环4《水处理工程》中期考试 参考答案 一、 混凝(10分) 简述聚丙烯酰胺高分子絮凝剂的作用机理和使用方法，以及水力学条件有何要求？ 解： (1)聚丙烯酰胺的分子结构 聚合度高，分子量大。 (2)絮凝机理 吸附架桥作用：对胶体表面具有强烈的吸附作用，在胶粒之间形成桥联，从而形成“胶 粒-高分子胶粒”的絮凝体。 (3)使用方法 ①预处理：适当程度地碱性水解，使线性分子充分展开。 ②作为助凝剂配合铝盐或铁盐使用，效果显著。 ③控制适当的用量，以防止发生胶体保护。 ④注意单体的毒性。 (4)水力学条件的要求 在絮凝阶段，为避免絮凝体破碎，G值应小，并从絮凝开始至絮凝结束G值逐渐减小。 二、沉淀(25分) 某水样含离散性颗粒，颗粒密度1400gm3,总浓度100mg/L,颗粒粒径分布见下表。 沉淀池按理想沉淀池考虑，表面负荷为1.0m3/(m2h),水的密度998kgm3,水温20℃（水的 粘滞系数1.002×103Pas)。 原水中颗粒分布表 颗粒粒径(mm) 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 原水对应颗粒浓度(mgL) 15 20 25 25 15 (1)如采用平流式沉淀池，计算沉淀出水中颗粒的分布与总的颗粒去除率。 (2)如采用竖流式沉淀池， 计算沉淀出水中颗粒的分布与总的颗粒去除率。 解： )首先计算各种粒径的颗粒的沉降速度 4 g Pp-pid 13Cp Pi 假设粒径范围为0.010.05mm的颗粒沉降均处于层流区 则由u= 1 Pp-P gd (式1) 184 第1页共6页
第 1 页 共 6 页 环 4《水处理工程》中期考试 参考答案 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 一、混凝（10 分） 简述聚丙烯酰胺高分子絮凝剂的作用机理和使用方法，以及水力学条件有何要求？ ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 解： （1）聚丙烯酰胺的分子结构 C H2 C H CONH2 n 聚合度高，分子量大。 （2）絮凝机理 吸附架桥作用：对胶体表面具有强烈的吸附作用，在胶粒之间形成桥联，从而形成“胶 粒-高分子-胶粒”的絮凝体。 （3）使用方法 ①预处理：适当程度地碱性水解，使线性分子充分展开。 ②作为助凝剂配合铝盐或铁盐使用，效果显著。 ③控制适当的用量，以防止发生胶体保护。 ④注意单体的毒性。 （4）水力学条件的要求 在絮凝阶段，为避免絮凝体破碎，G 值应小，并从絮凝开始至絮凝结束 G 值逐渐减小。 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 二、沉淀（25 分） 某水样含离散性颗粒，颗粒密度 1400g/m3 ，总浓度 100mg/L，颗粒粒径分布见下表。 沉淀池按理想沉淀池考虑，表面负荷为 1.0m3 /(m2 ·h)，水的密度 998kg/m3 ，水温 20℃（水的 粘滞系数 1.002×10-3 Pa·s）。 原水中颗粒分布表 颗粒粒径（mm） 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 原水对应颗粒浓度（mg/L） 15 20 25 25 15 （1）如采用平流式沉淀池，计算沉淀出水中颗粒的分布与总的颗粒去除率。 （2）如采用竖流式沉淀池，计算沉淀出水中颗粒的分布与总的颗粒去除率。 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 解： I）首先计算各种粒径的颗粒的沉降速度 4 3 p l D l g u d C ρ ρ ρ − = 假设粒径范围为 0.01~0.05mm 的颗粒沉降均处于层流区 则由 1 2 18 p l u gd ρ ρ µ − = （式 1）
