習(xí)題水的物理化學(xué)處理方法

1、第二章 水的物理化學(xué)處理方法2-1 自由沉淀、絮凝沉淀、擁擠沉淀與壓縮沉淀各有什么特點(diǎn)？說(shuō)明它們的內(nèi)在區(qū)別和特點(diǎn)。懸浮顆粒在水中的沉降，根據(jù)其濃度及特性，可分為四種基本類型：自由沉淀：顆粒在沉降過(guò)程中呈離散狀態(tài)，其形狀、尺寸、質(zhì)量均不改變，下沉速度不受干擾。絮凝沉淀：沉降過(guò)程中各顆粒之間相互粘結(jié)，其尺寸、質(zhì)量會(huì)隨深度增加而逐漸增大，沉速亦隨深度而增加。擁擠沉淀：顆粒在水中的濃度較大，顆粒間相互靠得很近，在下沉過(guò)程中彼此受到周圍顆粒作用力的干擾，但顆粒間相對(duì)位置不變，作為一個(gè)整體而成層下降。清水與渾水間形成明顯的界面，沉降過(guò)程實(shí)際上就是該界面下沉過(guò)程。壓縮沉淀：顆粒在水中的濃度很高時(shí)會(huì)相互接觸。

2、上層顆粒的重力作用可將下層顆粒間的水?dāng)D壓出界面，使顆粒群被壓縮。2-2 水中顆粒的密度=2.6 ，粒徑d=0.1 mm，求它在水溫10 情況下的單顆粒沉降速度。解：6.7×10-3m/s。2-3 非絮凝性懸浮顆粒在靜止條件下的沉降數(shù)據(jù)列于表2-22中。試確定理想式沉淀池過(guò)流率為1.8m3/m2h時(shí)的懸浮顆粒去除率。試驗(yàn)用的沉淀柱取樣口離水面120cm和240cm。表示在時(shí)間t時(shí)由各個(gè)取樣口取出的水樣中懸浮物的濃度，0代表初始的懸浮物濃度。習(xí)題2-3附表時(shí)間01530456090180120cm處的/010.960.810.620.460.230.06240cm處的/010.990.9

3、70.930.860.700.32解： （1）H=1.2m，69.6%；（2）H=2.4m，61.9%。2-4 生活污水懸浮物濃度300mg/L，靜置沉淀試驗(yàn)所得資料如表2-23所示。求沉淀效率為65%時(shí)的顆粒截留速度。習(xí)題2-4附表取樣口離水面高度/m在下列時(shí)間（min）測(cè)定的懸浮物去除率/%510204060901200.6415560677273761.2193345586270741.815313854596371解： 不同水深下的EU510204060901200.6m0.120.060.030.0150.010.00670.005415560677273761.2m0.240.12

4、0.060.030.020.0130.0135.549.556.364.869.572.375.51.8m0.360.180.090.0450.030.020.01529.343.751.361.866.570.374.5根據(jù)上表數(shù)據(jù)繪制不同水深條件下的EU曲線，結(jié)合曲線求解。2-5 污水性質(zhì)及沉淀試驗(yàn)資料同習(xí)題2-4，污水流量1 000m3/h，試求：（1）采用平流式、豎流式、輻流式沉淀池所需的池?cái)?shù)及澄清區(qū)的有效尺寸；（2）污泥的含水率為96%時(shí)的每日污泥容積。解：以平流式沉淀池為例：6座池子，長(zhǎng)24m，寬5m，有效水深1.8m。 污泥的含水率為96%時(shí)的每日污泥容積19.5m3。2-6 已

