聚合硫酸鐵： 采用聚合硫酸鐵作混凝劑時， 混凝劑用量少； 絮凝體形成速度快、 沉降速度快；有效的 pH 值范圍寬；與三氯化鐵相比腐蝕性大大降低；處

25、理后水的色度和鐵離子含量均較低。6. 什么叫助凝劑？常用的有哪幾種？在什么情況下需要投加助凝劑？凡能提高或改善混凝劑作用效果的化學藥劑可稱為助凝劑。常用的助凝劑按其投加目的可分為以下幾類： 吸附架橋改善已形成的絮體結構； 如活化硅酸（SiO2 nH2O ） 、 骨膠、 聚丙烯酰胺 （ PAM ）等高分子絮凝劑；調節原水酸堿度，促進混凝劑水解；如投加石灰、硫酸等；破壞水中有機污染物對膠體顆粒穩定作用，改善混凝效果；如投加 Cl2、O3等；改善混凝劑形態，促進混凝效果。如硫酸亞鐵作混凝劑使用時，應將 Fe2+氧化成Fe3+o7. 何謂同向絮凝和異向絮凝？兩者的絮凝速率（或碰撞速率）與哪些因素有關？

26、異向絮凝：由布朗運動引起的顆粒碰撞聚集稱為異向絮凝。布朗運動所造成的顆粒碰撞速率與水溫成正比， 與顆粒的數量濃度平方成正比， 而與顆粒尺寸無關。同向絮凝：由水力或機械攪拌所造成的流體運動引起的顆粒碰撞聚集稱為同向絮凝。顆粒同向碰撞速率與顆粒濃度平方成正比，與粒徑的三次方（即體積） 成正比，與速度梯度G 成正比。8. 混凝實驗的操作過程，采用何種混凝劑，用理論說明混凝實驗中出現的水質變化。硫酸鋁、三氯化鐵、聚合氯化鋁（PAC） 、聚合氯化鐵、聚丙烯酰胺（PAM ） 。參照第 5 題及實驗。9. 絮凝過程中， G 值的真正涵義是什么？沿用已久的 G 值和 GT 值的數值范圍存在什么缺陷？請寫出機械

27、絮凝池和水力絮凝池的 G 值公式。G 值反映了能量消耗的概念，即一個瞬間受剪而扭轉的單位體積水流所消耗的功率。10. 根據反應器原理， 什么形式的絮凝池效果較好？折板絮凝池混凝效果為什么優于隔板絮凝池？PF 型（推流型）優于單個CSTR 型（完全混合連續型） 。單個機械絮凝池接近于CSTR 型（完全混合連續型）型反應器，故宜分格串聯。分格愈多，愈接近于 PF 型（推流型） ，絮凝效果愈好。折板絮凝池是在隔板絮凝池基礎上發展而來的。 將隔板絮凝池中的平直隔板改變成間距較小的具有一定角度的折板以產生更多的微渦旋， 增加絮凝體顆粒碰撞的機會。 與隔板絮凝池相比，折板絮凝池可以縮短總絮凝時間，絮凝效果

28、良好。11. 影響混凝效果的主要因素有哪幾種？這些因素是如何影響混凝效果的？影響水混凝的主要因素有：水溫、 pH 值、堿度、水中濁質顆粒濃度、水中有機污染物、混凝劑種類與投加量、混凝劑投加方式、水利條件。水溫：水溫對混凝效果有較大的影響，最適宜的混凝水溫為2030c之間。水溫低時，絮凝體形成緩慢，絮凝顆粒小，混凝效果較差。水溫高時，混凝劑水解反應速度快，形成的絮凝體水合作用增強、松散不易沉降。pH 值： pH 主要從兩方面影響混凝效果： 1 、水的 pH 值直接與水中膠體顆粒的表面電荷和電位有關，不同的 pH 值下膠體顆粒的表面電荷和電位不同，所需要的混凝劑量也不同； 2、水的 pH 值對混凝