有： umax =0.547mm/s,when dma =0.05mm 校核： 由Re= Pud 有：Remx=0.027<l,when d=0.05mm 说明所有颗粒的Re均小于1，因此所有颗粒均处于层流区，假设正确。 根据（式1）计算各粒径颗粒的沉速，结果如下表： d (mm) 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 u (mm/s) 0.022 0.087 0.197 0.350 0.547 C (mg/L) 15 20 25 25 15 颗粒所占分 15% 20% 25% 25% 15% 数p=C1C总 Ⅱ)其次计算不同沉淀池的颗粒去除率及出水中颗粒的分布 (1)对于平流式沉淀池 表面负荷4，=1.0m3/mgh)=0.278mm/s 则去除率P=159%?0.022 20%?0.087 25%？0197 25%+15%=65.2% 0.278 0.278 0.278 出水中颗粒的分布如下表所示： d (mm) 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 u (mm/s) 0.022 0.087 0.197 0.350 0.547 初始C(mgL) 15 20 25 25 15 去除率 7.9% 31.3% 70.9% 100% 100% 出水C(mgL) 13.82 13.74 7.28 0 0 (2)对于竖流式沉淀池 表面负荷4，=1.0m3/m2gh)=0.278mm/s 沉速大于的颗粒被完全去除，沉速小于6的颗粒不能被去除。 则去除率P=25%+15%=40% 出水中颗粒的分布如下表所示： d (mm) 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 u(mm/s) 0.022 0.087 0.197 0.350 0.547 初始C(mgL) 15 20 25 25 15 去除率 0% 0% 0% 100% 100% 出水C(mg/L) 15 20 25 0 0 三、过滤(15分) 某水厂处理规模为50000m3d,池型采用虹吸滤池。 (1)当采用单层石英砂滤料时，计算虹吸滤池的分格数和单池面积。 第2页共6页
第 2 页 共 6 页 有： max max u d = 0.547mm/s, when 0.05mm = 校核： 由 Re l ρ ud µ = 有：Re 0.027 1, when 0.05mm max max =< = d 说明所有颗粒的 Re 均小于 1，因此所有颗粒均处于层流区，假设正确。 根据（式 1）计算各粒径颗粒的沉速，结果如下表： d（mm） 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 u（mm/s） 0.022 0.087 0.197 0.350 0.547 C（mg/L） 15 20 25 25 15 颗粒所占分 数 p＝C/C 总 15% 20% 25% 25% 15% II）其次计算不同沉淀池的颗粒去除率及出水中颗粒的分布 （1）对于平流式沉淀池 表面负荷 3 2 0 u = = 1.0m /(m h) 0.278mm/s g 则去除率 0.022 0.087 0.197 15% 20% 25% 25% 15% 65.2% 0.278 0.278 0.278 P =? ? ? += 出水中颗粒的分布如下表所示： d（mm） 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 u（mm/s） 0.022 0.087 0.197 0.350 0.547 初始 C（mg/L） 15 20 25 25 15 去除率 7.9% 31.3% 70.9% 100% 100% 出水 C（mg/L） 13.82 13.74 7.28 0 0 （2）对于竖流式沉淀池 表面负荷 3 2 0 u = = 1.0m /(m h) 0.278mm/s g 沉速大于 u0 的颗粒被完全去除，沉速小于 u0的颗粒不能被去除。 则去除率 P =+= 25% 15% 40% 出水中颗粒的分布如下表所示： d（mm） 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 u（mm/s） 0.022 0.087 0.197 0.350 0.547 初始 C（mg/L） 15 20 25 25 15 去除率 0% 0% 0% 100% 100% 出水 C（mg/L） 15 20 25 0 0 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 三、过滤（15 分） 某水厂处理规模为 50000m3 /d，池型采用虹吸滤池。 （1）当采用单层石英砂滤料时，计算虹吸滤池的分格数和单池面积