5、知平流式沉淀池的長(zhǎng)度L=20m，池寬B=4m，池深 H=2m。今欲改裝成斜板沉淀池，斜板水平間距10cm，斜板長(zhǎng)度=1 m，傾角60°。如不考慮斜板厚度，當(dāng)廢水中懸浮顆粒的截留速度=1 時(shí)，改裝后沉淀池的處理能力與原池相比提高多少倍？解：提高了5倍。2-7 試敘述脫穩(wěn)和凝聚的原理。膠體脫穩(wěn)的機(jī)理可歸結(jié)為以下四種：A 壓縮雙電層：帶同號(hào)電荷的膠粒之間存在著范德華引力和由電位引起的靜電斥力。這兩種力抗衡的結(jié)果決定膠體的穩(wěn)定性。一般當(dāng)兩膠體顆粒表面距離大于3nm時(shí)，兩個(gè)顆?？偺幱谙喑鉅顟B(tài)（對(duì)憎水膠體顆粒而言，兩膠核之間存在兩個(gè)滑動(dòng)面內(nèi)的離子層，使顆粒保持穩(wěn)定的相斥狀態(tài)；對(duì)于親水膠體顆粒而言

6、，其表面吸附了大量的水分子構(gòu)成水殼，使彼此不能靠近而保持穩(wěn)定。）在水處理中使兩膠體顆粒間距減少，發(fā)生凝聚的主要方法是在水中投加電解質(zhì)。電解質(zhì)在水中電離產(chǎn)生的離子可與膠粒的反離子交換或擠入吸附層，使膠粒帶電荷數(shù)減少，降低電位，并使擴(kuò)散層厚度減小。B 吸附電中和：膠粒表面對(duì)異號(hào)離子、異號(hào)膠?；蜴湢罡叻肿訋М愄?hào)電荷的部位有強(qiáng)烈的吸附作用，使得膠粒表面的部位或全部電荷得以中和，減少靜電斥力，致使顆粒間易于接近而相互吸附。C 吸附架橋：如果投加的化學(xué)藥劑是能吸附膠粒的鏈狀高分子聚合物，或者兩個(gè)同號(hào)膠粒吸附在同一異號(hào)膠粒上，膠粒就能連結(jié)、團(tuán)聚成絮凝體而被除去。D 網(wǎng)捕作用：含金屬離子的化學(xué)藥劑投入水中后，

7、金屬離子會(huì)發(fā)生水解和聚合，并以水中的膠粒為晶核形成膠體狀沉淀物，或者沉淀物析出時(shí)吸附和網(wǎng)捕膠粒與之共同沉降下來(lái)。2-8 鋁鹽的混凝作用表現(xiàn)在哪些方面？鋁鹽/鐵鹽在水處理中發(fā)揮的三大作用：A pH值偏低，膠體及懸浮物濃度高，投藥量尚不足的反應(yīng)初期，以Al3+或Fe3+和低聚合度高電荷的多核羥基配合物的脫穩(wěn)凝聚作用為主；B pH值和投藥量適中時(shí)，以高聚合度羥基配合物的橋連絮凝作用為主；C pH值較高，膠體及懸浮物濃度較低，投藥充分時(shí)，以氫氧化物沉淀形式存在的網(wǎng)捕絮凝作用為主。2-9 混合和絮凝反應(yīng)主要作用是什么？對(duì)攪拌各有什么要求？混合的目的是迅速均勻地將藥劑擴(kuò)散于水中，溶解并形成膠體，使之與水中

8、的懸浮微粒等接觸，生成微小的礬花。這一過(guò)程的要求：攪拌強(qiáng)度大，產(chǎn)生激烈湍流，混合時(shí)的流速應(yīng)在1.5m/s以上，混合時(shí)間短（不超過(guò)2分鐘），一般為1030s。反應(yīng)設(shè)備的任務(wù)是使細(xì)小的礬花逐漸絮凝成較大顆粒，以便于沉淀除去。反應(yīng)設(shè)備要求水流有適宜的攪拌強(qiáng)度，既要為細(xì)小絮體的逐漸長(zhǎng)大創(chuàng)造良好的碰撞機(jī)會(huì)和吸附條件，又要防止已形成的較大礬花被碰撞打碎。因此，攪拌強(qiáng)度比在混合設(shè)備中要小，但時(shí)間比較長(zhǎng)，常為1030min。2-11 澄清池的工作原理與沉淀池有何異同？澄清池是完成水和廢水的混凝處理工藝（水和藥劑的混合、反應(yīng)以及絮凝體與水分離）的設(shè)備。澄清池中起到截留分離雜質(zhì)顆粒作用的介質(zhì)是呈懸浮狀態(tài)的泥渣。即