29、劑的水解反應有顯著影響，不同的混凝劑的最佳水解反應所需要的 pH 值范圍不同。因此水的 pH 值對混凝效果的影響因混凝劑種類而異。堿度： 由于混凝劑加入原水后， 發生水解反應，反應過程中需要消耗水中的堿度， 特別是無機鹽類混凝劑， 消耗的堿度更多。 當原水中堿度很低時， 投入混凝劑因消耗水中的堿度而使水的 pH 值降低，如果pH 值超出混凝劑的最佳混凝pH 值范圍，將使混凝效果受到顯著影響。水中濁質顆粒濃度： 濁質顆粒濃度過低時，顆粒間的碰撞幾率大大減小，混凝效果變差。濁質顆粒濃度過高時，要使膠體顆粒脫穩所需的混凝劑量也將大幅度增加。水中有機污染物： 水中有機物對膠體有保護穩定作用， 將膠體顆

30、粒保護起來， 阻礙膠體顆粒之間的碰撞，阻礙混凝劑與膠體顆粒之間的脫穩凝集作用。混凝劑種類與投加量： 不同種類的混凝劑的水解特性和使用的水質情況完全不同， 因此應根據原水水質情況優化選用適當的混凝劑種類。 一般情況下， 混凝效果隨混凝劑投加量的增加而提高， 但當混凝劑的用量達到一定值后， 混凝效果達到頂峰， 再增加混凝劑用來則混凝效果反而下降，所以要控制混凝劑的最佳投量。混凝劑投加方式： 固體混凝劑與液體混凝劑甚至不同濃度的液體混凝劑之間， 其中能壓縮雙電層或具有電中和能力的混凝劑水解形態不完全一樣， 因此投加到水中后產生的混凝效果也不一樣。 另外， 如果除投加混凝劑之外還投加其他助凝劑， 則各

31、種藥劑之間的投加先后順序對混凝效果也有很大影響。水利條件： 水利條件包括水力強度和作用時間兩方面的因素。 混凝過程分為快速混合與絮凝反應兩個連續不可分割的階段，不同階段所需要的水利條件也不同。12. 混凝劑有哪幾種投加方式?各有何優缺點和其適用條件？按混凝劑的狀態分固體投加（干投）和溶液投加（濕投） ；溶液投加（濕投）中按藥液加注到原水中的動力來源分重力投加和壓力投加。壓力投加分水射器投加和泵投加。按混凝劑投加到原水中的位置分泵前投加和泵后投加；干投： 把固態混凝劑不經水溶直接投加到要處理的原水中。 需要專門的干投機， 而且要求固體藥劑顆粒細小而且均勻，易溶于水，投加到水中后能迅速溶解。濕投：

32、將混凝劑先溶解配制成一定濃度的水溶液，然后再投加到要處理的原水中。重力投加： 利用混凝劑溶液的重力， 將混凝劑溶液從較高的溶液池自動流向并加注到原水中的投加方式。這種投加方式安全可靠，節省動力。但是僅適合溶液池位置較高的情況。壓力投加：利用水力或電動力來將混凝藥液加注到原水中的投加方式。水射器投加： 利用高壓水通過水射器噴嘴與喉管之間形成的抽吸作用將藥液吸入， 并借助水的余壓將藥液加注到原水中。設備簡單， 使用方便， 對溶液池高度無特殊要求。但水射器效率較低而且易磨損。泵投加： 利用泵將電能轉變成動能將藥液加注到原水中的投加方式。 分計量泵投加和離心泵投加。 離心泵投加需要配置相應的計量設置，

