环境工程原理的课后习题

第二章1.某一湖泊的容积为10*106m3,上游有一未被污染的河流流入该湖泊，流量为50m3/s。一工厂以5m3/s的流量向湖泊排放污水，其中含有可降解污染物，浓度为100mg/L。污染物降解反应速率常数为0.25d-1。假设污染物在湖中充分混合。求稳态时湖中污染物的浓度。解：设稳态时湖中污染物浓度为m，则输出的浓度也为m…由质量恒算，得120mmqqkv………………………带入数值为6510055010100.25864000mm….解得m=5.96mg/L…………………………………………………2.一条河流的上游流量为10.0m3/s，氯化物的浓度为20.0mg/L；有一条支流汇入，流量为5.0m3/s，氯化物浓度为40.0mg/L。视氯化物为不可降解物质，系统处于稳定状态，试计算汇合点下游河水中氯化物浓度。假设在该点两股流体完全混合。解：因为系统处于稳定状态且完全混合，所以112212(2)20.0*10.040.0*5.0=/=26.7/210.05.0vvmvvqqqqmgLmgL分（分）故汇合点下游河水中氯化物浓度为26.7mg/L3.有一个总功率为100MW的核反应堆，其中2/3的能量杯冷却水带走，不考虑其他能量损失。冷却水来自于当地的一条河流，河水的流量为100m3/s，水温为20℃。（1）如果水温允许上升10℃，冷却水需要多大的流量？（2）如果加热后的水返回河中，问河水的水温会上升多少摄氏度？解：输入冷却水的热量为21000666.73QMW（1）以冷却水为衡算对象，设冷却水的流量为vq，热量变化率为mpTqc。根据热量衡算定律，有3104.18310666.7vq，求得315.94/vqms（2）由题，根据热量衡算方程得33100104.183666.710T求得1.59TK4.某一段河流上游流量为36000m3/d，河水中污染物的浓度为3.0mg/L。有一支流流量为10000m3/d，其中污染物浓度为30mg/L。假设完全混合。求：（1）下游的污染物浓度是多少；（2）每天有质量为多少千克的污染物质通过下游某一监测点。解：（1）根据质量衡算方程，下游污染物浓度为1v12v2v1v2q+q3.0360003010000=8.87mg/Lqq3600010000（2）每天通过下游监测点的污染物的质量为3mv1v2qq8.87360001000010408.02kg/d5.假设某一城市上方的空气为一长宽均为100km、高为1.0km的空箱模型。干净的空气以4m/s的流速从一边流入。假设某种空气污染物以10.0kg/s的总排放速率进入空箱，其降解反应速率常数为0.20h-1。假设完全混合。（1）求稳态情况下的污染物浓度；（2）假设风速突然降低为1m/s，估计2h以后污染物的浓度。解：（1）设稳态下污染物的浓度为，则由质量衡算得9610.00.20/36001001001104100100，解之得310.5g/m（2）设空箱的长宽均为L，高度为h,质量流量为qm,风速u。根据质量衡算方程m1m2dmqqkvdt22mdquLhkLh=Lhdt带入已知量，分离变量并积分，得720035010.5ddt106.610积分，得329.0g/m6.某水池内有1m3含总氮20mg/L的污水，现用地表水进行置换，地表水进入水池的流量为10m3/min，总氮含量为2mg/L，同时从水池中排出相同的水100mVqq量。假设水池内混合良好，生物降解过程可以忽略，求水池中总氮含量变为5mg/L时，需要多少时间。解:设地表水中总氮浓度为0，池中总氮浓度为由质量衡算，得v0vdVqqdt即1dtd102积分，有t50201dtd102，求得t0.18min7.某污水处理工艺中含有沉淀池和浓缩池，沉淀池用于去除水中的悬浮物，浓缩池用于将沉淀的污泥进一步浓缩，浓缩池的上清液返回到沉淀池中。污水流量为5000m3/d，悬浮物含量为200mg/L，沉淀池出水中悬浮物质量浓度为20mg/L，沉淀污泥的含水率为99.8%，进入浓缩池停留一定时间后，排出的污泥含水率为96%，上清液中的悬浮物含量为100mg/L。假设系统处于稳定状态，过程中没有生物作用。求整个系统的污泥产量和排水量，以及浓缩池上清液回流量。污水的密度为1000kg/m3。解：设沉淀池进水流量为qv0，污泥产量为qv1，排水量为qv2，浓缩池上清液流量为qv3，进入浓缩池的水量为qv4。(1)求污泥产量以沉淀池和浓缩池的整个过程为衡算系统，悬浮物为衡算对象，因系统稳定运行，输入系统的悬浮物量等于输出的量输入速率输出速率为又已知根据上面的方程联立方程组，可解得qv1=22.5m3/d，qv2=4977.5m3/d（2）浓缩池上清液量：取浓缩池为衡算系统，悬浮物为衡算对象输入速率21122mVVqqq001122VVVqqq012VVVqqq144mVqq输出速率为又可解得qv3=450m3/d,qv4=472.5m3/d第六章1.降尘室是从气体中除去颗粒的重力沉降设备，气体通过降尘室具有一定的停留时间，若在这个时间内颗粒沉到室底，就可以从气体中去除。现用除尘室分离气体中的粉尘（密度为4500kg/m3）,操作条件是：气体体积流量为6m3/s,密度为0.6kg/m3，黏度为3.0*10-5Pa.s，降尘室高2m，宽2m，长5m。求能够被完全去除的最小尘粒的直径。