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第二章水的物理化学处理方法2-1自由沉淀、絮凝沉淀、拥挤沉淀与压缩沉淀各有什么特点？说明它们的内在区别和特点。悬浮颗粒在水中的沉降，根据其浓度及特性，可分为四种基本类型：自由沉淀：颗粒在沉降过程中呈离散状态，其形状、尺寸、质量均不改变，下沉速度不受干扰。絮凝沉淀：沉降过程中各颗粒之间相互粘结，其尺寸、质量会随深度增加而逐渐增大，沉速亦随深度而增加。拥挤沉淀：颗粒在水中的浓度较大，颗粒间相互靠得很近，在下沉过程中彼此受到周围颗粒作用力的干扰，但颗粒间相对位置不变，作为一个整体而成层下降。清水与浑水间形成明显的界面，沉降过程实际上就是该界面下沉过程。压缩沉淀：颗粒在水中的浓度很高时会相互接触。上层颗粒的重力作用可将下层颗粒间的水挤压出界面，使颗粒群被压缩。2-2水中颗粒的密度s=2.63/gcm，粒径d=0.1mm，求它在水温10℃情况下的单颗粒沉降速度。解：6.7×10-3m/s。2-3非絮凝性悬浮颗粒在静止条件下的沉降数据列于表2-22中。试确定理想式沉淀池过流率为1.8m3/m2h时的悬浮颗粒去除率。试验用的沉淀柱取样口离水面120cm和240cm。ρ表示在时间t时由各个取样口取出的水样中悬浮物的浓度，ρ0代表初始的悬浮物浓度。习题2-3附表时间/tmin01530456090180120cm处的ρ/ρ010.960.810.620.460.230.06240cm处的ρ/ρ010.990.970.930.860.700.32解：（1）H=1.2m，69.6%；（2）H=2.4m，61.9%。2-4生活污水悬浮物浓度300mg/L，静置沉淀试验所得资料如表2-23所示。求沉淀效率为65%时的颗粒截留速度。习题2-4附表取样口离水面高度/m在下列时间（min）测定的悬浮物去除率/%510204060901200.6415560677273761.2193345586270741.815313854596371解：不同水深下的E～Umin时间/510204060901200.6m/minUm0.120.060.030.0150.010.00670.005/%E415560677273761.2m/minUm0.240.120.060.030.020.0130.01/%E35.549.556.364.869.572.375.51.8m/minUm0.360.180.090.0450.030.020.015/%E29.343.751.361.866.570.374.5根据上表数据绘制不同水深条件下的E～U曲线，结合曲线求解。2-5污水性质及沉淀试验资料同习题2-4，污水流量1000m3/h，试求：（1）采用平流式、竖流式、辐流式沉淀池所需的池数及澄清区的有效尺寸；（2）污泥的含水率为96%时的每日污泥容积。解：以平流式沉淀池为例：6座池子，长24m，宽5m，有效水深1.8m。污泥的含水率为96%时的每日污泥容积19.5m3。2-6已知平流式沉淀池的长度L=20m，池宽B=4m，池深H=2m。今欲改装成斜板沉淀池，斜板水平间距10cm，斜板长度l=1m，倾角60°。如不考虑斜板厚度，当废水中悬浮颗粒的截留速度0u=1/mh时，改装后沉淀池的处理能力与原池相比提高多少倍？解：提高了5倍。2-7试叙述脱稳和凝聚的原理。胶体脱稳的机理可归结为以下四种：A压缩双电层：带同号电荷的胶粒之间存在着范德华引力和由ζ电位引起的静电斥力。这两种力抗衡的结果决定胶体的稳定性。一般当两胶体颗粒表面距离大于3nm时，两个颗粒总处于相斥状态（对憎水胶体颗粒而言，两胶核之间存在两个滑动面内的离子层，使颗粒保持稳定的相斥状态；对于亲水胶体颗粒而言，其表面吸附了大量的水分子构成水壳，使彼此不能靠近而保持稳定。）在水处理中使两胶体颗粒间距减少，发生凝聚的主要方法是在水中投加电解质。电解质在水中电离产生的离子可与胶粒的反离子交换或挤入吸附层，使胶粒带电荷数减少，降低ζ电位，并使扩散层厚度减小。