33、 計量泵投加則不用另配計量裝置， 并可通過改變計量泵沖程或變頻調速來改變藥液的投加量，適用于混凝劑投加自動控制系統。13. 當前水廠中常用的混合方法有哪幾種？各有何優缺點？在混合過程中，控制 G 值的作用是什么？水廠中常用的混合方法有：水力混合、水泵混合、管式混合、機械混合。混合設施基本要求：藥劑與水混合必須快速均勻。水力混合： 是建設有專用的不同形式的構筑物來達到特定的水利條件以完成藥劑與原水的混合。構造簡單，但難以適應水質、水量等條件的變化，占地面積大。目前已較少采用。水泵混合： 是講混凝劑投加到原水泵之前吸水管或吸水喇叭口處， 利用水泵葉輪高速旋轉產生的渦流而達到混合目的。 水泵混合效果

34、好， 不需不需另建混合設施， 節省動力， 適合于大、中、 小型水廠。 但混凝劑對水泵有可能產生腐蝕作用， 取水泵房距離水廠處理構筑物距離大于 150m 時不宜采用。管式混合： 利用從原水泵后到絮凝反應設施之間的這一段壓水管使藥劑與原水混合。 構造簡單，無需另建混合設施。 但混合效果不穩定， 流速低時混合不充分。常用的管式混合器是管道靜態混合器，混合快速均勻效果好，構造簡單，無活動部件，安裝方便。機械混合： 在混合池內安裝攪拌裝置， 以電動機驅動攪拌裝置使藥劑與原水混合。 攪拌器可采用槳板式、螺旋槳式、推進式等多種形式。混合效果好，不受水量水質變化的影響，適用于各種規模的水廠。但增加了機械設備成

35、本并增加了相應的機電維修工作量。混合過程中，控制 G 值的作用是控制絮凝效果。14. 當前水廠中常用的絮凝設備有哪幾種？各有何優缺點？在絮凝過程中，為什么 G 值應自進口至出口逐漸減小？絮凝設施可分為水力絮凝反應設施和機械絮凝反應設施兩大類。常用的絮凝設備有：隔板絮凝池、折板絮凝池、機械絮凝池及其他形式絮凝池（柵條、網格絮凝池；穿孔旋流絮凝池等） 。絮凝設施基本要求：混合后，通過絮凝設備應形成肉眼可見的大的密實絮凝體。隔板絮凝池：有往復式和回轉式兩種。構造簡單、管理方便、效果較好。但絮凝時間較長、容積較大、轉彎處局部水頭損失大，容易引起絮凝體破碎。折板絮凝池：有同波折板和異波折板兩種。與隔板絮

36、凝池相比，總絮凝時間縮短， 絮凝效果良好。機械絮凝池：單個機械絮凝池接近于CSTR （完全混合連續型）型反應器，故宜分格串聯。分格愈多，愈接近于 PF （推流型），絮凝效果愈好。但分格愈多，造價愈高、維修工作量也愈大。 攪拌器有： 槳板和葉輪式等。 目前我國常用槳板。 攪拌軸安裝位置有水平和垂直兩種。水平軸式實適用于大型水廠；垂直軸式實適用于中、小型水廠。在絮凝反應過程中， 為了保證絮凝體不被打碎，并使絮凝體容積較小， 節省建設費用， 在工程中于絮凝開始顆粒很小時采用大的 G 值，并隨著絮凝體尺寸增大而逐漸減小 G 值，最后絮凝體增至最大時采用最小的 G 值。即絮凝過程中， G 值應自進口至出

37、口逐漸減小。15. 河水總堿度 0.1mmol/L （按 CaO 計） ，硫酸鋁（含 Al2O3 約16）投加量為25mg/L 。問是否需要投加石灰以保證硫酸鋁順利水解？設水廠每日生產水量50000m3 ， 試問水廠每天約需要多少千克石灰（石灰純度按50 計）？16. 設聚合鋁A12（OH）n?Cl6-nm 在制備過程中，控制m=5, n = 4,試求該聚合鋁的堿化度為多少？17. 某水廠采用精制硫酸鋁作為混凝劑， 其最大投量為 35 mg/L 。 水廠設計水量100000m3/d 。混凝劑每日調制 3 次，溶液濃度按10 計，試求溶解池和溶液池體積各為多少？18. 隔板絮凝池設計流量為750

