水质工程学作业及参考答案

水质工程学作业及参考答案一、作业题目

（一）简答题1.简述沉淀的类型及其各自的特点。2.说明过滤的作用及过滤机理。3.简述活性炭吸附的原理及影响吸附效果的因素。

（二）计算题1.已知某废水流量为1000m³/d，其中悬浮物浓度为200mg/L，拟采用竖流式沉淀池进行处理，要求出水悬浮物浓度不超过20mg/L。沉淀池的上升流速取0.5mm/s，求沉淀池的表面积和有效水深。2.某活性炭吸附柱，直径为0.5m，高度为3m，处理流量为10m³/h。原水有机物浓度为50mg/L，出水有机物浓度为5mg/L。已知活性炭的吸附容量为10mg/g，求该吸附柱每天需要补充的活性炭量。

（三）论述题1.论述污水处理中生物脱氮除磷的原理及工艺。2.分析影响混凝效果的主要因素，并阐述如何提高混凝效果。

二、参考答案

（一）简答题1.沉淀的类型及其各自的特点自由沉淀：悬浮颗粒浓度不高，在沉淀过程中，颗粒之间互不干扰，呈单颗粒状态，各自独立地完成沉淀过程。其沉淀速度只与颗粒本身的性质有关，如颗粒的大小、形状、密度等，而与其他颗粒无关。例如，在初沉池中，当污水中悬浮颗粒浓度较低时，主要发生自由沉淀。絮凝沉淀：悬浮颗粒浓度较高（50500mg/L），在沉淀过程中，颗粒之间相互碰撞、凝聚，形成较大的絮体，沉淀速度随深度增加而加快。例如，在化学混凝沉淀中，通过投加混凝剂使细小颗粒凝聚成絮体，发生的沉淀即为絮凝沉淀。拥挤沉淀：又称成层沉淀，当悬浮颗粒浓度很高（大于500mg/L）时，颗粒之间相互挤压，在清水与浑水之间形成明显的交界面，沉淀过程表现为这个交界面逐渐下移。例如，在二次沉淀池后期，污泥浓度较高时会出现拥挤沉淀现象。压缩沉淀：当污泥浓度很高时，污泥颗粒相互接触，相互支撑，上层颗粒在重力作用下挤出下层颗粒的间隙水，使污泥得到浓缩。例如，在污泥斗中发生的沉淀即为压缩沉淀。2.过滤的作用及过滤机理过滤的作用：过滤是利用颗粒滤料截留水中杂质，从而使水得到净化的工艺过程。它能进一步去除沉淀、澄清后水中残留的细小悬浮杂质，降低水的浊度，同时去除部分细菌、病毒等微生物，以及一些溶解性有机物。过滤机理筛滤作用：当水流通过滤层时，大于滤料孔隙的颗粒被截留在滤料表面，起到机械筛滤的作用。这种作用主要发生在过滤初期，随着过滤的进行，作用逐渐减弱。沉淀作用：水中的细小颗粒在滤层孔隙中运动时，由于流速降低，颗粒会在滤料表面沉淀下来，从而实现对杂质的去除。接触絮凝作用：滤料表面通常带有电荷，水中的胶体颗粒也带有电荷，当它们相互接触时，由于电荷的中和等作用，会发生凝聚和絮凝现象，使颗粒附着在滤料表面，进而被去除。3.活性炭吸附的原理及影响吸附效果的因素活性炭吸附的原理：活性炭具有巨大的比表面积，其表面存在着大量的微孔和介孔。这些孔隙结构使得活性炭具有很强的吸附能力。当含有污染物的水流过活性炭表面时，污染物分子会通过范德华力、化学键力等作用被吸附在活性炭的孔隙表面，从而实现对污染物的去除。影响吸附效果的因素活性炭的性质：活性炭的比表面积越大、孔隙结构越发达、表面化学性质越有利于吸附，其吸附效果越好。例如，椰壳活性炭通常比煤质活性炭具有更好的吸附性能。污染物的性质：污染物的分子量、溶解度、极性等性质会影响其在活性炭上的吸附效果。一般来说，分子量较大、溶解度较小、极性较弱的污染物更容易被活性炭吸附。温度：吸附过程通常是放热反应，温度升高不利于吸附。但在某些情况下，适当提高温度可以加快吸附质分子的扩散速度，从而提高吸附速率。溶液的pH值：pH值会影响活性炭表面的电荷性质以及吸附质的存在形态，进而影响吸附效果。不同的吸附质在不同的pH值下吸附效果可能会有很大差异。接触时间：足够的接触时间可以使吸附质充分与活性炭表面接触，达到较好的吸附平衡。但当吸附达到平衡后，延长接触时间对吸附效果的提升作用不大。