(2)如果采用双层滤料，(1)中计算的工艺参数是否可以保持不变？为什么？ (3)当原水浊度较高时，是否可以采用直接过滤工艺，为什么？ 解： (1)当采用单层石英砂滤料时： 滤速v=8~10m/h,取为9m/h 冲洗强度q=12~15L/(sm2),取为14Lsm2) 选池总面积Ru=2=5000/24 231.5m2 9 14 滤池分格数n 3.6g=3.6×14=5.6,取为6 9 F 则单池面积F=o恤= 231.5 =38.6m2 n 6 (2) 单层滤料 双层滤料 滤速v(m/h) 8-10 10-14 冲洗强度q(L/(sm) 12~15 13~16 滤池总面积Foal(m2) 208.3-260.4 148.8-208.3 滤池分格数n ≥(4.32-6.75) ≥(3.345.76) 即≥(5~7) 即≥(46) 单池面积F(m2) ≤(29.8-52.1) ≤(24.852.1) 由上表可见，如果改用双层滤料，则滤速、滤池总面积将减小：而冲洗强度、滤池分格数、 单池面积则不一定，因为改变前后它们的取值范围存在交叉部分。 (3)不可以。 直接过滤是指原水不经过沉淀而直接进入滤池进行过滤。当原水浊度较高时，颗粒浓度 大，而且投加絮凝剂后生成较多的大粒径絮凝体，从而导致：①滤层更容易被污染，缩短了 过滤周期：②滤层表面孔隙很快被堵塞，使深层的去污能力得不到充分发挥。 四、离子交换(20分) 已知水质资料如下： Ca2*:1.4mmol/L,Mg2:0.9mmol/L,Na':0.4mmol/L, HCO3:3.6mmol/L,SO2:0.5mmol/L,Cr:0.4mmol/L (1)若采用石灰软化，问是否可以将硬度降低到1个德国度以下？ (2)若采用离子交换进行软化并除碱，要求出水剩余碱度为0.2mmol/L,请选择合适的工 艺，并计算以钠离子泄露为基准时每个树脂交换器处理水的比例。 (3)当RNa树脂发生硬度离子泄露后，采用食盐逆流再生，树脂底部再生度为98%。试估 算RNa树脂再次使用初期镁离子的泄露量(RNa全交换容量2mol/L,选择性系数 K=15. 解： 第3页共6页
第 3 页 共 6 页 （2）如果采用双层滤料，（1）中计算的工艺参数是否可以保持不变？为什么？ （3）当原水浊度较高时，是否可以采用直接过滤工艺，为什么？ ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 解： （1）当采用单层石英砂滤料时： 滤速 v＝8~10m/h，取为 9m/h 冲洗强度 q＝12~15L/(s·m 2 )，取为 14 L/(s·m 2 ) 滤池总面积 2 total 50000 / 24 231.5m 9 Q F v == = 滤池分格数 3.6 14 3.6 5.6 9 q n v ≥ = ×= ，取为 6 则单池面积 total 231.5 2 38.6m 6 F F n == = （2） 单层滤料 双层滤料 滤速 v（m/h） 8~10 10~14 冲洗强度 q（L/(s·m 2 )） 12~15 13~16 滤池总面积 Ftotal（m 2 ） 208.3~260.4 148.8~208.3 滤池分格数 n ≥（4.32~6.75） 即≥（5~7） ≥（3.34~5.76） 即≥（4~6） 单池面积 F（m 2 ） ≤（29.8~52.1） ≤（24.8~52.1） 由上表可见，如果改用双层滤料，则滤速、滤池总面积将减小；而冲洗强度、滤池分格数、 单池面积则不一定，因为改变前后它们的取值范围存在交叉部分。 （3）不可以。 直接过滤是指原水不经过沉淀而直接进入滤池进行过滤。当原水浊度较高时，颗粒浓度 大，而且投加絮凝剂后生成较多的大粒径絮凝体，从而导致：①滤层更容易被污染，缩短了 过滤周期；②滤层表面孔隙很快被堵塞，使深层的去污能力得不到充分发挥。 