给水处理习题及答案河北联合大学给水排水教研室2013.9
给水处理习题及答案 河北联合大学 给水排水教研室 2013．9
十四章给水处理概论【习题】（p252）14-1.在实验室内作氯消毒试验。已知细菌被灭活速率为一级反应，且k=0.85min-。求细菌被灭99.5%时，所需消毒时间为多少分钟？解：细菌加氯灭活是一级反应。k=0.85minI=ln%k".灭活99.5%。C=(1-99.5%)C。1Co=200C。1-99.5%1ln200=6.23mint=0.8514-2.设物料i分别通过CSTR型和PF到反应器进行反应后。进水和出水中i浓度之比均为Co/C。=10，且属一级反应，k=2h。求水流在CSTR型和PF型反应器内各需多少停留时间？（注：C一一进水中i初始浓度：C一一出水中I浓度）解：1）由CSTR型一级反应停留时间公式：1.Cot=1<Ck1(10-1) = 4.5(h)1=22）由PF型一级反应停留时间公式：In Co-k"C,1t==n10=1.15(h)214-3.题3中若采用4只CSTR型反应器串联，其余条件同上。求串联后水流总停留时间为多少？解：由四个CSTR反应器串联：一级反应。C。=10Cn:1.k = 2h-1C.C.(1+kt
十四章 给水处理概论 【习题】（p252） 14-1．在实验室内作氯消毒试验。已知细菌被灭活速率为一级反应，且 k＝0.85min－1。求 细菌被灭 99.5％时，所需消毒时间为多少分钟？ 解：细菌加氯灭活是一级反应。 k=0.85min-1 Ce C k t 0 ln 1 = 灭活 99.5%。Ce=(1－99.5%)Co 200 1 99.5% 0 1 = − = Ce C ln 200 6.23min 0.85 1 t = = 14-2．设物料 i 分别通过 CSTR 型和 PF 到反应器进行反应后。进水和出水中 i 浓度之比均 为 C0／Ce ＝10，且属一级反应，k=2h-1。求水流在 CSTR 型和 PF 型反应器内各需多少停留 时间？（注：C0—— 进水中 i 初始浓度；Ce——出水中 I 浓度） 解：1)由 CSTR 型一级反应停留时间公式： ( 1) 1 0 = − Ce C k t (10 1) 4.5( ) 2 1 t = − = h 2）由 PF 型一级反应停留时间公式： Ci C k t 0 ln 1 = ln 10 1.15( ) 2 1 t = = h 14-3．题 3 中若采用 4 只 CSTR 型反应器串联，其余条件同上。求串联后水流总停留时间为 多少？ 解：由四个 CSTR 反应器串联：一级反应。 n o n C kt C + = 1 1 =10 e o C C 1 2 − k = h
1则：101+2t1+2t=1.778t=0.389hT=nt=4×0.389=1.557h14-4.液体中物料i浓度为200mg/L，经过2个串联的CSTR型反应器后，浓度降至20mg/L液体流量为5000m/h，反应级数为1，速率常数为0.8h2。求每个反应器的体积和总反应时间。解：一级反应，两个串联。C- 201Cn1n =2k=0. 8h=1C。20010C.(1+ kt)(1+0. 8t)*=100.8t=2.16210(1+0.8tt=2. 703 (h)总反应时间：T=nt=2×2.703=5.406(h)每个反应器体积：V=Q·t=5000m/h×2.703h=13514mQuestions:补充习题：14 -1Laboratory tests were conducted on the chemical treatment of a water using both a longnarrowflocculation tank (plug flow)and a completelymixed unit The observed rate constantsunder steady-state conditions were first-order kinetics equal to“12 per day"for plug flow and“36per day"for completemixing.For an influent concentration of 80 mg/l,whichprocessrequirestheshorterretentiontimetoachievea95percentcompletionof thereaction?Solution:1、Plugflow(PF):CC,-C.=95%0.95k=12day-1C.CoC11S1120InIn0.250dayt12kC0.05C0.05
