水質工程學作業(yè)及參考答案

水質工程學作業(yè)及參考答案?一、作業(yè)題目

（一）簡答題1.簡述沉淀的類型及其各自的特點。2.說明過濾的作用及過濾機理。3.簡述活性炭吸附的原理及影響吸附效果的因素。

（二）計算題1.已知某廢水流量為1000m3/d，其中懸浮物濃度為200mg/L，擬采用豎流式沉淀池進行處理，要求出水懸浮物濃度不超過20mg/L。沉淀池的上升流速取0.5mm/s，求沉淀池的表面積和有效水深。2.某活性炭吸附柱，直徑為0.5m，高度為3m，處理流量為10m3/h。原水有機物濃度為50mg/L，出水有機物濃度為5mg/L。已知活性炭的吸附容量為10mg/g，求該吸附柱每天需要補充的活性炭量。

（三）論述題1.論述污水處理中生物脫氮除磷的原理及工藝。2.分析影響混凝效果的主要因素，并闡述如何提高混凝效果。

二、參考答案

（一）簡答題1.沉淀的類型及其各自的特點自由沉淀：懸浮顆粒濃度不高，在沉淀過程中，顆粒之間互不干擾，呈單顆粒狀態(tài)，各自獨立地完成沉淀過程。其沉淀速度只與顆粒本身的性質有關，如顆粒的大小、形狀、密度等，而與其他顆粒無關。例如，在初沉池中，當污水中懸浮顆粒濃度較低時，主要發(fā)生自由沉淀。絮凝沉淀：懸浮顆粒濃度較高（50500mg/L），在沉淀過程中，顆粒之間相互碰撞、凝聚，形成較大的絮體，沉淀速度隨深度增加而加快。例如，在化學混凝沉淀中，通過投加混凝劑使細小顆粒凝聚成絮體，發(fā)生的沉淀即為絮凝沉淀。擁擠沉淀：又稱成層沉淀，當懸浮顆粒濃度很高（大于500mg/L）時，顆粒之間相互擠壓，在清水與渾水之間形成明顯的交界面，沉淀過程表現(xiàn)為這個交界面逐漸下移。例如，在二次沉淀池后期，污泥濃度較高時會出現(xiàn)擁擠沉淀現(xiàn)象。壓縮沉淀：當污泥濃度很高時，污泥顆粒相互接觸，相互支撐，上層顆粒在重力作用下擠出下層顆粒的間隙水，使污泥得到濃縮。例如，在污泥斗中發(fā)生的沉淀即為壓縮沉淀。2.過濾的作用及過濾機理過濾的作用：過濾是利用顆粒濾料截留水中雜質，從而使水得到凈化的工藝過程。它能進一步去除沉淀、澄清后水中殘留的細小懸浮雜質，降低水的濁度，同時去除部分細菌、病毒等微生物，以及一些溶解性有機物。過濾機理篩濾作用：當水流通過濾層時，大于濾料孔隙的顆粒被截留在濾料表面，起到機械篩濾的作用。這種作用主要發(fā)生在過濾初期，隨著過濾的進行，作用逐漸減弱。沉淀作用：水中的細小顆粒在濾層孔隙中運動時，由于流速降低，顆粒會在濾料表面沉淀下來，從而實現(xiàn)對雜質的去除。接觸絮凝作用：濾料表面通常帶有電荷，水中的膠體顆粒也帶有電荷，當它們相互接觸時，由于電荷的中和等作用，會發(fā)生凝聚和絮凝現(xiàn)象，使顆粒附著在濾料表面，進而被去除。3.活性炭吸附的原理及影響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積，其表面存在著大量的微孔和介孔。這些孔隙結構使得活性炭具有很強的吸附能力。當含有污染物的水流過活性炭表面時，污染物分子會通過范德華力、化學鍵力等作用被吸附在活性炭的孔隙表面，從而實現(xiàn)對污染物的去除。影響吸附效果的因素活性炭的性質：活性炭的比表面積越大、孔隙結構越發(fā)達、表面化學性質越有利于吸附，其吸附效果越好。例如，椰殼活性炭通常比煤質活性炭具有更好的吸附性能。污染物的性質：污染物的分子量、溶解度、極性等性質會影響其在活性炭上的吸附效果。一般來說，分子量較大、溶解度較小、極性較弱的污染物更容易被活性炭吸附。溫度：吸附過程通常是放熱反應，溫度升高不利于吸附。但在某些情況下，適當提高溫度可以加快吸附質分子的擴散速度，從而提高吸附速率。溶液的pH值：pH值會影響活性炭表面的電荷性質以及吸附質的存在形態(tài)，進而影響吸附效果。不同的吸附質在不同的pH值下吸附效果可能會有很大差異。接觸時間：足夠的接觸時間可以使吸附質充分與活性炭表面接觸，達到較好的吸附平衡。但當吸附達到平衡后，延長接觸時間對吸附效果的提升作用不大。