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 四、离子交换（20 分） 已知水质资料如下： Ca2+：1.4mmol/L，Mg2+：0.9mmol/L，Na+ ：0.4mmol/L， HCO3 - ：3.6mmol/L，SO4 2- ：0.5mmol/L，Cl- ：0.4mmol/L （1）若采用石灰软化，问是否可以将硬度降低到 1 个德国度以下？ （2）若采用离子交换进行软化并除碱，要求出水剩余碱度为 0.2mmol/L，请选择合适的工 艺，并计算以钠离子泄露为基准时每个树脂交换器处理水的比例。 （3）当 RNa 树脂发生硬度离子泄露后，采用食盐逆流再生，树脂底部再生度为 98%。试估 算 RNa 树脂再次使用初期镁离子的泄露量（RNa 全交换容量 2mol/L，选择性系数 2+ + Mg Na K =1.5 ）。 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 解：
(1)采用石灰软化： Mg2*+Ca(OH)2-Ca2++Mg(OH)2 0.9mmol/L 由以上反应所生成的Ca2+为0.9mmol/L 则总的Ca2+浓度=1.4+0.9=2.3mmol/L Ca2++2HC03→CaC03↓+H20+C02↑ 3.6mmol/L 由以上反应去除的Ca2+为3.6/2=1.8mmol/L 因此剩余的Ca2浓度=2.3-1.8=0.5mmol/L ∴.软化后剩余的硬度（德国度）=0.5×56/10=2.8>1 因此不能将硬度降低到1个德国度以下。 (2)原水中硬度较低，选用H-Na并联工艺。 原水碱度Am=3.6mmol/L,剩余碱度Aot=0.2mmol/L, 原水中S02、Cr含量之和S=2×0.5+0.4=1.4mmol/L 若H以钠离子泄漏为基准，则每个树脂交换器处理水的比例为： ①RH树脂： 24-4-4=36-02=68% QAm+S3.6+1.4 ②RNa树脂： 0=4+S=02+14=32% QAm+S3.6+1.4 (3)RNa树脂再次使用初期： 2RNa+Mg2+→R2Mg+2Na [R,Mg][Na*]2 [RNa]2[Mg2] 919o 1-q19)2 K9o cle c(1-c/c)2 上式中： K=1.5,96=2molL,g1g,=1-98%=0.02, c=2?0.90.4=2.2mmol/L 解得：c/c=1.53?105,c=3.36?105mmol/L 则泄露的镁离子浓度=c/2=1.68×10mmol/L 五、膜分离(10分) (1)请说明电渗析中的离子交换膜和离子交换树脂的相同点和不同点。 (2)分析微滤、超滤和反渗透的相同点和不同点。 第4页共6页
第 4 页 共 6 页 （1）采用石灰软化： Mg2+＋Ca(OH)2 → Ca2+＋Mg(OH)2↓ 0.9mmol/L 由以上反应所生成的 Ca2+为 0.9mmol/L 则总的 Ca2+浓度＝1.4＋0.9＝2.3mmol/L Ca2+＋2 HCO3 - → CaCO3↓＋H2O＋CO2↑ 3.6mmol/L 由以上反应去除的 Ca2+为 3.6/2＝1.8mmol/L 因此剩余的 Ca2+浓度＝2.3－1.8＝0.5mmol/L ∴软化后剩余的硬度（德国度）＝0.5×56/10＝2.8 > 1 因此不能将硬度降低到 1 个德国度以下。 （2）原水中硬度较低，选用 H-Na 并联工艺。 原水碱度 Ain＝3.6mmol/L，剩余碱度 Aout＝0.2mmol/L， 原水中 SO4 2- 、Cl- 含量之和 S＝2×0.5＋0.4＝1.4mmol/L 若 RH 以钠离子泄漏为基准，则每个树脂交换器处理水的比例为： ①RH 树脂： H in out in 3.6 0.2 68% 3.6 1.4 Q A A Q AS - - = == + + ②RNa 树脂： Na out in 0.2 1.4 32% 3.6 1.4 Q AS Q AS + + == = + + （3）RNa 树脂再次使用初期： 2 RNa＋Mg2+ → R2Mg＋2 Na+ 2+ + + 2 Mg 2 Na 2 2+ [R Mg][Na ] [RNa] [Mg ] K = 2+ + 0 00 Mg 2 2 Na 0 00 / / (1 / ) (1 / ) qq q cc K qq c cc = − − 上式中： 2+ + Mg Na K =1.5 ， 0 q = 2mol/L ， 0 q q/ 1 98% 0.02 =- = ， 0 c =? = 2 0.9 0.4 2.2mmol/L 解得： 5 0 c c/ 1.53 10- = ? ， 5 c 3.36 10 mmol/L - = ? 