则： 4 1 2 1 10 1 + = t 1+2t=1.778 t=0.389h T=nt=4×0.389=1.557h 14-4．液体中物料 i 浓度为 200mg／L，经过 2 个串联的 CSTR 型反应器后，浓度降至 20mg／L．液体流量为 5000m3 /h ，反应级数为 1，速率常数为 0.8h-1。求每个反应器的 体积和总反应时间。 解：一级反应，两个串联。 n o n C kt C + = 1 1 10 1 200 20 = = o n C C n =2 k=0.8h-1 2 1 0.8 1 10 1 + t (1+0.8t)2 =10 0.8t=2.162 t=2.703(h) 总反应时间： T=nt=2×2.703=5.406（h） 每个反应器体积：V=Q·t=5000m3 /h×2.703h=13514m3 补充习题: Questions: 14 -1 Laboratory tests were conducted on the chemical treatment of a water using both a long narrow flocculation tank (plug flow) and a completely mixed unit. The observed rate constants under steady-state conditions were first-order kinetics equal to “12 per day” for plug flow and “36 per day” for complete mixing. For an influent concentration of 80 mg /l, which process requires the shorter retention time to achieve a 95 percent completion of the reaction? Solution: 1、 Plug flow(PF): k=12day-1 = 95% − o o e C C C 1− = 0.95 o e C C 20 0.05 1 = = e o C C day C C k t e o 0.250 0.05 1 ln 12 1 ln 1 = = =
2、Completemixing(CSTR)C。=1=20k =12day-10.05C.(20-1)= 0.528day36Answer::Plug flow process requires the shorter retentiontimetoachievea 95percentcompletionofthereaction14-2 Based on laboratory studies, the rate constant for a chemical coagulation reaction was foundto be first-order kinetics with a k equal to 75 per day. Calculate the detention times required incompletelymixedandplug-flowreactorsforan80percentreduction,Co=200mg/landC=40mg/l.Solution:1、ForcompletelymixedreactorC。2001(C。k=75day=140C,K720010.053day.t75(402、ForPlug-flowReactorInCo=六n200=0.021dayt==In40k75C,Answer:1、Required0.053dayforcompletelymixedreactor2、Required0.021dayforplug-flowreactor
2、 Complete mixing(CSTR) k =12day-1 20 0.05 1 = = e o C C ( ) day C C k t i o 20 1 0.528 36 1 1 1 = − = = − Answer: Plug flow process requires the shorter retention time to achieve a 95 percent completion of the reaction. 14-2 Based on laboratory studies, the rate constant for a chemical coagulation reaction was found to be first-order kinetics with a k equal to 75 per day. Calculate the detention times required in completely mixed and plug-flow reactors for an 80 percent reduction, Co=200 mg/l and Ct=40 mg/l. Solution: 1、 For completely mixed reactor = −1 1 i o C C k t k=75day－1 40 200 = i o C C t 1 0.053day 40 200 75 1 = = − 2、 For Plug-flow Reactor day C C k t i o 0.021 40 200 ln 75 1 ln 1 = = = Answer: 1、Required 0.053 day for completely mixed reactor. 2、Required 0.021 day for plug-flow reactor
