1、十四章 给水处理概论 1、水中杂质按尺寸大小可分成几类？了解各类杂质主要来源、特点及一般去除方法。 答：杂质无外乎两种来源：一是自然过程，例如地层矿物质在水中的溶解，水中微生物的繁殖及其死亡残 骸等；二是人为因素，即工业废水、农业污水及生活污水的污染。水中杂质按尺寸大小可分成三类： 悬浮物：悬浮物尺寸较大，易于在水中下沉或上浮。粒径大于.1mm 的泥砂去除较易，通常在水中很快 下沉。粒径较小的悬浮物，须投加混凝剂方可去除。 胶体杂质：尺寸很小，在水中长期静置也难下沉，水中所存在的胶体通常有粘土、某些细菌及病毒、腐殖 质及蛋白质等。有机高分子物质通常也属于胶体一类。天然水中的胶体一般带有负电荷，
2、有时也含有少量 正电荷的金属氢氧化物胶体。须加混凝剂方可去除。 溶解杂质：分为有机物和无机物两类。它们与水所构成的均相体系，外观透明，属于真溶液。有的无机溶 解物可使水产生色、臭、味。 2、了解生活饮用水卫生标准中各项指标的意义。 答：在标准中所列的水质项目可分成以下几类。 一类属于感官性状方面的要求。浊度、色度、臭和味以及肉眼可见物等。 第二类是对人体健康有益但不希望过量的化学物质。 第三类是对人体健康无益但一般情况下毒性也很低的物质。 第四类有毒物质。 第五类细菌学指标，目前仅列细菌总数、总大肠菌数和余氯三项。 3、反应器原理用于水处理有何作用和特点？ 答：反应器是化工生产过程中的核心部分
3、.在反应器中所进行的过程,既有化学反应过程,又有物理过 程,影响因素复杂。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，水的氯化消毒池，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。 4、试举出 3 种质量传递机理的实例。 答：质量传递输可分为：主流传递；分子扩散传递；紊流扩散传递。 1）主流传递：物质随水流主体而移动，它与液体中物质浓度分布无关，而与
4、流速有关。实例：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：与浓度梯度有关。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，最终趋于均匀分布状态，浓度梯度消失。实例：如平流池存在浓度梯度时。 3）紊流扩散传递：在紊流状态下，液体质点不仅具有随水流前进的运动，还具有上下左右的脉动， 且伴有涡旋。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。 5、3 种理想反应器的假定条件是什么？研究理想反应器对水处理设备的设计和操作有何作用。 答：3 种理想反应器的假定条件如下 1
5、）完全混合间歇式反应器（CMB 型）：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 型）：反应器内物料完全均匀混合且与输出产物相同的假定，且是在恒 温下操作。 3）推流型反应器（PF 型）：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。 在水处理中，反应器含义较广泛。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、除猛滤池，生物滤池等等。在水处理 方面引入反应器理论，提供了一种分析研究水处理工艺设备的方法和思路，推动了