则泄露的镁离子浓度＝c/2＝1.68×10-5 mmol/L ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 五、膜分离（10 分） （1）请说明电渗析中的离子交换膜和离子交换树脂的相同点和不同点。 （2）分析微滤、超滤和反渗透的相同点和不同点
解： (1) 项目 离子交换膜 离子交换树脂 化学成分 成分类似的高分子化合物 相 同 微观结构 均由基体和活性基团组成 作用机理 均对某种离子具有特定的选择性 表观形态 薄片状 球形颗粒状 不 作用机理 对溶液中离子具有选择透过性 与溶液中离子之间的交换反应 同 离子迁移推动力 电场力 离子交换反应活性 工作容量 不会饱和，不需再生 会饱和，需要再生 (2) 项目 微滤 超滤 反渗透 相 材料成分 类似的化学成分，多为有机高聚物 同 推动力 压力差 膜孔径 0.1-10μm 5nm~0.lum 90°，cos00,△广oar-gs,易气浮： 0-180°，c0s0-1,△W=2 water-gas,最易气浮。 可水 由于油粒为疏水性颗粒，因此在图中应体现出>90°。 (2)采用全加压溶气气浮工艺，则R=Q 第5页共6页
第 5 页 共 6 页 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 解： （1） 项目 离子交换膜 离子交换树脂 相 同 化学成分 成分类似的高分子化合物 微观结构 均由基体和活性基团组成 作用机理 均对某种离子具有特定的选择性 不 同 表观形态 薄片状 球形颗粒状 作用机理 对溶液中离子具有选择透过性 与溶液中离子之间的交换反应 离子迁移推动力 电场力 离子交换反应活性 工作容量 不会饱和，不需再生 会饱和，需要再生 （2） 项目 微滤 超滤 反渗透 相 同 材料成分 类似的化学成分，多为有机高聚物 推动力 压力差 不 同 膜孔径 0.1~10μm 5nm~0.1μm 90°，cosθσwater-gas，易气浮； θ→180°，cosθ→1，ΔW＝2σwater-gas，最易气浮。 由于油粒为疏水性颗粒，因此在图中应体现出 θ>90°。 （2）采用全加压溶气气浮工艺，则 R＝Q
则气固比a=4-YC(P-R/1000=C(P-1)/1000 So S 则溶气罐压力计算如下(20℃时空气容重y=1.164gL): 000aS.+lD/f=1000x0.01x1001100+1)/80%=1.31atm P=( YC. 1.164×18.7 (3)粘土颗粒呈亲水性，加入到含油废水中，起到固化乳化剂的作用：①粘土颗粒的一小 部分与油珠接触，大部分为水润湿，从而使油珠的亲水性增加，使油珠与气泡之间的附着不 牢：②增大了油珠的电位值，阻碍了油珠之间的吸附聚集过程。 因此含油废水中混入一定量的粘土会使气浮效果变差。 第6页共6页
第 6 页 共 6 页 则气固比 s s a a A C fP R C fP ( 1) /1000 ( 1) /1000 a S SQ S γ γ − − = = = 则溶气罐压力计算如下（20℃时空气容重 γ＝1.164g/L）： a s 1000 1000 0.01 100 /1000 ( 1) / ( 1) / 80% 1.31atm 1.164 18.7 aS P f γC × × = += + = × （3）粘土颗粒呈亲水性，加入到含油废水中，起到固化乳化剂的作用：①粘土颗粒的一小 部分与油珠接触，大部分为水润湿，从而使油珠的亲水性增加，使油珠与气泡之间的附着不 牢；②增大了油珠的 ζ 电位值，阻碍了油珠之间的吸附聚集过程。 因此含油废水中混入一定量的粘土会使气浮效果变差