水质工程学(上)答案分解

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=min 85

.01-。求细菌被灭99.5%时，所需消毒时间为多少分钟？ 解答：%5.990i

0=-C C C ,=C i 0.005,0C 细菌被灭速率等于活细菌

减少速率，）（i C r =-k ﹒C i =-0.85C i , t=85.01005.0ln 85.010

0-=-C C ×(-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-Ce

C K ;

PF 型反应器反应时间t2=Ci C k e ln 1 有题意可以得出10i e e 0==C C C C ，所以总时间T=t1+t2=5k

10k 1k 9==+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=C C n 4=n ()

()492.01101.0t +=

t=2.35min T=4t=4*2.35=9.4min

综上所述串联后水流总停留时间为9.4min

15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：Ph<3时，压缩扩散双电层作用。 Ph>3时,吸附-电中和作用。Ph>3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N P =8KTn 2/（3v ρ），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N 0=(4n 2d 3G)/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。

T

gh p

G ⋅==νμ 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