水质工程学(上)答案

14章4．反应器原理用于水处理有何作用和特点？答：作用：推动了水处理工艺发展；特点：在化工生产中，反应器都只作为化学反应设备来独立研究，但在水处理中，含义较广泛，许多水处理设备与池子都可作为反应器来进行分析研究，包括化学反应、生物化学反应以至纯物理过程等。例：沉淀池。5.试举出3种质量传递机理的实例。答：质量传递包括主流传递、分子扩散传递、紊流扩散传递。1、主流传递：在平流池中，物质将随水流作水平迁移。物质在水平方向的浓度变化，是由主流迁移和化学引起的。2、分子扩散传递：在静止或作层流运动的液体中，存在浓度梯度的话，高浓度区内的组分总是向低浓度区迁移，最终趋于平均分布状态，浓度梯度消失。如平流池等。3、紊流扩散传递：在绝大多数情况下，水流往往处于紊流状态。水处理构筑物中绝大部分都是紊流扩散。6.（1）完全混合间歇式反应器（CMB）不存在由物质迁移而导致的物质输入和输出，且假定是在恒温下操作（2）完全混合连续式反应器（CSTR）反应物投入反应器后，经搅拌立即与反应器内的料液达到完全均匀混合，输出的产物其浓度和成分与反应器内的物料相同(3)推流型反应器（PF）反应器内的物料仅以相同流速平行流动，而无扩散作用，这种流型唯一的质量传递就是平行流动的主流传递答:在水处理方面引入反应器理论推动了水处理工艺发展。在化工生产过程中，反应器只作为化学反应设备来独立研究，但在水处理中，含义较广泛。许多水处理设备与池子都可作为反应器来进行分析研究，包括化学反应、生物化学反应以至物理过程等。例如，氯化消毒池，除铁、除锰滤池、生物滤池、絮凝池、沉淀池等等，甚至一段河流自净过程都可应用反应器原理和方法进行分析、研究。介绍反应器概念，目的就是提供一种分析研究水处理工艺设备的方法和思路。7.为什么串联的CSTR型反应器比同容积的单个CSTR型反应器效果好？答：因为使用多个体积相等的CSTR型反应器串联，则第二只反应器的输入物料浓度即为第一只反应器的输出物料浓度，串联的反应器数愈多，所需反应时间愈短，理论上，当串联的反应器数N趋近无穷时，所需反应时间将趋近于CMB型和PF型的反应时间。8.混合与返混在概念上有什么区别？返混是如何造成的？答：区别是：返混又称逆向混合。广义地说，泛指不同时间进入系统的物料之间的混合，包括物料逆流动方向的流动。造成返混的原因主要是环流，对流，短流，流速不均匀，设备中存在死角以及物质扩散等。例如：环流和由湍流和分子扩散所造成的轴向混合，及由不均匀的速度分布所造成的短路、停滞区或“死区”、沟流等使物料在系统中的停留时间有差异的所有因素。9.PF型和CMB型反应器为什么效果相同？两者优缺点比较。答：在推流型反应器的起端（或开始阶段），物料是在C0的高浓度下进行的，反应速度很快。沿着液流方向，随着流程增加（或反应时间的延续），物料浓度逐渐降低，反应速度也随之逐渐减小。这跟间歇式反应器的反应过程是一样的。推流型反应器优于间歇式反应器的在于：间歇式反应器除了反应时间以外，还需考虑投料和卸料时间，而推流型反应器为连续操作。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=min85.01。求细菌被灭99.5%时，所需消毒时间为多少分钟？解答：%5.990i0CCC,Ci0.005,0C细菌被灭速率等于活细菌减少速率，）（iCr=-k﹒Ci=-0.85Ci,t=85.01005.0ln85.0100CC×(-5.29)≈6.22min习题2设物料i分别通过CSTR与PF反应器进行反应过后，进水与排水中i浓度之比均为C0/Ce=10，且属于一级反应。K=2h。求水流在CSTR与PF型反应期各需要停留多少时间。（注：C0——进水i初始浓度；Ce——出水浓度）解：CSTR型反应器反应时间1t=)10(1CeCK;PF型反应器反应时间t2=CiCkeln1有题意可以得出10iee0CCCC，所以总时间T=t1+t2=5k10k1k9h。所以得出在CSTR中需要4.5h，在PF需要0.5h。