6、水处理工艺发展。通过 简化的反应器称理想反应器，虽然理想反应器内不能完全准确地描述反应器内所进行的实际过程，但可近 似反应真实反应器的特征。而且，由理想反应器模型可进一步推出偏离理想状态的实际反应器模型。 6、为什么串联的 CSTR 型反应器比同体积的单个 CSTR 型反应器效果好？(8) 答：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 时，所需反应时n 间将趋近于 CMB 型和 PF 型的反应时间。 7、混合与返混合在概念上有何区别？返混合是如何造成的？ 答：CMB 和 CSTR 反应器内的混合是两种不同的混合。前者是同时进入反应器又同时流出反应器的相 同物料之间的混合，
7、所有物料在反应器内停留时间相同；后者是在不同时间进入反应器又在不同时间流出 反应器的物料之间的混合，物料在反应器内停留时间各不相同，理论上，反应器内物料的停留时间由 0 至 无穷大。这种停留时间不同的物料之间混合，在化学反应工程上称之为“返混”。显然，在 PF 反应器内， 是不存在返混现象的。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 质扩散等等。 返混：广义地说，泛 指 不 同 时 间 进 入 系 统 的 物 料 之 间 的 混 合 ， 狭 义 地 说 ， 返 混 专 指 物 料 逆 流 动 方 向 的 流 动 和 混 合 。 8、PF 型和 CMB 型反应器为
8、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的高浓度下进行反应，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。这与间歇式 反应器的反应过程是完全一样的。介它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 考滤投料和卸料时间，而推流型反应器为连续操作。 9.为什么 CSTR 型反应器生产能力低于 PF 型？ 在 PF 反应器内，液流以相同流速平行流动，物料浓度在垂直于流动方向完全混合均匀，但沿流动反 向绝无混合现象，物料浓度在流动方向形成浓度梯度。而在 CSTR 型反应器内，物料
9、完全均匀混合，无论 进口端还是出口端，浓度都相同。PF 型反应器在进口端是在高浓度 C0下进行反应，反应速率高，只是在 出口端才在低浓度 Ce 下进行反应。而 CSTR 型始终在低浓度 Ce 下进行反应，故反应器始终处于低反应速 率下操作，这就是 CSTR 型反应器生产能力低于 PF 型的原因。 10、何谓“纵向分散模型” （PFD）？纵向分散模型对水处理设备的分析研究有何作用？(7) 答：实际反应器总是介于推流型和完全混合连续流型之间。纵向分散模型就是在推流 型基础上加上一个纵向的混合，而这种混合又可设想为一种扩散所引起的，其中既包 括分子扩散、紊流扩散，又包括短流、环流、流速不均匀等。只要
10、这种模型与实际所 研究的对象基本等效，不必去深究扩散机理及其它细节。纵向分散模型介于 CSTR 型 和 PF 型之间，所以在对水处理设备的分析研究中采用此模型更贴近实际反应器模， 在水处理中，沉淀池、氯消毒池、生物滤池、冷却塔等，均可作为 PFD 型反应器来进 行研究。 第十五章 混凝 1、何谓胶体稳定性？试用胶粒间互相作用势能曲线说明胶体稳定性的原因。 答：胶体稳定性是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。 胶体稳定性分”动力学稳定”和聚集稳定”两种。动力学稳定性系指颗粒布朗运动对抗重力影响 的能力，粒子愈小，动力学稳定性愈高。聚集稳定性系指胶体粒子之间不能相互聚集的特性。胶体粒子很