B吸附电中和：胶粒表面对异号离子、异号胶粒或链状高分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，使得胶粒表面的部位或全部电荷得以中和，减少静电斥力，致使颗粒间易于接近而相互吸附。C吸附架桥：如果投加的化学药剂是能吸附胶粒的链状高分子聚合物，或者两个同号胶粒吸附在同一异号胶粒上，胶粒就能连结、团聚成絮凝体而被除去。D网捕作用：含金属离子的化学药剂投入水中后，金属离子会发生水解和聚合，并以水中的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物，或者沉淀物析出时吸附和网捕胶粒与之共同沉降下来。2-8铝盐的混凝作用表现在哪些方面？铝盐/铁盐在水处理中发挥的三大作用：ApH值偏低，胶体及悬浮物浓度高，投药量尚不足的反应初期，以Al3+或Fe3+和低聚合度高电荷的多核羟基配合物的脱稳凝聚作用为主；BpH值和投药量适中时，以高聚合度羟基配合物的桥连絮凝作用为主；CpH值较高，胶体及悬浮物浓度较低，投药充分时，以氢氧化物沉淀形式存在的网捕絮凝作用为主。2-9混合和絮凝反应主要作用是什么？对搅拌各有什么要求？混合的目的是迅速均匀地将药剂扩散于水中，溶解并形成胶体，使之与水中的悬浮微粒等接触，生成微小的矾花。这一过程的要求：搅拌强度大，产生激烈湍流，混合时的流速应在1.5m/s以上，混合时间短（不超过2分钟），一般为10～30s。反应设备的任务是使细小的矾花逐渐絮凝成较大颗粒，以便于沉淀除去。反应设备要求水流有适宜的搅拌强度，既要为细小絮体的逐渐长大创造良好的碰撞机会和吸附条件，又要防止已形成的较大矾花被碰撞打碎。因此，搅拌强度比在混合设备中要小，但时间比较长，常为10～30min。2-11澄清池的工作原理与沉淀池有何异同？澄清池是完成水和废水的混凝处理工艺（水和药剂的混合、反应以及絮凝体与水分离）的设备。澄清池中起到截留分离杂质颗粒作用的介质是呈悬浮状态的泥渣。即在反应阶段加入一定浓度的悬浮泥渣，或在反应池中保持一定浓度的悬浮泥渣。水中的悬浮颗粒与混凝剂作用而形成微小絮凝体后，一旦在运动中与相对巨大的泥渣接触碰撞，就被吸附在泥渣颗粒表面而被迅速除去。因此，保持悬浮状态的，浓度稳定且均匀分布的泥渣区是决定澄清池处理效果的关键。沉淀池是利用水中悬浮物质自身重力完成水固分离的设备。2-12常见澄清池有哪几种？各有什么优缺点？适用于什么情况？根据泥渣与水接触方式的不同，分为两大类型：（1）泥渣循环分离型：让泥渣在垂直方向不断循环，在运动中捕捉原水中形成的絮凝体，并在分离区加以分离。常用的澄清池中属于泥渣循环分离型的有机械加速澄清池、水力循环澄清池。（2）悬浮泥渣过滤型：靠上升水流的能量在池内形成一层悬浮状态的泥渣，当原水自下而上通过泥渣层时，絮凝体被截留。常用的澄清池中属于悬浮泥渣分离型的有普通悬浮澄清池、脉冲澄清池。2-15水中悬浮物能否黏附于气泡上取决于哪些因素？实现气浮分离过程的必要条件是污染物粘附在气泡上。这与气、液、固三相介质间的相互作用有关。根据热力学的概念，气泡和颗粒的附着过程是向使体系界面能减少的方向自发地进行的。θ→0º，该物质不能气浮；θ＜90º，该物质附着不牢，易分离；θ→180º，该物质易被气浮。其中：θ为气、颗粒与水的接触角。2-17水的软化与除盐在意义上有何差异？水的软化是降低水中Ca2＋、Mg2＋含量，防止管道、设备结垢的处理。水的除盐则是降低部分和全部含盐量的处理。2-18水的软化方法有几种？各有什么特点？①加热软化法——借助加热把碳酸盐硬度转化成溶解度很小的CaCO3和Mg(OH)2沉淀出来，达到软化的目的。此法只能降低碳酸盐硬度，不能降低非碳酸盐硬度。目前在工业上已经很少采用了。②药剂软化法在不加热的条件下，用化学药剂将Ca2＋、Mg2＋以CaCO3、Mg(OH)2的形式沉淀，以去除绝大部分Ca2＋、Mg2＋，达到软化的目的。常用药剂法为石灰法、石灰-纯碱法、石灰-石膏法。由于CaCO3和Mg(OH)2在水中仍有很小的溶解度，所以经此法处理后的水仍有残余硬度，仍然会产生结垢问题。