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：01.00CCn4n492.01101.0tt=2.35minT=4t=4*2.35=9.4min综上所述串联后水流总停留时间为9.4min15章2、混凝过程中，压缩双电层和吸附-电中和作用有何区别？简要叙述硫酸铝混凝作用机理及其与水的pH值的关系。答：压缩双电层机理：由胶体粒子的双电层结构可知，反离子的浓度在胶粒表面处最大，并沿着胶粒表面向外的距离呈递减分布,最终与溶液中离子浓度相等。当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高，则扩散层的厚度减小。该过程的实质是加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。由于扩散层厚度的减小，电位相应降低，因此胶粒间的相互排斥力也减少。另一方面，由于扩散层减薄，它们相撞时的距离也减少，因此相互间的吸引力相应变大。从而其排斥力与吸引力的合力由斥力为主变成以引力为主(排斥势能消失了)，胶粒得以迅速凝聚。吸附-电中和机理：胶粒表面对异号离子、异号胶粒、链状离子或分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了电位离子所带电荷，减少了静电斥力，降低了ξ电位，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。此时静电引力常是这些作用的主要方面。上面提到的三价铝盐或铁盐混凝剂投量过多，凝聚效果反而下降的现象，可以用本机理解释。因为胶粒吸附了过多的反离子，使原来的电荷变号，排斥力变大，从而发生了再稳现象。硫酸铝混凝作用机理及其与水的pH值的关系：Ph3时，压缩扩散双电层作用。Ph3时,吸附-电中和作用。Ph3时水中便出现聚合离子及多核羟基配合物，这些物质会吸附在胶核表面，分子量越大，吸附作用越强。（请具体一些）3.高分子混凝剂投量过多时，为什么混凝效果反而不好？答：这是因为当高分子混凝剂投量过多时，将产生“胶体保护”作用。投加量过多时，一开始微粒就被若干高分子链包围，而无空白部位去吸附其他的高分子链，结果造成胶粒表面饱和产生再稳现象。已经架桥絮凝的胶粒，如受到剧烈的长时间的搅拌，架桥聚合物可能从另一胶粒表面脱开，重又卷回原所在胶粒表面，造成再稳定状态。7.何为同向絮凝剂和异向絮凝？两者的凝聚速率（或碰撞速率）与哪些因素有关？答：同向絮凝：由布朗运动所造成额颗粒碰撞聚集。异向絮凝：由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集。对于异向絮凝而言，颗粒碰撞速率NP=8KTn2/（3vρ），从而可得，其与水温成正比，与颗粒的数量浓度平方成正比，而与颗粒尺寸无关。对于同向絮凝而言，碰撞速率N0=(4n2d3G)/3.从而可知，其与速度梯度成正比，与颗粒的数量浓度平方成正比，与粒径的三次方成正比。又因为G=△u/△z,因而，碰撞速率也与相邻两流层的流速增量成正比，与垂直于水流方向的两流层之间距离成反比。9.絮凝过程中，G值的真正涵义是什么？沿用依旧的G值和GT值的数值范围存在什么缺陷？请写出机械絮凝池和水力絮凝池的G值公式。答：G值表示的是速度梯度，控制混凝效果的水力条件，反映能量消耗概念。由于G值和GT值变化幅度很大，从而失去控制意义。TghpG10、根据反应器原理，什么形式的絮凝池效果较好？折板絮凝池混凝效果为什么优于隔板絮凝池？答：推流型絮凝池的絮凝效果优于单个机械絮凝池，但4个机械絮凝池串联时，絮凝效果接近推流型絮凝池。与隔板絮凝池相比，折板絮凝池的水流条件大大改善，亦即在总的水流能量消耗中，有效能量消耗比例提高，故折板絮凝池所需絮凝时间可以缩短，池子体积减小。14.当前水厂中常用的混合方法有哪几种？各有何优缺点？在混合过程中，控制G值的作用是什么？答：1）、水泵混合混合效果好，不需另建混合设施，节省动力，大、中、小型水厂均可采用。