十五章混凝【习题】（p286)15—1河水总碱度0.1mmo1/L（按Cao汁）。硫酸铝（含Al20为16%）投加量为25mg/L，问是否需要投加石灰以保证硫酸铝顺利水解？没水厂每日生产水量50000m，试问水厂每天约需要多少千克石灰（石灰纯度按50%计）。解：投药量折合成Al20为25mg/L×0.16=4mg/LA1203的分子量：101.96=102投药后浓度：4mg/L=0.039mmol/L102剩余碱度取0.37Cao浓度：[Ca0]=3x[a]-[x]+[8][a]一一混凝剂投量，0.039mmo1/L。[x]一一原水碱度，按Cao计，0.1mmol/L。（Cao）[8]——保证反应的剩余碱度。0.37(0.25~0.5mmo1/LCa0[Ca0]=3X0.039-0.1+0.37=0.387mmo1/LCa0分子量为56。石灰纯度为50%。投量为：0.387mmo1/L×56/0.5=43.34mg/L=43.34g/m水厂每天投加量：43.34g/m×50000m=2167200g=2167.2Kg15—2设聚合铝[A12(OH)·C1e-n].在制备过程中。控制m=5，n=4，试求该聚合铝的碱化度为多少？解：聚合铝[Al2 (OH),Cl.-].m=5;n=4。[oH]5×4B=×100%== 66.7%碱化度3[A1]3×2x515一3某水厂采用精制硫酸铝作为混凝剂，其最大投量为35mg/L。水厂设计水量100000m/d。混凝剂每日调制3次，溶液浓度按10%计，试求溶解池和溶液池体积各为多少?aQ解：W,=1）溶液池容积，Wz：417bnQ一一水处理量，Q=100000m/d=4166.7m/h。a-一一最大混凝剂投加量，a=35mg/L。b一一溶液浓度，b=10（注：式中的%已计入系数417中）n——每日调制次数，n=3。35×4166.7W,3=11.657m417×10×32）溶解池，Wi：
十五章 混凝 【习题】(p286) 15—1 河水总碱度 0.lmmol/ L（按 Cao 汁）。硫酸铝（含 Al2O3 为 16%）投加量为 25mg／L， 问是否需要投加石灰以保证硫酸铝顺利水解？没水厂每日生产水量 50000m3，试问水厂每天 约需要多少千克石灰（石灰纯度按 50％计）。 解： 投药量折合成 Al2O3 为 25mg/L×0.16=4mg/L Al2O3 的分子量： 101.96=102 投药后浓度： 剩余碱度取 0.37 CaO 浓度： [CaO]=3×[a]- [x]+ [δ] [a]——混凝剂投量， 0.039mmol/L。 [x]——原水碱度，按 CaO 计，0.1mmol/L。（CaO） [δ]——保证反应的剩余碱度。0.37(0.25～0.5mmol/LCaO) [CaO]=3×0.039－0.1+0.37=0.387mmol/L CaO 分子量为 56。石灰纯度为 50%。 投量为： 0.387mmol/L×56/0.5=43.34mg/L=43.34g/m3 水厂每天投加量： 43.34g/m3×50000m3 =2167200g=2167.2Kg 15—2 设聚合铝[A12(OH)n•Cl6-n]m 在制备过程中。控制 m=5，n= 4，试求该聚合铝的碱化度 为多少？ 解： 聚合铝 [A12(OH)n•Cl6-n]m m=5; n=4。 碱化度 66.7% 3 2 5 5 4 100% 3 = = = Al OH B 15—3 某水厂采用精制硫酸铝作为混凝剂，其最大投量为 35mg／L。水厂设计水量 100000m/d。混凝剂每日调制 3 次，溶液浓度按 10％计，试求溶解池和溶液池体积各为多 少? 解： 1）溶液池容积，W2: bn aQ W 417 2 = Q——水处理量，Q=100000m3 /d=4166.7m3 /h。 a——最大混凝剂投加量，a=35mg/L。 b——溶液浓度，b=10 (注：式中的%已计入系数 417 中) n——每日调制次数，n=3。 3 2 11.657 417 10 3 35 4166.7 W = m = 2）溶解池，W1： mmol L mg L 0.039 / 102 4 / =
