水质工程学计算题

1、现有一种直径、高均为1cm的圆柱体颗粒在静水中自由沉淀，已知该种颗粒密度S=1.8g/cm3，水的密度水=1g/cm3，则这种颗粒在水中自由沉淀时最小沉速为多少？（重力加速度为980cm/S2，绕流阻力系数22DC）；提示：由题义可得，这种颗粒在水中自由沉淀时沉速大小取决于圆柱体在颗粒垂直方向投影面积的大小。最小的沉速是颗粒在垂直方向投影面积最大时取得。2、在实验室内做氯气消毒试验。已知细菌被灭活速率为一级反应，且k=0.85min-1求细菌被灭活99.5℅时，所需消毒时间为多少分钟？提示：由一级反应方程式可得：lgCA=lgCA0–o.4343kt而CA=(1-99.5%)CAO，k=0.85min-1得t=（lgCA0-lgCA）/0.4343k=6.23(min)3、设物料i分别通过CSTR型和PF型反应器进行反应，进水和出水中I浓度之比为10/0eCC，且属于一级反应，k=2h-1水流在CSTR型和PF型反应器内各需多少停留时间？（注：0C—进水中i初始浓度；eC—出水中i浓度）提示：1)由CSTR一级反应方程式可得：t=(C0/Ce-1)/k=(10-1)/2=4.5h2)由PF一级反应方程式可得：t=(㏑C0-㏑Ce)/k=1.15h4、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？提示：由CSTR二级反应方程式可得：C2/C0=(1/(1+kt))2得t=1.08(h)所以T=4t=4.32(h)5、液体中物料i浓度为200mg/L，经过2个串联的CSTR型反应器后，i的浓度降至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。提示：由CSTR二级反应方程式可得：C2/C0=(1/(1+kt))2得t=2.2(h)所以T=2t=5.4(h)V=Qt=5000×2.7=13500(m3)6、河水总碱度0.1mmol/L（按CaO计）。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？设水厂日生产水量50000m3，试问水厂每天约需要多少千克石灰（石灰纯度按50℅计）。提示：投入药剂量折合Al2O3为25mg/l×16%=4mg，Al2O3的分子量为102。故投入药剂量相当于4/102=0.039mmol/l，剩余碱度取0.37mmol/l，则得[CaO]=3×0.039-0.1×0.37=0.487(mmol/l)，CaO的分子量为56，则石灰投量为0.487×56×50000/0.5=2.3×106(g)=2.3×103(kg)7、设聚合铝[Al2（OH）nCl6—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？8、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100000m3/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？9、隔板絮凝池设计流量75000m3/d。絮凝池有效容积为1100mm3。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TG值个为多少？（水厂自用水按5℅）。10、某机械絮凝池分成3格。每格有效尺寸为2.06m（宽）2.6m（长）4.2（深）。每格设一台垂直轴桨板搅拌器，构造按下图，设计各部分尺寸为：r2=1050m；桨板长1400mm，宽120mm；r0=525m。叶轮中心点旋转线速度为：第一格1v=0.5m/s第二格2v=0.32m/s第三格3v=0.2m/s求：3台搅拌器所需搅拌功率及相应的平均速度剃度G值（水温按200C计）。11、设原水悬浮物体积浓度=510-5。假定悬浮颗粒粒径均匀，有效碰撞系数a=1，水温按150C计。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），dA桨板功率计算图絮凝池总体积与（1）同。搅拌总功率仍为195W，设3座絮凝池搅拌功率分别为：P1=60W，P2=60W，P3=35W，试问颗粒数量浓度最后降低百分之几？12、已知颗粒密度=2.65g/cm3，粒径d=0.45mm（按球形颗粒考虑），求该颗粒在200C水中沉降速度为多少13、设处沉池为平流式，澄清部分高为H，长为L，进水量为Q，试按理想沉淀理论对比：①出水渠设在池末端②如图所示，设三条出水渠时，两种情况下可完全分离掉的最小颗粒沉速uo。解：1）可完全分离掉的最小颗粒沉速uo满足0uHVL得HLVu02）当水流至距池末端L52处时，最小颗粒沉速0u满足0153uHVLt得HLVu350当水流至距池末端L51处时，最小颗粒沉速0u满足001251uutHVLtVAQV3232得HLVu9100当水流至距池末端时，最小颗粒沉速0u满足00201351uututHVLtVAQV3131得HLVu320所以设三条出水渠时，可完全分离掉的最小颗粒沉速uo为HLV32，其值小于出水渠设在池末端时可完全分离掉的最小颗粒沉速uo。14、平流沉淀池设计流量为720m3/h。要求沉速等于和大于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m2？（2）沉速为0.1mm/s的颗粒，可去除百分之几？解：已知Q=720m3/h=0.2m3/su0=0.4mm/sui=0.1mm/s1)所需沉淀池平面积为23050104.02.0muQA2)沉速为0.1mm/s的颗粒的去除率为25.04.01.00uuEi33、原水泥砂沉降试验数据见下表。