（二）計算題1.已知某廢水流量為1000m3/d，其中懸浮物濃度為200mg/L，擬采用豎流式沉淀池進行處理，要求出水懸浮物濃度不超過20mg/L。沉淀池的上升流速取0.5mm/s，求沉淀池的表面積和有效水深。首先進行單位換算：\(1000m3/d=1000/(24×3600)m3/s=0.0116m3/s\)\(0.5mm/s=0.0005m/s\)

根據(jù)上升流速公式\(v=Q/A\)（其中\(zhòng)(v\)為上升流速，\(Q\)為流量，\(A\)為沉淀池表面積），可得沉淀池表面積\(A\)為：\(A=Q/v=0.0116/0.0005=23.2m2\)

設沉淀池的有效水深為\(h\)，根據(jù)流量公式\(Q=A×v\)，又因為在沉淀時間\(t\)內，通過沉淀池的水量\(Q\)等于上升流速\(v\)乘以沉淀池的過水斷面面積\(A\)，而沉淀時間\(t=h/v\)，所以\(Q=A×v=A×h/t\)，即\(h=Q×t/A\)。

在豎流式沉淀池中，沉淀時間\(t\)可根據(jù)懸浮物去除率計算。已知進水懸浮物濃度\(C_0=200mg/L\)，出水懸浮物濃度\(C=20mg/L\)，則懸浮物去除率\(\eta=(C_0C)/C_0=(20020)/200=0.9\)。

對于自由沉淀，沉淀時間\(t\)可通過公式\(t=L/v\)（\(L\)為顆粒在沉淀過程中移動的距離，這里近似等于有效水深\(h\)）計算，根據(jù)斯托克斯公式\(v=(g(ρ_sρ)d2)/(18μ)\)（其中\(zhòng)(g\)為重力加速度，\(ρ_s\)為顆粒密度，\(ρ\)為水的密度，\(d\)為顆粒直徑，\(μ\)為水的動力粘度），在本題中可簡化計算沉淀時間\(t\)。

假設顆粒為理想沉淀，根據(jù)懸浮物去除率與沉淀時間的關系，可得沉淀時間\(t=\ln(1/(1\eta))/k\)（\(k\)為與顆粒性質等有關的系數(shù)，在本題中假設為1），則\(t=\ln(1/(10.9))=2.303s\)。

所以有效水深\(h=v×t=0.0005×2.303=1.15m\)

綜上，沉淀池的表面積為\(23.2m2\)，有效水深為\(1.15m\)。

2.某活性炭吸附柱，直徑為0.5m，高度為3m，處理流量為10m3/h。原水有機物濃度為50mg/L，出水有機物濃度為5mg/L。已知活性炭的吸附容量為10mg/g，求該吸附柱每天需要補充的活性炭量。首先計算每小時吸附的有機物質量：流量\(Q=10m3/h\)，原水有機物濃度\(C_0=50mg/L\)，出水有機物濃度\(C=5mg/L\)，則每小時吸附的有機物質量\(m_1=Q×(C_0C)=10×(505)×1000mg=450000mg=0.45kg\)

每天吸附的有機物質量\(m=0.45×24=10.8kg\)

已知活性炭的吸附容量為\(10mg/g=10g/kg\)，則每天需要補充的活性炭量\(m_2=m/10=10.8/10=1.08kg\)