但采用FeCl3混凝剂时，若投量较大，药剂对水泵叶轮可能有轻微腐蚀作用。适用于取水泵房靠近水厂处理构筑物的场合，两者间距不宜大于150m。2）、管式混合简单易行。无需另建混合设备，但混合效果不稳定，管中流速低，混合不充分。3）、机械混合池混合效果好，且不受水量变化影响，缺点是增加机械设备并相应增加维修工作。控制G值的作用是使混凝剂快速水解、聚合及颗粒脱稳。15.解：当前水厂常用的絮凝设备有1.隔板絮凝池，优点是构造简单，管理方便。缺点是流量变化大者，絮凝效果不稳定，与折板絮凝池相比，因水流条件不是很理想，能量消耗（即水头损失）中的无效部分比例较大，故需较长的时间，池子容积较大。2.折板絮凝池，优点是：水流在同波折板之间曲折流动或在异波折板之间缩`放流动且连续不断，以至于形成众多的小涡旋，提高颗粒碰撞的絮凝效果。缺点是间距小，安装维修困难，折板费用较高。3.机械絮凝池，优点是可随水质，水量变化而变化而随时改变转速以保证絮凝效果，能应用于任何规模的水厂，缺点是需机械设备，因而增加机械维修工作。4.其他形式絮凝池（1）穿孔旋流絮凝池，优点是构造简单，施工方便，造价低，适用于中小型水厂或与其他絮凝池组合应用，缺点是受流量影响较大，絮凝效果欠佳，池底也容易产生积泥现象（2）网格，栅条絮凝池，优点絮凝效果好，水头损失小，絮凝时间较短。缺点是末端池底积泥现象，少数发现网格上磁生藻类，堵塞网眼现象。为避免絮凝体破碎，廊道内的水流转弯处流速应沿程逐渐减小，所以G值也沿程逐渐减小。习题5.某机械絮凝池分成3格。每格有效尺寸为2.6m（宽)×2.6m(长)×4.2m（深）。每格设一台垂直轴浆板搅拌器，构造按图15-21，设计各部分尺寸为：2r=1050mm；浆板长1400mm，宽120mm；0r=525mm。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台搅拌器所需要搅拌功率及相应的平均速度梯度G值（水温按20°C计）。解：设浆板相对于水流的线速度等于浆板旋转线速度0.75倍。即：w×r=0.75v1w=v75.0/0r=0.71rad/s2w=0.46rad/s3w=0.29rad/s得到G值先求得P的大小由图15-21可得：外侧浆板1r=1.05，2r=0.93，内侧1r=0.585，2r=0.465.1P=rr41424131-8WCPLD=4×1.1×1000×1.4×0.713÷8×（1.054-0.934+0.5854-0.4654）=7.174w同理可得：2p=45.8w，3p=11.18w水温20°C，u=1.009×10-3Pa.S°V=2.6×2.6×4.2=28.4第一格10004.28009.17.1741G=78s1第二格G2=S140第三格G3=20S1G-=S353104.28009.1204078V3PPP1-3-3216.设原水悬浮物体积浓度105-5。假定悬浮颗粒粒径均匀，有效碰撞系数=1，水温按15°C计。设计流量Q=360hm3.。搅拌功率p=195W.试求：（1）絮凝池按PF型反应器考虑，经15min絮凝后，水中颗粒浓度将减低百分之几？（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）相同。搅拌总功率仍为195W，设3座絮凝池搅拌功率分别为：p1=100W，w35pw60p32，，试问颗粒浓度最后减低百分之几？解：1037.614.34K5-，V=QT=360×0.25=90m36.439014.1195000VpGnnlnKG1t0，18.12nn0。下降了1-1÷12.18=91.8%（2)S5.18GS22GS2.31VPG1-31-21-11平均值G—=15.3S1-采用CSTR反应器并用3个串联按公式（14—11）得：1-n3n0KG1t31带入数字得n/n30=6.614nn-10384.88%何谓胶体稳定性？试用胶粒间相互作用势能曲线说明胶体稳定性的原因。胶体的稳定性是