取样口在水面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？（0C表示泥砂初始浓度，C表示取样浓度）。取样时间（min）015203060120180C/0C10.980.880.700.300.120.08解：已知h=180cmQ=900m3/hA=500m2沉速计算取样时间（min）015203060120180u=h/t(cm/min)_129631.51沉速分布见下图。02468101200.10.20.30.40.50.60.70.80.91沉降速度（cm/min）小于该沉速的颗粒组成分数截留沉速u0=AQ=60500100900=3cm/min从图上查得u0=3cm/min时，小于该沉速的颗粒组成部分等于p0=0.30。从图上，相当于积分式00pudp的面积为0.506。因此得到总去除百分数为：P=(1-0.30)+31(0.506)=86.9%15、公式niiidpvlmmgvhH1202302000)/()1()1(180与公式20300002030201175.1)1()1(150vLmmdgvLdmmgvh有何同异？后者是否可用于过滤，前者是否可用于反冲洗？为什么？1)两公式相比后者右边多了紊流项(第二项)，而层流项(第一项)的常数值稍小。2)后者既有紊流项又有层流项，故该式适用于层流、过渡区和紊流区，过滤水流处于层流状态，所以后者可用于过滤。前者仅适用于处于层流状态的水流，对水流状态复杂的反冲洗不适用。16、大阻力配水系统和小阻力配水系统的涵义是什么？各有什么优缺点？掌握大阻力配水系统的基本原理和公式220anwfwf≤0.29的推导过程。1）在配水系统中，如果孔口内压头最大的a孔和c孔出流量相等，则可认为整个滤池布水是均匀的。由于排水槽上缘水平，可认为冲洗时水流自各孔口流出后的终点水头在同一水平面上，这一水平面相当于排水槽的水位。孔口内压头与孔口流出后的重点水头之差，即为水流经孔口、承托层和滤料层的总水头损失，分别以H‘a和H‘c表示。H‘c=H‘a+(v02+va2)①设上述各项水头损失均与流量平方成正比，则有：H‘a=（S1+S‘2）Qa2H‘c=（S1+S‘‘2）Qc2式中Qa—孔口a出流量；Qc—孔口c出流量；S1—孔口阻力系数。当孔口尺寸和加工精度相同时，各孔口S1均相同；S‘2，S‘‘2—分别为孔口a和c处承托层及滤料层阻力系数之和。将上式代入①式可得：2''12'122022''121SSSSQgvvSSQaaC由上式可知，两孔口出流量不可能相等。但使Qa尽量接近Qc是可能的。其措施之一就是减小孔口总面积以增大孔口阻力系数S1。增大S1就削弱了承托层、滤料层阻力系数及配水系统压力不均匀的影响，这就是“大阻力”的涵义。小阻力配水系统基本原理可从大阻力配水系统原理上引申出来。在①式中如果不以增大孔口阻力系数S1的方法而是减小干管和支管进口流速v0和va，同样可使布水趋于均匀。从①式可以看出，v0和va减小到一定程度，等式右边根号中第2项对布水均匀性的影响将大大削弱。或者说，配水系统总的压力变化对布水均匀性的影响将甚微，在此基础上，可以减小孔口阻力系数以减小孔口水头损失。“小阻力”的涵义，即指配水系统中孔口阻力较小，这是相对于“大阻力”而言的。2）大阻力配水系统的优点是配水均匀性较好。但结构较复杂；孔口水头损失大，冲洗时动力消耗大；管道易结垢，增加检修困难。此外，对冲洗水头有限的虹吸滤池和无阀滤池，大阻力配水系统不能采用。小阻力配水系统可克服上述缺点。17、某天然海砂筛分结果见下表根据设计要求：10d=0.54mm，K80=2.0。试问筛选滤料时，共需筛除百分之几天然砂粒（分析砂样200g）筛分实验记录筛孔（mm）留在筛上砂量通过该号筛的砂量质量（g）℅质量（g）℅2.360.81.6518.41.0040.60.5985.00.2543.40.219.2筛盘底2.6合计200已知：砂粒球度系数=0.94；砂层孔隙率0m=0.4；砂层总厚度0l=70cm；水温按150C解：补填以上表格如下。筛孔（mm）留在筛上砂量通过该号筛的砂量质量（g）℅质量（g）℅2.360.80.4199.299.61.6518.49.2180.890.41.0040.620.3140.270.10.5985.042.555.227.60.2543.421.711.85.90.219.24.62.61.3筛盘底2.61.3——合计200100.0由已知设计要求d10=0.54mmK80=2.0，则d80=2х0.54=1.08。按此要求筛选滤料，方法如下：自横坐标0.54mm和1.08mm两点，分别作垂线与筛分曲线相交。自两交点作平行线与右边纵坐标轴相交，并以此交点作为10%和80%，在10%和80%之间分成7等分，则每等分为10%的砂量，以此向上下两端延伸，即得0和100%之点，以此作为新坐标。再自新坐标原点和100%作平行线与筛分曲线相交，在此两点以内即为所选滤料，余下部分应全部筛除。由图知，大粒径（d1.52）颗粒约筛除13.6%，小粒径（d0.43）颗粒约筛除17.5%，共筛除31.1%左右。滤料筛分曲线如下图。通过筛孔砂量（%）筛孔孔径（mm）19、下表所列控制指标与水质稳定性指标的涵义有何同异？结垢控制参数控制指标CaCO3pHspH0＜pHs+（0.5～2.5）CaSO4溶解度[Ca2+][SO42+]＜500000Ca3（PO4）2pHppH0＜pHp+1.5MgSiO3溶解度[Mg2+][SiO2]＜3500