11、小，比表面积大从而表面能很大，在布朗运动作用下，有自发地相互聚集的倾向。但由于粒子表面同性电 荷的斥力作用或水化膜的阻碍使这种自发聚集不能发生。胶体稳定性，关键在于聚集稳定性。 对憎水胶体而言，聚集稳定性主要决定于胶体颗粒表面的动电位即 电位， 电位愈高，同性电荷 斥力愈大。虽然胶体的 电位是导致聚集稳定性的直接原因，但研究方法却可从两胶粒之间相互作用力 及其与两胶粒之间的距离关系来评价。DLVO 理论认为，当两个胶粒相互接近以致双电层发生重叠时，便 产生静电斥力,其与两胶粒表面间距 x 有关，用排斥势能 ER表示，排斥势能随 x 增大而指数关系减小。相 互接近的两胶粒之间同时还存在范德华引力
12、，用吸引势能 EA表示，与 x 成反比。当 0a5.5 时，氧化速率与OH 2成正比，故增大 PH 值可加快速率； PH5.5 时，氧化速率是非常缓慢的。 2）有催化剂如氢氧化铁覆盖膜可以加快氧化速率。 3）提高曝气效果。可以将空气以气泡形式分散于水中，或将水流分散成水滴或水膜状于空气中， 以增加水和空气的接触面积和延长曝气时间，提高传质效果。 3.地下水除铁时常用什么工艺？为什么地下水除锰比除铁困难？ 答：地下水常采用曝气氧化工艺：原水曝气催化氧化过滤。 由于铁的氧化还原电位低于锰，容易被 O2氧化，相同 PH 时二价铁比二价锰的氧化速率快，以致影响 二价锰的氧化，因此地下水除锰比除铁困难。
13、 4.何种水质条件下使曝气除铁法增加困难，可用什么措施解决？ 答：水的碱度不足会影响氧化速率使曝气除铁法增加困难，将 pH 值增大到 7.0 以上可解决。 5.除铁、除锰滤料的成熟期是指什么？任何滤料是否需到成熟期后才出现催化氧化作用？ 答：滤料从开始使用到其表面覆盖有氧化物，形成氢氧化物膜所需的时间称为成熟期。 滤料在形成氢氧化物后即有催化作用，故在达到成熟期之前已有催化氧化作用。 6除铁滤池的滤速受到哪些因素的影响？ 答：pH，水温 t，滤池进水含铁量，滤池出水含铁量，滤层厚度，滤料有效粒径 7.活性炭等温吸附试验的结果可以说明哪些问题？ 答：由等温线可以比较不同活性碳对各种溶质的吸附效果
14、，并由此将所拟去除的溶质从初浓度 C0降 低到要求浓度时，所需投加的粉末活性炭数量。 8.活性炭柱的接触时间和泄露时间指什么，两者有什么关系？ 答：接触时间的含义是活性炭床容积除以流量、或是炭床厚度除以流速所得出的时间。泄露时间是 指流量一定时，从活性炭池开始进水到出水开始不符合水质要求时所经历的时间。 接触时间和泄露时间有内在的联系，因为当流速（或流量）一定时增减炭床厚度或炭床厚度一定时改 变流速，都可以改变接触时间，而接触时间的变化可影响活性炭池的泄露时间和吸附容量。接触时间短虽 然可以减少所需的活性炭床容积，但是泄露时间提早以致再生周期较短；相反，则所需炭床容积增大，但 可延缓泄露时间使
15、再生周期延长，再生次数减少。 9.吸附区高度对活性炭柱有何影响？如何从泄露曲线估计该区的高度？ 答：吸附区是指从原水溶质浓度降低到出水允许浓度时所需的活性炭层高度。吸附区高度越大炭床 的利用率越低。 10什么叫生物活性炭法，有什么特点？ 答：臭氧和活性炭吸附结合在一起的水处理方法。 特点是：1）完成生物硝化作用，将 NH4+ -N 转化为 NO3_； 2）将溶解有机物进行生物氧化,可去除 mg/L 级有机碳和三卤甲烷前体物； 3）增加了水中的溶解氧，有利于好氧微生物的活动，促使活性炭部分再生，从而延长了再生周期； 4）臭氧如投加在滤池之前还可以防止藻类和浮游植物在滤池中生长繁殖。水厂常规水处理