38、00m3/d。絮凝池有效容積為1100m3,絮凝池總水頭損失為0.26m。求絮凝池總的平均速度梯度G值和GT值各為多少？（水廠自用水量為5%）19. 設原水懸浮物體積濃度 6 = 5X10-5。假定懸浮顆粒粒徑均勻，有效碰撞系數 a = 1,水溫按15c計。設計流量 Q=360m3/h。攪拌功率(或功率消耗)P=195W。試求：(1) 絮凝池按PF型反應器考慮，經15min絮凝后，水中顆粒數量濃度將降低百分之幾？( 2 ) 采用 3 座同體積機械絮凝池串聯(機械絮凝池按CSTR 型反應器考慮) ，絮凝池總體積與 ( 1) 相同。 攪拌功率仍為 195W， 設 3 座絮凝池攪拌功率分別為： P1

39、=100W ， P2=60W ，P3=35W,試問顆粒數量濃度最后降低百分之幾？第 4 章 沉淀例題1 .設計日產水量為10 萬 m3 的平流式沉淀池。水廠本身用水占5。采用兩組池子。解： 1) . 每組設計流量Q= 100000 X 1.05/(2 X 24)= 2187.5 m3/h = 0.608 m3/s2 )設計數據的選用表面負荷 Q/A=0.6mm/s =51.8 m3/ (m2?d),沉淀池停留時間T=1.5h;沉淀池水平流速為 v= 14 mm/s。3)計算沉淀池表面積 A = 2187.5 X 24/51.8= 1013.5 m2沉淀池長 L = 3.6X 14X 1.5=

40、75.6m,采用 76m。沉淀池寬B=1013.5/76=13.3m ,采用13.4m。由于寬度較大，沿縱向設置一道隔墻分成兩格，每格寬為 13.4/2=6.7m 。沉淀池有效水深 H= QT/BL =2187.5 X 1.5/ (13.4X76) =3.22m,采用3.5m (包括保護高)。絮凝池與沉淀池之間采用穿孔布水墻，穿孔墻上的孔口流速采用0.2m/s,則孔口總面積為0.608/0.2=3.04 m2。每個孔口尺寸定為 15cm X 8cm,則孔 口數為 3.04/ (0.15*0.08) =253 個。沉淀池放空時間按3h 計，則放空管直徑按公式計算：，采用 DN350mm 。出水渠

41、斷面寬度采用1.0m ，出水渠起端水深按公式計算：為保證堰口自由落水，出水堰保護高采用 0.1m ，則出水渠深度為 0.68m。4)水力條件校核水流截面積 3 =6.7 X 3.32= 21.57m水流濕周 x =6.7+2X3.22=13.14 m水力半徑 R=21.574/13.14=1.64m弗勞德數 Fr= v2/Rg=1.42/ (164X 981) = 1.2X10-5雷諾數 Re= vR/u =1.4 X 164/0.01 =22960 (按水溫 20c計)2.設計單池產水量為15000 m3/d 的斜管沉淀池。水廠自用水按5計。解：1) 設計數據設計流量 Q=15000m3/d

42、 x 1.05=650 m3/h= 0.18 m3/s表面負荷取 q= 10 m3/ (m2?h) = 2.8mm/s斜管材料采用厚 0.4mm塑料板熱壓成正六角形管，內切圓直徑d=25mm,長1000mm ,水平傾角0 =60° o2)計算按公式求得清水區面積：A = Q/q=0.18/0.0028=64.5 m2采取沉淀池尺寸為 5.5X12 = 66 m2,為了配水均勻，進水區布置在12m長的一側。在 5.5m的長度中扣除無效長度0.5m。因此凈出口面積(考慮斜管結構系數1.03):A =(5.50.5) 1)2/1.03=58 m2采用保護高0.3m,清水區高度1.2m,配水