W=(0.2~0.3)W2取W,=0.25WzW,=0.25X11.657=2.914m15一4隔板絮凝池设计流量75000m／d絮凝池有效容积为1100m。絮凝池总水头损失为0.26m。求絮凝池总的平均速度梯度G值和GT值各为多少？（水厂自用水量按5%计）。解：求及GT值，Q=75000m/dX1.05=78750m/d=0.911m/s体积，V=1100mT=V11001206.9sG0.9110gh9.81×0.26G:=45.74sVVTV1.01×10-6×1206.9h=0.26m;v=0.0101cm/s=1.01X10-6m/s（20℃水的运动粘度，）GT=45.74×1206.9=55207.3155某机械絮疑池分成3格。每格有效尺寸为2.6m（宽）X2.6m（长）X4.2m（深）。每格没一台垂直轴浆板搅拌器，构造按图15-22，没计各部分尺寸为：rz=1050mm；浆板长1400mm，宽120mm；，ro=525mm。叶轮中心点旋转线速度为：第一格Vi=0.5m/s第二格Vz=0.32m/s第三格vs=0.2m/s求：3台搅拌器所需搅拌功率及相应的平均速度梯度G值（水温按20℃计）。解：（1）第一格Vi=0.5m/s第二格V2=0.32m/s第三格Vs=0.2m/s取浆板相对水流的线速度等于浆板相对固定物系线速度的0.75倍。则：(r=0.525m)0.75v0.75×0.5=0.714rad/sW,:0.525ro0.75vz0.75×0.322=0.457rad/sW2=ro0.525
G W1=(0.2～0.3) W2 取 W1=0.25W2 W1=0.25×11.657=2.914m3 15—4 隔板絮凝池设计流量 75000m3／d 絮凝池有效容积为 1100m3。絮凝池总水头损失为 0.26m。求絮凝池总的平均速度梯度 G 值和 GT 值各为多少？（水厂自用水量按 5％计）。 解： 求及 GT 值， Q=75000m3 /d×1.05=78750m3 /d=0.911m3 /s 体积 V=1100m3 s Q V T 1206.9 0.911 1100 = = = 1 6 45.74 1.01 10 1206.9 9.81 0.26 − − = = = s T gh G h=0.26m; ν=0.0101cm2 /s=1.01×10-6m2 /s （20℃水的运动粘度，） GT = 45.741206.9 = 55207.3 15—5 某机械絮疑池分成 3 格。每格有效尺寸为 2.6m（宽）X2.6m （长）X 4.2m（深）。 每格没一台垂直轴桨板搅拌器，构造按图 15-22，没计各部分尺寸为：r2=1050mm；浆板长 1400mm ，宽 120mm；，r0=525mm。叶轮中心点旋转线速度为： 第一格 v1=0.5m/s 第二格 v2=0.32m／s 第三格 v3= 0.2m/s 求：3 台搅拌器所需搅拌功率及相应的平均速度梯度 G 值（水温按 200 C 计）。 解：（1）第一格 v1=0.5m/s 第二格 v2=0.32m/s 第三格 v3= 0.2m/s 取浆板相对水流的线速度等于浆板相对固定物系线速度的 0.75 倍。则： （r0=0.525m） rad s r v w 0.714 / 0.525 0.75 0.75 0.5 0 1 1 = = = rad s r v w 0.457 / 0.525 0.75 0.75 0.32 0 2 2 = = =
0.75×0.20.75×V=0.286rad/sW0.25rop=1000Kg/m3(2)浆板所需功率：长：宽<1Cp = 1.1P=4CgPhw(n*-r)+4CpPhw(r"-r")881.1×1000×1.4 ×0.714'[(1.054 0.93*)+ (0.56* 0.44*)]=4x8=406.81×0.7143=148.07(W)P, = 406.81×0.4573 = 38.83(W)P=406.81×0.2863=9.52(W)(3)求：G值。20℃μ=1.002×10-3Pa·sV=2.6×2.6×4.2=28.39mP148.07= 72.15s-lG,uvV1.002×10-3×28.3938.82= 36.94s-lG2V1.002×10-3×28.399.52=18.15s-lG,V1.002×10-3×28.39P+P+P1.48.07+38.83+9.52G47.98s-1x3VV1.002×10-3×3×28.3915—6设原水悬浮物体积浓度Φ=5×10°。假定悬浮颗粒粒径均匀。有效碰撞系数=1，水温按15℃计（15℃μ=1.14×10Pa·s）。设计流量Q=360m/h。搅拌功率（或功率消耗）P=195W。试求：（1）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？（2）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）同。搅拌总功率仍为195W，设3座絮凝池搅拌功率分别为。P=100W，Pz=60W