（二）计算题1.已知某废水流量为1000m³/d，其中悬浮物浓度为200mg/L，拟采用竖流式沉淀池进行处理，要求出水悬浮物浓度不超过20mg/L。沉淀池的上升流速取0.5mm/s，求沉淀池的表面积和有效水深。首先进行单位换算：\(1000m³/d=1000/(24×3600)m³/s=0.0116m³/s\)\(0.5mm/s=0.0005m/s\)

根据上升流速公式\(v=Q/A\)（其中\(v\)为上升流速，\(Q\)为流量，\(A\)为沉淀池表面积），可得沉淀池表面积\(A\)为：\(A=Q/v=0.0116/0.0005=23.2m²\)

设沉淀池的有效水深为\(h\)，根据流量公式\(Q=A×v\)，又因为在沉淀时间\(t\)内，通过沉淀池的水量\(Q\)等于上升流速\(v\)乘以沉淀池的过水断面面积\(A\)，而沉淀时间\(t=h/v\)，所以\(Q=A×v=A×h/t\)，即\(h=Q×t/A\)。

在竖流式沉淀池中，沉淀时间\(t\)可根据悬浮物去除率计算。已知进水悬浮物浓度\(C_0=200mg/L\)，出水悬浮物浓度\(C=20mg/L\)，则悬浮物去除率\(\eta=(C_0C)/C_0=(20020)/200=0.9\)。

对于自由沉淀，沉淀时间\(t\)可通过公式\(t=L/v\)（\(L\)为颗粒在沉淀过程中移动的距离，这里近似等于有效水深\(h\)）计算，根据斯托克斯公式\(v=(g(ρ_sρ)d²)/(18μ)\)（其中\(g\)为重力加速度，\(ρ_s\)为颗粒密度，\(ρ\)为水的密度，\(d\)为颗粒直径，\(μ\)为水的动力粘度），在本题中可简化计算沉淀时间\(t\)。

假设颗粒为理想沉淀，根据悬浮物去除率与沉淀时间的关系，可得沉淀时间\(t=\ln(1/(1\eta))/k\)（\(k\)为与颗粒性质等有关的系数，在本题中假设为1），则\(t=\ln(1/(10.9))=2.303s\)。

所以有效水深\(h=v×t=0.0005×2.303=1.15m\)

综上，沉淀池的表面积为\(23.2m²\)，有效水深为\(1.15m\)。

2.某活性炭吸附柱，直径为0.5m，高度为3m，处理流量为10m³/h。原水有机物浓度为50mg/L，出水有机物浓度为5mg/L。已知活性炭的吸附容量为10mg/g，求该吸附柱每天需要补充的活性炭量。首先计算每小时吸附的有机物质量：流量\(Q=10m³/h\)，原水有机物浓度\(C_0=50mg/L\)，出水有机物浓度\(C=5mg/L\)，则每小时吸附的有机物质量\(m_1=Q×(C_0C)=10×(505)×1000mg=450000mg=0.45kg\)

每天吸附的有机物质量\(m=0.45×24=10.8kg\)

已知活性炭的吸附容量为\(10mg/g=10g/kg\)，则每天需要补充的活性炭量\(m_2=m/10=10.8/10=1.08kg\)