9、在反應(yīng)階段加入一定濃度的懸浮泥渣，或在反應(yīng)池中保持一定濃度的懸浮泥渣。水中的懸浮顆粒與混凝劑作用而形成微小絮凝體后，一旦在運(yùn)動(dòng)中與相對(duì)巨大的泥渣接觸碰撞，就被吸附在泥渣顆粒表面而被迅速除去。因此，保持懸浮狀態(tài)的，濃度穩(wěn)定且均勻分布的泥渣區(qū)是決定澄清池處理效果的關(guān)鍵。沉淀池是利用水中懸浮物質(zhì)自身重力完成水固分離的設(shè)備。2-12 常見澄清池有哪幾種？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？適用于什么情況？根據(jù)泥渣與水接觸方式的不同，分為兩大類型：（1）泥渣循環(huán)分離型：讓泥渣在垂直方向不斷循環(huán)，在運(yùn)動(dòng)中捕捉原水中形成的絮凝體，并在分離區(qū)加以分離。常用的澄清池中屬于泥渣循環(huán)分離型的有機(jī)械加速澄清池、水力循環(huán)澄清池。（2）懸浮

10、泥渣過(guò)濾型：靠上升水流的能量在池內(nèi)形成一層懸浮狀態(tài)的泥渣，當(dāng)原水自下而上通過(guò)泥渣層時(shí)，絮凝體被截留。常用的澄清池中屬于懸浮泥渣分離型的有普通懸浮澄清池、脈沖澄清池。2-15 水中懸浮物能否黏附于氣泡上取決于哪些因素？實(shí)現(xiàn)氣浮分離過(guò)程的必要條件是污染物粘附在氣泡上。這與氣、液、固三相介質(zhì)間的相互作用有關(guān)。根據(jù)熱力學(xué)的概念，氣泡和顆粒的附著過(guò)程是向使體系界面能減少的方向自發(fā)地進(jìn)行的。0º，該物質(zhì)不能氣??；90º，該物質(zhì)附著不牢，易分離；180º，該物質(zhì)易被氣浮。其中：為氣、顆粒與水的接觸角。2-17 水的軟化與除鹽在意義上有何差異？水的軟化是降低水中Ca2、Mg2含量

11、，防止管道、設(shè)備結(jié)垢的處理。水的除鹽則是降低部分和全部含鹽量的處理。2-18 水的軟化方法有幾種？各有什么特點(diǎn)？ 加熱軟化法借助加熱把碳酸鹽硬度轉(zhuǎn)化成溶解度很小的CaCO3 和Mg(OH)2沉淀出來(lái)，達(dá)到軟化的目的。此法只能降低碳酸鹽硬度，不能降低非碳酸鹽硬度。目前在工業(yè)上已經(jīng)很少采用了。 藥劑軟化法 在不加熱的條件下，用化學(xué)藥劑將Ca2、Mg2以CaCO3、Mg(OH)2的形式沉淀，以去除絕大部分Ca2、Mg2，達(dá)到軟化的目的。常用藥劑法為石灰法、石灰-純堿法、石灰-石膏法。由于CaCO3和Mg(OH)2在水中仍有很小的溶解度，所以經(jīng)此法處理后的水仍有殘余硬度，仍然會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢問(wèn)題。 離子交換

12、法用離子交換劑上的可交換離子Na+與Ca2、Mg2交換，其他陰離子成分不改變。該法可較徹底的脫除水中的Ca2、Mg2，較前兩個(gè)方法優(yōu)越。2-19 離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)有什么特點(diǎn)？試述其主要性能。廢水處理中常用的離子交換劑為離子交換樹脂。它是人工合成的高分子化合物，由樹脂本體（母體）和活性基團(tuán)兩個(gè)部分組成。樹脂本體通常是苯乙烯的聚合物，是線性結(jié)構(gòu)的高分子有機(jī)化合物。因樹脂本體不是離子化合物不具有離子交換能力，需經(jīng)適當(dāng)處理加上活性基團(tuán)后，才成為離子化合物，才具有離子交換能力?；钚曰鶊F(tuán)由固定離子和活動(dòng)離子組成，前者固定在樹脂網(wǎng)狀骨架上，后者則依靠靜電力與前者結(jié)合在一起，兩者電性相反，電荷相等。2-21