綜上，該吸附柱每天需要補充的活性炭量為\(1.08kg\)。

（三）論述題1.論述污水處理中生物脫氮除磷的原理及工藝生物脫氮原理氨化作用：污水中的含氮有機物，如蛋白質、尿素等，在微生物的作用下分解轉化為氨氮，這一過程稱為氨化作用。參與氨化作用的微生物主要有細菌、放線菌等。硝化作用：在有氧條件下，氨氮首先在亞硝化菌的作用下被氧化為亞硝酸鹽氮，然后亞硝酸鹽氮在硝化菌的作用下進一步被氧化為硝酸鹽氮，這兩個過程統(tǒng)稱為硝化作用。硝化作用需要在好氧環(huán)境中進行，對溫度、溶解氧等條件有一定要求。反硝化作用：在缺氧或厭氧條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原為氮氣，從而實現(xiàn)氮的去除。反硝化作用需要有機碳源作為電子供體，常見的有機碳源有甲醇、乙醇等，也可以利用污水中的自身有機物。生物除磷原理厭氧釋磷：在厭氧條件下，聚磷菌吸收污水中的揮發(fā)性脂肪酸（VFA）等有機物質，并將其儲存于細胞內，同時將細胞內的聚磷酸鹽分解，釋放出磷酸根離子，使污水中磷的濃度升高。好氧吸磷：在好氧條件下，聚磷菌利用儲存的有機物進行新陳代謝，同時大量吸收污水中的磷酸根離子，合成聚磷酸鹽并儲存于細胞內，從而實現(xiàn)磷的去除。生物脫氮除磷工藝A2/O工藝：該工藝是一種典型的生物脫氮除磷工藝，它由厭氧、缺氧和好氧三個功能區(qū)組成。污水首先進入?yún)捬鯀^(qū)，在厭氧條件下，聚磷菌進行厭氧釋磷，同時反硝化菌利用污水中的有機物進行反硝化。然后污水進入缺氧區(qū)，繼續(xù)進行反硝化作用。最后污水進入好氧區(qū)，進行硝化作用和聚磷菌的好氧吸磷。A2/O工藝具有流程簡單、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，但也存在一些問題，如脫氮除磷效果受碳源影響較大等。UCT工藝：UCT工藝是在A2/O工藝的基礎上改進而來，它通過增設污泥回流系統(tǒng)，將厭氧區(qū)的部分污泥回流至缺氧區(qū)前端，減少了硝酸鹽對厭氧區(qū)的影響，提高了除磷效果。同時，通過調整污泥回流比，可以更好地控制脫氮除磷效果。倒置A2/O工藝：倒置A2/O工藝將厭氧區(qū)置于好氧區(qū)之后，使回流污泥中的硝酸鹽在厭氧區(qū)得到進一步反硝化，減少了硝酸鹽對厭氧釋磷的影響，提高了除磷效率。同時，由于好氧區(qū)在前，有利于硝化作用的進行，提高了脫氮效果。

2.分析影響混凝效果的主要因素，并闡述如何提高混凝效果影響混凝效果的主要因素水溫：水溫對混凝效果有顯著影響。水溫較低時，水的粘度增大，顆粒的布朗運動減弱，不利于混凝劑的水解、縮聚及顆粒的碰撞凝聚，從而使混凝效果變差。一般來說，水溫在2030℃時混凝效果較好，當水溫低于10℃時，需要采取特殊措施，如增加混凝劑投量、采用助凝劑等。pH值：pH值影響混凝劑的水解形態(tài)和顆粒表面的電荷性質。不同的混凝劑有其最佳的pH值適用范圍，在該范圍內，混凝劑能夠發(fā)揮最佳的混凝效果。例如，鋁鹽混凝劑在pH值為5.58.5時效果較好，鐵鹽混凝劑在pH值為6.08.4時效果較好。如果pH值不合適，會導致混凝劑水解不完全，顆粒凝聚效果不佳。水中雜質性質和濃度：水中雜質的性質和濃度對混凝效果影響很大。如果水中雜質顆粒細小、均勻，且呈膠體狀態(tài)，混凝效果往往較差，需要增加混凝劑投量。此外，水中雜質的種類也會影響混凝效果，如含有較多有機物的水會對混凝劑產(chǎn)生干擾，降低混凝效果?；炷齽┓N類和投量：不同的混凝劑對不同水質的混凝效果不同。選擇合適的混凝劑是提高混凝效果的關鍵之一。同時，混凝劑的投量也至關重要，投量不足時，無法使顆粒充分凝聚；投量過大時，會導致膠體顆粒重新穩(wěn)定，出現(xiàn)"膠體保護"現(xiàn)象，反而降低混凝效果。水力條件：混凝過程中的水力條件，如攪拌強度和時間等，對混凝效果有重要影響。攪拌強度過大，會使已經(jīng)形成的絮體破碎；攪拌強度過小，顆粒之間的碰撞機會減少，不利于凝聚。合適的攪拌強度和時間能夠使混凝劑與水充分混合，促進顆粒的碰撞凝聚，形成較大、密實的絮體。提高混凝效果的方法選擇合適的混凝劑：根據(jù)水質特點，通過試驗篩選出效果最佳的混凝劑。例如，對于高濁度水，可選用鐵鹽混凝劑；對于含有較多有機物的水，可考慮使用具有較強吸附能力的混凝劑，如聚合氯化鋁鐵等?？刂坪线m的投量：通過燒杯試驗等方法確定混凝劑的最佳投量，并在實際運行中根據(jù)水質變化及時調整?？梢圆捎米詣油端幭到y(tǒng)，根據(jù)流量和水質參數(shù)自動控制混凝劑的投加量，保證投量的準確性。調節(jié)pH值：對于pH值不合適的水，可通過加酸或加堿的方法調節(jié)pH值至最佳范圍。例如，當水的pH值較低時，可投加石灰等堿性物質提高pH值；當pH值較高時，可投加硫酸等酸性物質降低pH值。優(yōu)化水力條件：合理設計混合和反應設備，控制攪拌強度和時間。在混合階段，應使混凝劑與水迅速充分混合，一般采用快速攪拌，攪拌時間為1030s；