综上，该吸附柱每天需要补充的活性炭量为\(1.08kg\)。

（三）论述题1.论述污水处理中生物脱氮除磷的原理及工艺生物脱氮原理氨化作用：污水中的含氮有机物，如蛋白质、尿素等，在微生物的作用下分解转化为氨氮，这一过程称为氨化作用。参与氨化作用的微生物主要有细菌、放线菌等。硝化作用：在有氧条件下，氨氮首先在亚硝化菌的作用下被氧化为亚硝酸盐氮，然后亚硝酸盐氮在硝化菌的作用下进一步被氧化为硝酸盐氮，这两个过程统称为硝化作用。硝化作用需要在好氧环境中进行，对温度、溶解氧等条件有一定要求。反硝化作用：在缺氧或厌氧条件下，反硝化菌将硝酸盐氮和亚硝酸盐氮还原为氮气，从而实现氮的去除。反硝化作用需要有机碳源作为电子供体，常见的有机碳源有甲醇、乙醇等，也可以利用污水中的自身有机物。生物除磷原理厌氧释磷：在厌氧条件下，聚磷菌吸收污水中的挥发性脂肪酸（VFA）等有机物质，并将其储存于细胞内，同时将细胞内的聚磷酸盐分解，释放出磷酸根离子，使污水中磷的浓度升高。好氧吸磷：在好氧条件下，聚磷菌利用储存的有机物进行新陈代谢，同时大量吸收污水中的磷酸根离子，合成聚磷酸盐并储存于细胞内，从而实现磷的去除。生物脱氮除磷工艺A²/O工艺：该工艺是一种典型的生物脱氮除磷工艺，它由厌氧、缺氧和好氧三个功能区组成。污水首先进入厌氧区，在厌氧条件下，聚磷菌进行厌氧释磷，同时反硝化菌利用污水中的有机物进行反硝化。然后污水进入缺氧区，继续进行反硝化作用。最后污水进入好氧区，进行硝化作用和聚磷菌的好氧吸磷。A²/O工艺具有流程简单、运行稳定等优点，但也存在一些问题，如脱氮除磷效果受碳源影响较大等。UCT工艺：UCT工艺是在A²/O工艺的基础上改进而来，它通过增设污泥回流系统，将厌氧区的部分污泥回流至缺氧区前端，减少了硝酸盐对厌氧区的影响，提高了除磷效果。同时，通过调整污泥回流比，可以更好地控制脱氮除磷效果。倒置A²/O工艺：倒置A²/O工艺将厌氧区置于好氧区之后，使回流污泥中的硝酸盐在厌氧区得到进一步反硝化，减少了硝酸盐对厌氧释磷的影响，提高了除磷效率。同时，由于好氧区在前，有利于硝化作用的进行，提高了脱氮效果。

2.分析影响混凝效果的主要因素，并阐述如何提高混凝效果影响混凝效果的主要因素水温：水温对混凝效果有显著影响。水温较低时，水的粘度增大，颗粒的布朗运动减弱，不利于混凝剂的水解、缩聚及颗粒的碰撞凝聚，从而使混凝效果变差。一般来说，水温在2030℃时混凝效果较好，当水温低于10℃时，需要采取特殊措施，如增加混凝剂投量、采用助凝剂等。pH值：pH值影响混凝剂的水解形态和颗粒表面的电荷性质。不同的混凝剂有其最佳的pH值适用范围，在该范围内，混凝剂能够发挥最佳的混凝效果。例如，铝盐混凝剂在pH值为5.58.5时效果较好，铁盐混凝剂在pH值为6.08.4时效果较好。如果pH值不合适，会导致混凝剂水解不完全，颗粒凝聚效果不佳。水中杂质性质和浓度：水中杂质的性质和浓度对混凝效果影响很大。如果水中杂质颗粒细小、均匀，且呈胶体状态，混凝效果往往较差，需要增加混凝剂投量。此外，水中杂质的种类也会影响混凝效果，如含有较多有机物的水会对混凝剂产生干扰，降低混凝效果。混凝剂种类和投量：不同的混凝剂对不同水质的混凝效果不同。选择合适的混凝剂是提高混凝效果的关键之一。同时，混凝剂的投量也至关重要，投量不足时，无法使颗粒充分凝聚；投量过大时，会导致胶体颗粒重新稳定，出现"胶体保护"现象，反而降低混凝效果。水力条件：混凝过程中的水力条件，如搅拌强度和时间等，对混凝效果有重要影响。搅拌强度过大，会使已经形成的絮体破碎；搅拌强度过小，颗粒之间的碰撞机会减少，不利于凝聚。合适的搅拌强度和时间能够使混凝剂与水充分混合，促进颗粒的碰撞凝聚，形成较大、密实的絮体。提高混凝效果的方法选择合适的混凝剂：根据水质特点，通过试验筛选出效果最佳的混凝剂。例如，对于高浊度水，可选用铁盐混凝剂；对于含有较多有机物的水，可考虑使用具有较强吸附能力的混凝剂，如聚合氯化铝铁等。控制合适的投量：通过烧杯试验等方法确定混凝剂的最佳投量，并在实际运行中根据水质变化及时调整。可以采用自动投药系统，根据流量和水质参数自动控制混凝剂的投加量，保证投量的准确性。调节pH值：对于pH值不合适的水，可通过加酸或加碱的方法调节pH值至最佳范围。例如，当水的pH值较低时，可投加石灰等碱性物质提高pH值；当pH值较高时，可投加硫酸等酸性物质降低pH值。优化水力条件：合理设计混合和反应设备，控制搅拌强度和时间。在混合阶段，应使混凝剂与水迅速充分混合，一般采用快速搅拌，搅拌时间为1030s；