43、區高度1.5m,穿孔排泥槽高0.80m,斜管高度h =Lsin 0 =LXsin60° = 0.87m,池子總高度 H = 0.30+1.2+1.5+0.80+0.87 = 4.67 m。沉淀池進口采用穿孔墻，排泥采用穿孔管，集水系統采用穿孔管。3)核算a. 雷諾數水力半徑 R=d/4=25/4=6.25mm=0.625cm當水溫t=20C時，水的運動粘度 u=0.01cm2/s,按公式可求得管內流速：V=Q/A' sin 0 =0.18/58sin60° =0.0036m/s=0.36cm/sRe= vR/ u =0.625 X 0.36/0.01=22.5b.弗

44、勞德數 Fr= v2/Rg=0.362/ (0.625X 981) =2.1 X 10-4c. 斜管中的沉淀時間T=L/v=1000/3.6=280s=4.6min( 一般在 25min 之間)。思考題與習題1. 什么叫自由沉淀、擁擠沉淀和絮凝沉淀？自由沉淀： 單個顆粒在無邊際水體中沉淀， 其下沉的過程顆粒互不干擾， 且不受器皿壁的干擾，下沉過程中顆粒的大小、形狀、密度保持不變，經過一段時間后，沉速也不變。擁擠沉淀： 當水中含有的凝聚性顆粒或非凝聚性顆粒的濃度增加到一定值后， 大量顆粒在有限水體中下沉時， 被排斥的水便有一定的上升速度， 使顆粒所受的摩擦阻力增加， 顆粒處于相互干擾狀態，此過程

45、稱為擁擠沉淀。絮凝沉淀：在沉淀的過程，顆粒由于相互接觸絮聚而改變大小、形狀、密度，并且隨著沉淀深度和時間的增長，沉速也越來越快，絮凝沉淀由凝聚性顆粒產生。2. 理想沉淀池應符合哪些條件？根據理想沉淀條件， 沉淀效率與池子深度、 長度和表面積關系如何？平流沉淀池構造： （ 1）進水區； （ 2 ）沉淀區；（ 3）污泥區；（ 4）出水區。條件：顆粒處于自由沉淀狀態，顆粒的沉速始終不變。水流沿水平方向流動，在過水斷面上，各點流速相等，并在流動過程中流速始終不變。顆粒沉到底就被認為去除，不再返回水流中。關系：設理想沉淀區的深度為 H ，長度為 L ，寬度為 B ，進入沉淀區的水流量為 Q則有：水平流速

46、 ，沉降時間 ，截留沉速 ，表面負荷對 u<u0 的顆粒，沉降速度為 u 的顆粒的沉淀效率為 ，則所有能夠在沉淀池中去除的，沉速小于 uo 的顆粒的去除率為： 。對 u>u0 的顆粒，沉淀效率為 100%，即沉降速率大于截留沉速u0 的顆粒能夠全部去除。則沉速大于等于u0 的顆粒全部去除率為（ 1-p0 ） 。因此，理想沉淀池的總沉淀效率式中P0沉速小于U0的顆粒重量占所有顆粒重量的百分率；由上述內容可知， 理想沉淀區的沉淀效率只與截留沉速有關， 即水在沉淀區中的沉淀效率只與表面負荷有關，而與其他工藝參數（如沉淀時間、池深、水流速度等）無關。當處理水量一定時，沉淀效率只與沉淀池的表