13、 試述離子交換工藝的操作程序。離子交換的運(yùn)行操作包括交換、反洗、再生、清洗四個(gè)步驟。（1）交換：離子交換劑上的可交換離子與溶液中其他同性離子間的交換反應(yīng)。主要與樹脂性能、樹脂層高度、水流速度、原水濃度以及再生程度有關(guān)。（2）反洗：目的在于松動(dòng)樹脂層，以便再生時(shí)再生液分布均勻，同時(shí)還及時(shí)清除積存的雜質(zhì)、碎粒和氣泡。（3）再生：交換反應(yīng)的逆過(guò)程，用較高濃度的再生液恢復(fù)樹脂的交換能力。（4）清洗：將樹脂層中殘余的再生廢液清洗掉，直至符合出水水質(zhì)要求。2-22 試述離子交換工藝在廢水處理中的應(yīng)用范圍。（1）軟化 一般采用鈉型陽(yáng)離子交換柱（固定型單床），再生液用飽和NaCl溶液。圖2-55 鈉型離子交換

14、柱。（2）除鹽需用H+型陽(yáng)離子交換柱（金屬離子與H+交換）與OH-型陽(yáng)離子交換柱（各酸根離子與OH-交換）串聯(lián)工藝。圖2-56 H柱和OH柱串聯(lián)除鹽。（3）重金屬?gòu)U水的處理和金屬的回收2-23 活性炭吸附的基本原理是什么？吸附作用主要發(fā)生在活性炭?jī)?nèi)部細(xì)孔的表面。每克吸附劑所具有的表面積稱為比表面積。活性炭的比表面積可達(dá)5001700m2/g?；钚蕴康奈搅坎粌H與比表面積有關(guān)，而且還取決于細(xì)孔的構(gòu)造和分布情況。這些細(xì)孔的構(gòu)造主要和活化方法及活化條件有關(guān)。細(xì)孔的大小不同，在吸附中所引起的主要作用也就不同。其中大孔主要為擴(kuò)散提供通道，影響擴(kuò)散速度；過(guò)渡孔在吸附質(zhì)孔徑小時(shí)影響擴(kuò)散速度，小孔決定吸附量；

15、在吸附質(zhì)分子大時(shí)，影響吸附速度，小孔此時(shí)不起作用。圖2-57 活性炭的微孔結(jié)構(gòu)?；钚蕴康奈教匦圆粌H與細(xì)孔構(gòu)造和分布情況有關(guān)，而且還與活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。2-24 吸附等溫線有幾種？各種等溫線的意義何在？吸附等溫線按形狀可分為幾種類型，其中有代表性的有Langmuir（朗格謬爾）型、BET型和Freundlich（弗倫德利希）型。2-25 活性炭吸附操作有幾種類型？各有什么特點(diǎn)？ 活性炭吸附操作類型：間歇吸附、連續(xù)吸附、流化床吸附。2-26 試分析幾種膜分離技術(shù)的原理和特點(diǎn)與應(yīng)用1、電滲析在直流電場(chǎng)的作用下，利用陰陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性（即陽(yáng)膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)，陰膜只

16、允許陰離子通過(guò)），使溶質(zhì)與水分離的物化過(guò)程。2、滲析法在半透膜高濃度溶液的一側(cè)施加足夠的壓力（超過(guò)溶液的滲透壓），使溶劑從高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)流動(dòng)的過(guò)程。隨著反滲透膜制造技術(shù)及裝置的迅速發(fā)展與完善，反滲透工藝已在海水及苦咸水淡化、飲用水處理、高純水制備等領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用。在電鍍、食品工業(yè)等廢水處理方面也有應(yīng)用。3、微濾、超濾和納濾等依靠壓力和膜進(jìn)行工作，制膜的原料也是醋酸纖維素或聚酰胺、聚砜等，但刪去熱處理工序，使制成的膜孔徑較大，能夠在較小的壓力下工作，而且有較大的水通量。微濾技術(shù)適合于去除膠體、懸浮固體和細(xì)菌，現(xiàn)多用于取代深床過(guò)濾，降低出水濁度，強(qiáng)化水的消毒，有時(shí)也作反滲透的預(yù)處理。