16、工艺不能 去除有毒有害有机物的情况下，生物活性炭法是饮用水深度处理的有效方法之一。 11.目前应用最广的除氟方法是什么？原理如何？ 答：吸附过滤法，也就是活性氧化铝法。 原理：活性氧化铝是白色颗粒状多孔吸附剂，有较大的比表面积。活性氧化铝是两性物质。在酸性 溶液中活性氧化铝为阴离子交换剂，对氟有极大的选择性。 Ps：在 pH=5-8 范围内时，除氟效果较好，而在 pH5.5 时，吸附量最大，因此如将原水的 pH 值调节 到 5.5 左右，可以增加活性氧化铝的吸氟效率。 第二十一章 水的软化 1.试说明石灰软化时水中发生的化学反应 石灰软化过程包括下面几个方面： CO2+Ca(OH)2 CaCO
17、 3+H 2O Ca(HCO3)2+Ca(OH)2 2CaCO 3+2H 2O Mg(HCO3)2+Ca(OH)2 CaCO 3+MgCO 3+2H2O MgCO3+Ca(OH)2 CaCO 3+Mg(OH) 2 2.石灰软化处理后水质有何变化？为什么不能将水中硬度降为零？ 水的剩余碳酸盐硬度可以降低到 0.250.5 毫摩尔每升，剩余碱度约 0.81.2 毫摩尔每升，硅化合 物可去除 30-35，有机物可去除 25，铁残留量约 0.1 毫克每升。 熟石灰虽然亦能与水中非碳酸盐的镁硬度起反应生成氢氧化镁，但同时又产生了等物质的量的非碳 酸盐的钙硬度： MgSO4+Ca(OH)2 Mg(OH)
18、2+CaSO 4 MgCl2+Ca(OH)2 Mg(OH) 2+CaCl 2 所以单纯的石灰软化是不能降低水的非碳酸盐硬度的。不过，通过石灰处理，还可以去除水中部分 铁和硅的化合物。 3.与顺流再生相比，逆流再生为何能使离子交换出水质显著提高？ 顺流再生固定床树脂层上部再生程度高，而越是下部，再生程度越差，到软化工作后期，由于树脂下 半部原先再生不好，出水剩余硬度提前超出规定指标，导致交换器过早地失效，降低了设备工作效率。 逆流再生固定床再生时，再生液首先接触饱和程度低的底层树脂，然后再生饱和程度较高的中、上 层树脂。这样，再生液被充分利用，再生剂用量显著降低，并能保证底层树脂得到充分再生。软
19、化时，处 理水在经过相当软化之后又与这一底层树脂接触，进行充分交换，从而提高出水水质。 4.逆流再生的关键是什么? 答:再生时再生液流向与交换时水流流向相反，并在再生操作过程中做到各层次不乱。 5. 如图 21-14 所示，当氢离子交换出水强酸酸度为零，与其相应，出水 Na+含量应是多少？C(1/2SO42- +Cl_) 第二十二章 水的除盐与咸水淡化 1.在一级复床除盐系统中如何从水质变化情况来判断强碱阴床和强酸阳床即将失效？ 答： 若阴床运行以硅酸开始泄漏作为失效控制点,则电导率瞬时下降可视为周期终点的讯号。若阳床运行 以 Na+开始泄漏作为失效控制点,则出水酸度开始急剧下降可视为失效点。
20、 2.试说明离子交换混合床工作原理，其除盐效果好的原因何在？ 答：阴、阳离子交换树脂填在同一个交换器内，再生时使之分层再生，使用时先将其均匀混合，这种 阴、阳树脂混合一起的离子交换器称为混合床。 混合床的反应过程可写成（以 NaCl 为例）：RH + NaOH + NaClRNa+RCl+H 2O 其除盐效果好的原因：上式交换反应可看作是盐分解反应和中和反应的组合，并且阴阳离子交换反 应是同时进行的。由于混合床中阴、阳树脂紧密交替接触。好象有许多阳床和阴床串联在一起，构成无数 微型复床，反复进行多次脱盐，加上去离子作用是在中性 pH 值下迅速进行的，所以出水纯度高。并且具 有水质稳定、间断运行