47、面積有關，即沉淀池表面積越大，沉淀效率越高。3. 影響平流沉淀池沉淀效果的主要因素有哪些？沉淀池縱向分格有何作用？主要因素：1、水流的紊動性：水流的紊動，影響顆粒沉淀。所以希望紊動性小些。紊動性大小可用雷數 來衡量，Re越大紊動性越強。平流沉淀池一般 Re=400015000,屬于紊流。只有斜板（管）可達層流。2、水流的穩定性：為避免外界干擾（異重流、風浪等），希望穩定性越高越好。水流的穩定性以弗勞德數 來衡量，越大越穩定。平流沉淀池宜使Fr>10-5o3、凝聚作用的影響：實際沉淀池的水深對混凝沉淀效果也有影響。作用：降低水力半徑 R,從而降低雷諾數Re并提高弗勞德數 Fro4. 沉淀池

48、表面負荷和顆粒截留沉速關系如何？兩者涵義有何區別？關系：對于理想沉淀池，表面負荷在數值上等于截留沉速，但意義不同。即：區別：表面負荷是指單位沉淀面積上所承受的水流量。截留沉速是指恰好能從池頂始端沉淀到池底末端時的顆粒沉降速度。5. 平流沉淀池進水為何采用穿孔隔墻？出水為什么往往采用出水支渠？穿孔隔墻作用：使流量均勻分布在進水截面上，盡量減少擾動。出水支渠作用：增加出水堰的長度，降低流量負荷，避免流線過于集中。60°？6. 斜管沉淀池的理論根據是什么？為什么斜管傾角通常采用理論根據：淺池理論，即在保持截留沉速u0 和水平流速v 都不變的條件下，減小沉淀池的深度，就能相應地減少沉淀時間和

49、縮短沉淀池的長度。從另一方面來說，在原體積不變時，增加沉淀面積，可使顆粒去除率提高。斜板、 斜管的傾角， 應能使沉泥能自動下滑， 其值與沉泥的性質及顆粒粗細有關。 在城市自來水的混凝沉淀池中，斜板、斜管的傾角多采用60°。7. 澄清池的基本原理和主要特點是什么？原理： 把絮凝和沉淀綜合在一個構筑物中完成， 主要靠活性泥渣層達到澄清目的。 當脫穩的雜質隨水流與泥渣層接觸時， 便被泥渣層阻留下來， 使水獲得澄清。 這是把泥渣層做為接觸介質的凈化過程，也是一種絮凝過程，稱接觸絮凝。在絮凝的同時，雜質從水中分離出來，清水在澄清池上部被收集。特點：8. 已知顆粒密度 p=2.65g/cm3,粒

50、徑 d= 0.45mm （按球形顆粒考慮），求該顆粒在 20 c水中沉降速度為多少？9. 平流沉淀池設計流量為 720 m3/h 。 要求沉速等于和大于0.4mm/s 的顆粒全部去除。 試按理想沉淀條件，求： （ 1）所需沉淀池平面積為多少m2？（2）沉速為0.1mm/s 的顆粒，可去除百分之幾？10. 原水泥沙沉降試驗數據見下表。 取樣口在水面下180cm 處。 平流沉淀池設計流量為 900m3/h,表面積500 m2。試按理想沉淀池條件，求該池可去除泥沙顆粒約百分之幾？ （ C0表 示泥沙初始濃度， C 表示取樣濃度） 。沉降試驗數據取樣時間（ min） 015 20 30 60 120

51、180C/C0 10.98 0.88 0.70 0.30 0.12 0.08第 5 章 過濾例題1.設濾池平面尺寸為 7.5m X 7.0m = 52.5 m2。試設計大阻力配水系統。解：沖洗強度采用 q=14L/s?m2,沖洗流量 Q= 14X 52.5= 735L/s= 0.735m3/s,1) 干管采用鋼筋混凝土渠道。斷面尺寸：850mm x 850mm,長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。支管數n = 7.5X 2/0.25=60根(每側30根)。支管長為(7.00-0.85-0.3)/22.93m,取