17、超濾能去除相對(duì)分子量大于1000100000的物質(zhì)，如膠體、蛋白質(zhì)、顏料、油類、微生物等。納濾又稱低級(jí)反滲透，可分離相對(duì)分子量大于200400的物質(zhì)，如硬度離子、色素等，有些較大分子的有機(jī)物也可被除去。2-29 微濾、超濾、納濾和反滲析有何區(qū)別？微濾、超濾和納濾等依靠壓力和膜進(jìn)行工作，制膜的原料也是醋酸纖維素或聚酰胺、聚砜等，但刪去熱處理工序，使制成的膜孔徑較大，能夠在較小的壓力下工作，而且有較大的水通量。微濾技術(shù)適合于去除膠體、懸浮固體和細(xì)菌，現(xiàn)多用于取代深床過(guò)濾，降低出水濁度，強(qiáng)化水的消毒，有時(shí)也作反滲透的預(yù)處理。超濾能去除相對(duì)分子量大于1000100000的物質(zhì)，如膠體、蛋白質(zhì)、顏料、油

18、類、微生物等。納濾又稱低級(jí)反滲透，可分離相對(duì)分子量大于200400的物質(zhì)，如硬度離子、色素等，有些較大分子的有機(jī)物也可被除去。2-30 試述加氯消毒的原理。1、氯氣溶于水后發(fā)生水解反應(yīng)，生成的次氯酸HOCl是弱酸，又發(fā)生離解反應(yīng)。平衡受水中氫離子濃度的影響。當(dāng)pH4時(shí)，溶于水的Cl2幾乎以HOCl和OCl的形式存在，極少以Cl2的形式存在。當(dāng)pH7時(shí)，HOCl約占80，OCl約占20。一般認(rèn)為，Cl2、HOCl、OCl均具有氧化能力，而不少研究表明Cl2、HOCl、OCl三者中，HOCl的殺菌能力最強(qiáng)。2、當(dāng)水中有氨存在時(shí)，氯和次氯酸極易與氨化合成各種氯胺。各種氯胺水解后，又會(huì)生成HOCl，因

19、此它們也具有消毒殺菌能力，但不及HOCl強(qiáng)，而且殺菌作用進(jìn)行得比較緩慢。3、氯還可以與水中其他雜質(zhì)特別是還原性物質(zhì)起化學(xué)作用，如Fe2+、Mn2+、NO2、S等無(wú)機(jī)性還原物質(zhì)以及一些有機(jī)性還原物質(zhì)。2-31 水消毒與殺菌的區(qū)別？水消毒是用物理、化學(xué)方法去除水中的病原菌、病毒和寄生蟲，以保證人類用水的安全和衛(wèi)生。其目的是水中的病原細(xì)菌和其他對(duì)人體健康有害的微生物。消毒和殺菌不同。殺菌是殺滅水中一切微生物。生活污水和某些工業(yè)廢水中含有大量細(xì)菌，有時(shí)還含有較多的病原細(xì)菌、病毒和寄生蟲卵等。通過(guò)一般的廢水處理，它們也還不能全部被去除，為了防止疾病的傳播，在排入水體之前，也需要進(jìn)行消毒。2-32 除氯以外，還有哪些消毒方法？發(fā)展前途如何？（一）物理消毒法1、加熱消毒 消耗大量燃料，只適合于少量飲用水。2、紫外線消毒紫外線消毒與氯消毒相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：消毒速度快，效率高。據(jù)試驗(yàn)，經(jīng)紫外線照射幾十秒鐘即能殺菌。一般大腸桿菌