解：设降尘室长为L，宽为b，高为h，则颗粒的停留时间为iLut停，沉降时间为thut沉，当tt沉停，颗粒可以从气体中完全去除，=tt沉停对应的是能够去除的最小颗粒，即itLhuu因为viquhb，所以vvithqqhu6u0.6m/sLLhbLb52假设沉降在层流区，应用斯托克斯公式，得55tp,minp18u183100.6d8.5710m9.8145000.6g检验雷诺数5ptep5du8.57100.60.6R1.032310，在层流区所以可以去除的最小颗粒直径为85.7微米。2.用多层降尘室除尘，已知降尘室总高4m，每层高0.2m，长4m，宽2m，欲处理的含尘气体密度为1kg/m3，黏度为3*10-5Pa.s，尘粒密度为3000kg/m3，要求完全去除的最小颗粒直径为20微米，求降尘室最大处理的气体流量。解：假设颗粒沉降位于层流区，则颗粒的沉降速度为21133mVVqqq441133VVVqqq413VVVqqq262ppt5300019.812010gdu0.0218m/s1818310检验5ptep5du12.0100.0218R0.01452310，假设正确。降尘室总沉降面积为2A2042=160m所以最大处理流量为3vtqAu1600.0218=3.488m/s。3.体积流量为1m3/s的20℃常压含尘空气，固体颗粒的密度为1800kg/m3。空气的密度为1.205kg/m3，黏度为1.81*10-5Pa.s则（1）用底面积为60m2的降尘室除尘，能够完全去除的最小颗粒直径是多少（2）用直径为600mm的标准旋风分离器除尘，离心分离因数、临界直径和分割直径是多少。解：能完全去除的颗粒沉降速度为vt1qu0.0167m/sA60假设沉降符合斯托克斯公式，能够完全去除的最小颗粒直径为55tp,minp18u181.81100.0167d1.7610m17.6m18001.2059.81g检验：5ptep5du1.2051.76100.0167R0.06421.8110，假设正确（２）标准旋风分离器进口宽度为D0.6B0.15m44，进口高度iD0.6h0.3m22，进口气速viiq1u22.22m/sBh0.150.3分离因数222iimuu22.22Kc=224DBgr9.810.60.375g2临界直径5cip9B91.81100.15d6.24muN3.1422.2218005分割直径为50piDd0.274.45mu4.用标准型旋风分离器收集烟气粉尘，已知含粉尘空气的温度为200℃，体积流量为3800m3/h,粉尘密度为2290kg/m3，求旋风分离器能分离的临界直径（旋风分离器的直径为650mm，200℃空气的密度为0.746kg/m3，黏度为2.60*10-5pa.s）。解：标准旋风分离器进口宽度D0.65B=0.163m44，进口高度为iD0.65h0.325m22进口气速vii3800q3600u19.99m/sBh0.1630.325所以分离粉尘的临界直径为cip9Bd7.27muN5.欲用降尘室净化温度为20℃、流量为2500m3/h的常压空气，空气中所含粉尘的密度为1800kg/m3，要求净化后的空气不含有直径大于10微米的颗粒，试求所需沉降面积为多大？若降尘室底面的宽为3m、长为5m，室内需要设置多少块隔板？已知20℃空气的密度为31.2kg/m，黏度为51.8110Pas。解：设直径为10m的颗粒沉降属于斯托克斯区，沉降速度2ppt2635dgu18101018001.29.815.4210m/s181.8110检验：63pt3p5du1.210105.4210Re3.6101.01.8110故以上计算有效所需沉降面积为2t2500V3600A128.6mu0.0054因沉降室底面积为235m已定，所以所需隔板数目为A128.6N11=7.5783515所以需要8块隔板6.求直径为40m，密度为2700kg/m3的固体颗粒在20℃的常压空气中的自由沉降速度。已知20℃，常压状态下空气密度为1.205kg/m3，黏度为1.81×10-5Pa·s。解：（1）试差法假设颗粒的沉降处于层流区，并且由于ρpρ，所以得：262PPt527009.8140100.1318181.8110gdum/s检验：6PtP540100.131.2050.34621.8110duRe所以在层流区，与假设相符，计算正确。（2）判据法计算K判据得363PP22540109.811.20527006.24361.8110dgK所以可判断沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：262PPt527009.8140100.1318181.8110gdum/s第七章1、在实验室中，用过滤面积为0.1m2的滤布对某种悬浮液进行过滤，在恒定压差下，过滤5分钟得到滤液1L，再过滤5分钟得到滤液0.6L。如果再过滤5分钟，可以再得到多少滤液？解：在恒定压差条件下，过滤方程为22eqqqkt3322321110560300,1/110/0.1tssqmmmm332232210.6101060600,1/1.610/0.1tssqmmmm代入过滤方程，得2221102110300eqk2221.61021.610600eqk联立上面两式，可以求得：232620.710/,0.810/eqmmkms因此，过滤方程为22620.7100.810qqt当