③离子交换法用离子交换剂上的可交换离子Na+与Ca2＋、Mg2＋交换，其他阴离子成分不改变。该法可较彻底的脱除水中的Ca2＋、Mg2＋，较前两个方法优越。2-19离子交换树脂的结构有什么特点？试述其主要性能。废水处理中常用的离子交换剂为离子交换树脂。它是人工合成的高分子化合物，由树脂本体（母体）和活性基团两个部分组成。树脂本体通常是苯乙烯的聚合物，是线性结构的高分子有机化合物。因树脂本体不是离子化合物不具有离子交换能力，需经适当处理加上活性基团后，才成为离子化合物，才具有离子交换能力。活性基团由固定离子和活动离子组成，前者固定在树脂网状骨架上，后者则依靠静电力与前者结合在一起，两者电性相反，电荷相等。2-21试述离子交换工艺的操作程序。离子交换的运行操作包括交换、反洗、再生、清洗四个步骤。（1）交换：离子交换剂上的可交换离子与溶液中其他同性离子间的交换反应。主要与树脂性能、树脂层高度、水流速度、原水浓度以及再生程度有关。（2）反洗：目的在于松动树脂层，以便再生时再生液分布均匀，同时还及时清除积存的杂质、碎粒和气泡。（3）再生：交换反应的逆过程，用较高浓度的再生液恢复树脂的交换能力。（4）清洗：将树脂层中残余的再生废液清洗掉，直至符合出水水质要求。2-22试述离子交换工艺在废水处理中的应用范围。（1）软化一般采用钠型阳离子交换柱（固定型单床），再生液用饱和NaCl溶液。图2-55钠型离子交换柱。（2）除盐需用H+型阳离子交换柱（金属离子与H+交换）与OH-型阳离子交换柱（各酸根离子与OH-交换）串联工艺。图2-56H＋柱和OH－柱串联除盐。（3）重金属废水的处理和金属的回收2-23活性炭吸附的基本原理是什么？吸附作用主要发生在活性炭内部细孔的表面。每克吸附剂所具有的表面积称为比表面积。活性炭的比表面积可达500～1700m2/g。活性炭的吸附量不仅与比表面积有关，而且还取决于细孔的构造和分布情况。这些细孔的构造主要和活化方法及活化条件有关。细孔的大小不同，在吸附中所引起的主要作用也就不同。其中大孔主要为扩散提供通道，影响扩散速度；过渡孔在吸附质孔径小时影响扩散速度，小孔决定吸附量；在吸附质分子大时，影响吸附速度，小孔此时不起作用。图2-57活性炭的微孔结构。活性炭的吸附特性不仅与细孔构造和分布情况有关，而且还与活性炭的表面化学性质有关。2-24吸附等温线有几种？各种等温线的意义何在？吸附等温线按形状可分为几种类型，其中有代表性的有Langmuir（朗格谬尔）型、BET型和Freundlich（弗伦德利希）型。2-25活性炭吸附操作有几种类型？各有什么特点？活性炭吸附操作类型：间歇吸附、连续吸附、流化床吸附。2-26试分析几种膜分离技术的原理和特点与应用1、电渗析——在直流电场的作用下，利用阴阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性（即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），使溶质与水分离的物化过程。2、渗析法——在半透膜高浓度溶液的一侧施加足够的压力（超过溶液的渗透压），使溶剂从高浓度一侧向低浓度一侧流动的过程。随着反渗透膜制造技术及装置的迅速发展与完善，反渗透工艺已在海水及苦咸水淡化、饮用水处理、高纯水制备等领域得到了较多的应用。在电镀、食品工业等废水处理方面也有应用。3、微滤、超滤和纳滤等——依靠压力和膜进行工作，制膜的原料也是醋酸纤维素或聚酰胺、聚砜等，但删去热处理工序，使制成的膜孔径较大，能够在较小的压力下工作，而且有较大的水通量。微滤技术适合于去除胶体、悬浮固体和细菌，现多用于取代深床过滤，降低出水浊度，强化水的消毒，有时也作反渗透的预处理。超滤能去除相对分子量大于1000～100000的物质，如胶体、蛋白质、颜料、油类、微生物等。纳滤又称低级反渗透，可分离相对分子量大于200～400的物质，如硬度离子、色素等，有些较大分子的有机物也可被除去。2-29微滤、超滤、纳滤和反渗析有何区别？微滤、超滤和纳滤等——依靠压力和膜进行工作，制膜的原料也是醋酸纤维素或聚酰胺、聚砜等，但删去热处理工序，使制成