21、影响小、失效终点明显等特点。 3.在离子交换除盐系统中，阳床、阴床、混合床和除二氧化碳器的前后位置的布置应如何考虑？试说明理 由。 答：（一）强酸脱气强碱系统 (阳床除二氧化碳器中间水箱阴床出水) 进水通过阳床，去除 Ca2+,Mg2+、Na +等阳离子，出水为酸性水，随后通过除 CO2器去除 CO2，最后由阴床 去除水中的 SO42-,Cl-,HCO3-等阴离子。 强碱阴床设置在强酸阳床之后的理由： （1）若水先通过阴床，容易生成碳酸钙、氢氧化镁沉淀在树脂层内，使强碱树脂交换容量降低。 (2）阴床在酸性介质中易于进行离子交换，若进水先经过阴床，更不利于去除硅酸因为 强碱树脂在硅酸盐的吸附要比
22、对硅酸的吸附差得多。 （3）强酸树脂抗有机物污染的能力胜过强碱树脂。 （4）若原水先通过阴床，本应由除二氧化碳器去除的碳酸，都要由阴床承担，从而增加 了再生剂耗用量。 除 CO2器设置在强酸阳床之后的理由：当水的 pH 值低，碳酸几乎全部以游离 CO2形态存在于水中，因此 除 CO2器放置进接 H 离子交换器之后。 （二）强酸脱气弱减强碱系统 适用于原水有机物含量较高、强酸阴离子含量较大的情况。弱碱树脂用于去除强酸阴离子，强碱树脂主要 用于除硅。 4.何谓双层床？其与混合床有何区别？ 答：即在同一交换器内装有弱酸/碱和强酸/碱两种树脂，借助于树脂湿真密度之差别，经反洗分层后， 使弱酸/碱树脂位
23、于上层，强酸/碱树脂位于下层，组成双层床。 与混合床区别： 1）混合床中，阴阳离子交换反应是同时进行的，而双层床分为阴、阳两种，分别只去除阴离子、阳 离子。 2）双层床因使用弱酸或弱碱树脂，使交换能力提高，酸/碱比耗降低，废酸/碱量亦显著减少，出水 量增加，适用范围增大。混合床因为阴、阳树脂紧密交替接触，构成无数微型复床，加上去离子作用是在 中性 pH 值下迅速进行的，因而出水纯度高。 3）因为原理不同，所以再生方式存在差异。都要反洗分层，但双层床的上层弱脂可用强脂用过的再 生液充分加以利用，不过对于阴离子交换床，再生要求更为严格。 5、电渗析的级和段是如何规定的？级和段与电渗析器的出水水质、
24、产水量以及操作电压有何关系？ 答：一对电极之间的膜堆称为一级，具有同向水流的并联膜堆称为一段。一般而言，增加段数就等于增 加脱盐流程，亦提高脱盐效率，有利于提高出水水质。增加膜堆数，则可提高水处理量。增加级数则 可降低所需电压。 Ps：一对阴、阳膜和一对浓、淡水隔板交替排列，组成最基本的脱盐单元，称为膜对。电极之间由若 干组膜对堆叠一起即为膜堆。应根据具体情况选择合理的工作状况，并在此基础上，确定所需电渗析 器的台数以及并联或串联的组装方式。 6、试画出六级三段电渗析器组装示意图。 答： 7、电渗析器的电流效率与电能效率有何区别？ 答：电流效率等于一个淡室实际去除的盐量与应析出的盐量之比。与膜
25、对数无关，电压随膜对增加而加 大，而电流则保持不变。电能效率是衡量电能利用程度的一个指标，可定义为整台电渗析器脱盐所需 的理论耗电量与实际耗电量之比值，即电能效率 = 理论耗电量 / 实际耗电量。 8、试说明电渗析的极化现象，它有何危害？应如何防止？（重点） 答：在电渗析过程中，由于膜内反离子的迁移数大于溶液中的迁移数，从而造成淡水隔室中在膜与溶液的 界面处形成离子亏空现象，当操作电流密度增大到一定程度时，主体溶液内的离子不能迅速补充到膜 的界面上，从而迫使水分子电离产生 H+和 OH_ 来负载电流,这就是电渗析的极化现象. 电渗析的极化现象对电渗析的运行有很大的影响,主要表现在: 1）.极化