52、2.9m。式中0.3m為考慮渠道壁厚及支管末端與池壁間距。每根支管進口流量=735/60=12.25L/s ,支管直徑選用 80mm,支管截面積為 5.03X10-3m2,查水力計算表，得支管始端流速 va=2.47m/s。3)孔口孔口流速采用5.6m/s ,孔口總面積 f= 0.735 X/5.6=0.131 m2。配水系統開孔比a =0.131/52.5=0.25% 。孔口直徑采用 9mm,每個孔口面積=6.36X10-5 m2。孔口數 m= 0.131/(6.36*10-5)=2060 個。考慮干管頂開2排孔，每排40個孔，孔口中心距 e1=7.5/40=0.187m。每根支管孔口數=(

53、2060-80) /60=33個，取34個孔，分兩排布置，孔口向下與中垂線夾角45°交錯排列，每排 17個孔，孔中心距 e2=2.9/17=0.17m。4)配水系統校核實際孔口數m =34*60+80=2120 個實際孔口總面積f =2120*6.36*10-5=0.1348m2實際孔口流速v =0.735/0.1348=5.45m/s(f' /co0)2+(f' /n« a)2=(0.1348/0.85*0.85)2+(0.1348/60*5.03*10-3)2=0.25 <0.29 a=q/1000v' =14/1000*5.45=0.26

54、8% 符合配水均勻性達到 95%以上的要求。2.設濾池平面尺寸為 L=4m , B=3m, F=12m2。濾層厚 H2 = 70cm ,沖洗強度采用 q= 14L/ (s ? m2)。濾層膨脹度e= 45%。試設計沖洗排水槽斷面尺寸和沖洗排水槽高度H。解：每個濾池設 2條沖洗排水槽，槽長 |=B=3m,中心距=4/2=2m。每槽排水流量 Q = qF/2=14*12/2=84L/s=0.084 m3/s 。沖洗排水槽斷面采用標準形狀。按公式求斷面模數：X = 0.45Q0.4= 0.45*0.0840.4 m 弋0.17m沖洗排水槽底厚采用8= 0.05m,保護高0.07m,則槽頂距砂面高度：

55、H = eH2+2.5x+ 8 +0.07 = 0.45*0.7+2.5*0.17+0.05+0.07 = 0.86m校核：沖洗排水槽總面積與濾池面積之比=2X l X 2x/F=2 X 3X 2X0.17/12=0.17 V 0.25 （符合要求）思考題與習題1. 為什么粒徑小于濾層中孔隙尺寸的雜質顆粒會被濾層攔截下來？懸浮顆粒必須經過遷移和粘附兩個過程才能完成去除的過程。遷移：包括沉淀、擴散、慣性、截阻和水動力效應等5 種基本作用。粘附： 包括范德華引力、 靜電力以及某些化學鍵和某些特殊的化學吸附力作用、 絮凝顆粒間的架橋作用等作用。粒徑小于濾層中孔隙尺寸的雜質顆粒遷移到濾料表面時， 主要

56、通過粘附作用， 即在范德華引力、靜電力、某些化學鍵和某些特殊的化學吸附力作用下，被濾層攔截。而粘附作用主要取決于濾料和水中顆粒表面的物理化學性質，而與粒徑尺寸大小無關。遷移：1、截阻作用：懸浮物沿流線運動，與濾料表面接觸時被俘獲。2、慣性作用：顆粒具有自身的慣性力而脫離流線，到達濾料顆粒表面。3、沉淀作用：水流通過砂濾料層相當于經過無數微型沉淀池。4、擴散作用：懸浮顆粒物存在濃度梯度，使顆粒物擴散到濾料顆粒表面被俘獲。5、水動力效應作用：水流經過砂濾層具有速度梯度G 值，使顆粒發生轉動而脫離流線。粘附：粘附作用是一種物理化學作用。 當水中顆粒遷移到濾料顆粒表面時， 在范德華引力、 靜電力、某些化學鍵和某些特殊的化學吸附力作用下， 被粘附在濾料顆粒