rad s r v w 0.286 / 0.25 0.75 0.75 0.2 0 3 3 = = = (2)浆板所需功率： 长:宽<1 CD = 1.1 3 = 1000Kg / m ( ) ( ) 148.07( ) 406.81 0.714 1.4 0.714 1.05 0.93 0.56 0.44 8 1.1 1000 4 ( ) 8 ( ) 4 8 4 3 3 4 4 4 4 4 1 4 2 4 3 1 4 2 3 1 W lw r r C lw r r C P D D = = − + − = = − + − 406.81 0.457 38.83( ) 3 P2 = = W 406.81 0.286 9.52( ) 3 P3 = = W (3)求：G 值。 20℃ = Pa s −3 1.002 10 V=2.6×2.6×4.2=28.39m3 1 3 1 1 72.15 1.002 10 28.39 148.07 − − = = = s V P G 1 2 3 36.94 1.002 10 28.39 38.82 − − = G = s 1 3 3 18.15 1.002 10 28.39 9.52 − − = G = s 1 3 1 2 3 47.98 1.002 10 3 28.39 1.48.07 38.83 9.52 3 − − = + + = + + = s V P P P G 15—6 设原水悬浮物体积浓度φ=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（15℃ µ=1.14×10-3 Pa·s）。设计流量 Q＝360m3 /h。搅拌功率（或功率消耗） P＝195W。试求： （1）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？ （2）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）同。搅拌总功率仍为 195W，设 3 座絮凝池搅拌功率分别为。 P1= 100W，P2=60W
Ps=35W，试问颗粒数量浓度最后降低百分之几？n"解：做法I(1)15℃μ=1.14×10-"Pa·St:KGn4×5×10-54K=6.37×10-5V=360m/h×0.25h=90m23.1416元P195= 43.59s-lGuvV1.14 ×10-3 ×90t=15min=900s1lnnaIn "α = 2.499n。=12.17900=43.59×6.37×10-5nnn1n。-nn11降低百分率：91.8%12.17non。90/3=30m（2）每池容积：t;=15/3=5min=300s100Pi= 54.07s1GV1.14×10-3×30uv1300=6.37×10-5×54.07n = tkG, +1 = 300 ×6.37 ×10-5 ×54.07 +1 = 2.033nj=0.492ninon=0.492no60= 41.89s-1G,V1.14x10-3×30" = tkG, +1= 300×6.37×10~ ×41.89 +1=1.80n2nz=0.556n,=0.273no35= 31.99s-lG,V1.14×10-3×30
P3=35W，试问颗粒数量浓度最后降低百分之几？ 解：做法 I (1) n n KG t o ln 1 = 15℃ µ=1.14×10-3 Pa·s 5 5 6.37 10 3.1416 4 4 5 10 − − = = = K V=360m3 /h×0.25h=90m3 1 3 43.59 1.14 10 90 195 − − = = = s V P G t=15min=900s n no ln 43.59 6.37 10 1 900 −5 = ln = 2.499 n no = 12.17 n no 降低百分率： 91.8% 12.17 1 = 1− = 1− = − o o o n n n n n （2）每池容积： 90/3=30m3 ti=15/3=5min=300s 1 3 1 1 54.07 1.14 10 30 100 − − = = = s V p G = −1 1 1 1 1 n n kG t o − = − 1 6.37 10 54.07 1 300 1 5 n no 1 300 6.37 10 54.07 1 2.033 5 1 1 = + = + = − tkG n no 0.492 1 = no n n1=0.492 n0 1 2 3 41.89 1.14 10 30 60 − − = G = s 1 300 6.37 10 41.89 1 1.80 5 2 2 1 = + = + = − tkG n n n2=0.556n1=0.273n0 1 3 3 31.99 1.14 10 30 35 − − = G = s
n2 = tkG, +1 = 300×6.37×10-×31.99+1=1.611nns=0.62nz=0.169 no颗粒数量浓度降低了（1-0.169）X100%=83.1%100+60+35G== 43.60s-l做法II/1.14×10-×3×30n=(μKG+1)由式可得式KGnmnn =[300×6.37 ×10~ ×42.65 +1] = 5.9791g11n。-nm=1-颗粒数量浓度降低了=83.28%-1n.5.979n。nm