26、时一部分电能消耗在水的电离与 H+和 OH_的迁移上,使电流效率下降。 2） OH _透过阴膜进入浓水室，与 mg2+ 和 Ga2+发生反应生成沉淀会堵塞水流通道，增加水流阻力，增加电 耗，影响出水水质、水量和电渗析器的安全运行。 3）.由于沉淀、结垢的影响，使膜的性能发生了变化，导致膜易裂，机械强度下降，膜电阻增大，缩短了 膜的使用寿命。 目前主要采取的措施有:1）控制工作电流密度在极限电流密度以下运行；2）定时倒换电极；3）定期酸洗。 9、电渗析极限电流密度公式中的 K 和 n 的值的大小对电渗析装置有何影响？ 答：在电渗析除盐中对一定的含盐量而言，电渗析槽内流过的电流密度有一个最高值。当
27、电流超过 此数值时，就会发生各种故障，比如浓度差极化和膜结垢等，所以有必要事先掌握被处理液的最大允许电 流值即极限电流。公式中的 K 和 n 值增大，极限电流就会增大，相对来水装置发生故障的可能会有所降低。 所以，当 K 和 n 值增大时，会起到减小电渗析装置发生故障可能性的积极影响。 10、在电渗析过程中，流经淡室的水中阴、阳离子分别向阴、阳膜不断地迁移，此时淡室中的水流是否仍 旧保持电中性？如何从理论上加以解释？（没懂） 答：淡室中的水流是保持电中性的。淡室中阴阳离子的迁徙过程，其实就是淡室中的电解质电解过 程，电解后的电解质具有电荷相等，电性相反的性质，这样综合起来，整个淡室中的水流仍旧
28、保持电中性。 11、试阐明在电渗析运行时，流经淡室的水沿隔板流水道流动过程中浓度变化规律。 答：在水沿隔板流动过程中，水中离子浓度逐渐降低。其变化规律系沿流向按指数关系分布，式中 c 值一般采用对数平均值表示，即：C= (C 1-C2)/2.3（C 1/C2） 12.何谓渗透与反渗透?渗透压与反渗透压？ 答：用只能让水分子透过，而不允许溶质透过的半透膜将纯水与咸水分开，则水分子将从出水一侧 通过膜向咸水一侧透过，结果使咸水一侧的液面上升，直至到达某一高度，此即所谓渗透过程。当渗透达 到动平衡状态时，半透膜两侧存在着一定的压力差，即为渗透压 。当咸水一侧施加的压力 P 大于该溶 液的渗透压 ，可
29、迫使渗透反向，实现反渗透过程。反渗透达到平衡时称作反渗透压。 13.反渗透法除盐与其他方法相比有何特点？ 答：反渗透膜是流体阻力大的较致密性膜，孔径 2-3nm 以下，主要分离 1nm 以下的无机离子以及小分子。 需要较高的压力。 14.什么叫浓差极化？试阐明超滤浓差极化过程中，膜面浓度 Cm 与压力差P 之间的关系。 答：在膜分离过程中，水连同小分子透过膜，而大分子溶质则被膜所阻拦并不断积累在膜表面上，使溶质 在膜面处的浓度 Cm 高于溶质在主体溶液中的浓度 Cb,从而在膜附近边界层内形成浓度差 Cm-Cb，并促使溶 质从膜表面向着主体溶液进行反向扩散，这种现象称为浓差极化。 刚开始增大压力势必提高透过水通量，因而膜面的溶质浓度亦随之增大，浓差极化现象就越是严重。在 大分子溶液超过滤过程中，由于 Cm 值急剧增加，结果使极化模数即 Cm/Cb 比值迅速增大.在某一压力差下,当 Cm 值达到这样程度，大分子物质在膜面很快生成凝胶,此时膜面浓度称为凝胶浓度,以 Cg 表示。一旦生成 凝胶层，透过水通量并不因压力的增加而增加。 15.多级闪蒸与多效蒸发工作原理的主要区别何在？前者的结垢现象比后者为何要轻得多? 答：多级闪蒸将加热面与蒸发面分开，故结垢较轻。