1 300 6.37 10 31.99 1 1.611 5 3 3 2 = + = + = − tkG n n n3=0.62n2=0.169 n0 颗粒数量浓度降低了（1-0.169）×100%=83.1% 做法 II 1 3 43.60 1.14 10 3 30 100 60 35 − − = + + G = s 由式 − = 1 1 1 m m o n n KG t 可得式 ( ) m m o tKG n n = +1 300 6.37 10 42.65 1 5.979 3 5 = + = − m o n n 颗粒数量浓度降低了 83.28% 5.979 1 1 1 = 1 − = − = − m o o o m n n n n n
十六章沉淀和澄清【习题】（p314）16一1.已知颗拉密度p=2.65g/cm，粒径d=0.45mm（按球形颗粒考虑），求该颗粒在20度水中沉降速度为多少？注：公式中代入的单位：p—密度，kg/m3；μ一动力粘度，N-s/m2(Pa·s);1运动粘度，m2/s；d—粒径，m,g一重力加速度，m/s2；u—沉速，m/s。解：20℃时，V=1.004×10m/sμ=1.002x10"PasP,=998.2Kg/m试算，先假设在层流区，由Stokes公式.P.-Pl.g·d-l.2650-99821×9.81×0.000452=0.182m/4181.002×10-318/0.182x0.00045udRe ==81.54>1不在层流区，v1.004×10-6再假设在过渡区，由Allen公式1(2650-998.2)x9.81P,dx0.00045=0.0752m/s2252251.002x10-3×998.2uPiud0.0752×0.00045Re=33.7Re在1一1000范围内，在过渡区，符合题义。1.004×10-6V16一2.平流沉淀池设计流量为720m/h。要求流速等于和大于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㎡？（2）沉速为0.1mm/s的颗粒。可去除百分之几？已知：Q=720m/h；u.=0.4mm/s=1.44m/hu=QA=2_720=500m2解：A1.44u.E=_0.1=25%u。0.416一3.原水泥砂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㎡/h，表面积为500㎡。试按理想沉淀池条件，求该池可去除泥砂颗粒约百分之几？（C.表示泥砂初始浓度，C表示取样浓度）。沉降试验数据
十六章 沉淀和澄清 【习题】(p314) 16—1.已知 颗拉密度ρ=2.65g/cm3，粒径 d=0.45mm（按球形颗粒考虑），求该颗粒在 20 度水中沉降速度为多少？ 注：公式中代入的单位：ρ—密度，kg/m3; μ—动力粘度，N·s/m2(Pa·s); ν—运动粘度，m2/s; d—粒径，m; g—重力加速度，m/s2; u—沉速，m/s。 解： 20℃时，ν=1.004×10-6 m 2 /s μ=1.002×10-3 Pa·s ρl=998.2Kg/m3 试算，先假设在层流区，由 Stokes 公式 s u s l g d 9.81 0.00045 0.182m 1.002 10 2650 998.2 18 1 18 1 2 3 2 = − • • = • − = • − 81.54 1 1.004 10 0.182 0.00045 Re 6 = = = − ud 不在层流区， 再假设在过渡区，由 Allen 公式 ( ) ( ) d m s g u l s l 0.00045 0.0752 1.002 10 998.2 2650 998.2 9.81 225 4 225 4 3 1 3 3 2 2 1 2 2 = − = • − = • − 33.7 1.004 10 0.0752 0.00045 Re 6 = = = − ud Re 在 1—1000 范围内，在过渡区，符合题义。 16—2．平流沉淀池设计流量为 720m 3 /h。要求流速等于和大于 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 m 2？ （2）沉速为 0.lmm／s 的颗粒。可去除百分之几？ 已知：Q=720m3 /h; uo=0.4mm/s=1.44m/h 解： A Q uo = 2 500 1.44 720 m u Q A o = = = 25% 0.4 0.1 = = = o i i u u E 16—3．原水泥砂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 900m3 /h, 表面积为 500m2。试按理想沉淀池条件，求该池可去除泥砂颗粒约百分之几？ （C0 表示泥砂初始浓度，C 表示取样浓度）。 沉降试验数据