水质工程学计算题

1、现有一种直径、高均为lcm的圆柱体颗粒在静水中自山沉淀，已知该种 颗粒密度ps=1.8g/cm3,水的密度c =lg/cm3,则这种颗粒在水中自山沉淀时最 小沉速为多少？(重力加速度为980cm/S2,绕流阻力系数c=返)；2提示：由题义可得，这种颗粒在水中自山沉淀时沉速大小取决于圆柱体在颗 粒垂直方向投影面积的大小。最小的沉速是颗粒在垂直方向投影面积最大时取 得。2、在实验室内做氯气消毒试验。已知细菌被灭活速率为一级反应，且 k：0.85mi”i求细菌被灭活99.5%时，所需消毒时间为多少分钟？提示：由一级反应方程式可得：©Ca = ©Cao - o.4343kt而 Ca =(1-99.5%) Cao, k=0.85mi”i得 1* = (©Cao - ©Ca) /0.4343k=6.23(min)3、设物料i分别通过CSTR型和PF型反应器进行反应，进水和出水中I浓 度之比为C°/C=10,且属于一级反应，k=2h-i水流在CSTR型和PF型反应器 内各需多少停留时间？(注：C。一进水中i初始浓度；C一出水中i浓度)提示：1)由CSTR 一级反应方程式可得：t=(Co/Ce-l)/k=(lO-l)/2=4.5h2)由PF-级反应方程式可得：t=(ln Co-In Ce)/k=1.15h4、题3中若采用4只CSTR型反应器串联，其余条件同上。求审联后水流 总停留时间为多少？提示：山CSTR二级反应方程式可得:C2/C0=(l/(l+kt)2 得 +=1.08(h)所以 T=4t=4.32(h)5、液体中物料i浓度为200mg/L,经过2个串联的CSTR型反应器后，i 的浓度降至20mg/Lo液体流量为5000m3/h；反应级数为1；速率常数为0.8h"。 求每个反应器的体积和总反应时间。提示：由CSTR二级反应方程式可得：C2/C0=(l/(l+kt)2 得 t=2.2(h)所以 T=2t=5.4(h)V=Qt=5000x2.7=13500(m3)6、河水总碱度O.lmmol/L (按CaO计)。硫酸铝(含AI2O3为16%)投加 量为25mg/L,问是否需要投加石灰以保证硫酸铝顺利水解？设水厂日生产水量 50000m3,试问水厂每天约需要多少千克石灰(石灰纯度按50%计)。提示：投入药剂量折合AI2O3为25mg/lxl6%=4mg , AI2O3的分子量为102。故投入药剂量相当于4/102=0.039mmol/l ,剩余碱度取0.37mmol/l , 则得Ca0=3x0.039-0.1x0.37=0.487(mmol/l), CaO 的分子量为 56,则石灰投 量为 0.487x56x50000/0.5=2.3xl06(g)=2.3 X 103(kg)7、设聚合铝Ab (OH) nCI6-n在制备过程中，控制m=5, n=4,试求该聚 合铝的碱化度为多少？8、某水厂采用精制硫酸铝作为混凝剂，其最大投量为35mg/Lo水厂设讣 水量100000m3/do混凝剂每日调制3次，溶液浓度按10%计，试求溶解池和 溶液池体积各为多少？9、隔板絮凝池设计流量75000m3/do絮凝池有效容积为1100mm3o絮凝 池总水头损失为0.26m。求絮凝池总的平均速度梯度乙值和前值个为多少？（水厂自用水按5% ）o10、某机械絮凝池分成3格。每格有效尺寸为2.06m（宽）x26m（长）x4.2（深）。每格设一台垂直轴桨板搅拌器，构造按下图，设计各部分尺寸为：r2=1050m：桨板长1400mm,宽120mm； ro=525m。叶轮中心点旋转线速度为:第一格v, =0.5m/s第二格v,=0.32m/s第三格v3 =0.2m/s桨板功率计算图求：3台搅拌器所需搅拌功率及相应的平均速度剃度G值（水温按20°C计）。11、设原水悬浮物体积浓度0=5x10-5。假定悬浮颗粒粒径均匀，有效碰撞 系数a=l,水温按15°C计。设计流量Q=360m3/ho搅拌功率（或功率消耗）P=195Wo 试求：（1）絮凝池按PF型反应器考虑，经15min絮凝后，水中颗粒数量浓度将3降低白分之儿?（2）采用3座同体积机械絮凝池串联（机械絮凝池按CSTR型反应器考虑）, 絮凝池总体积与（1）同。搅拌总功率仍为195W,设3座絮凝池搅拌功率分别 为：P&60W, P2=60W, P3=35W,试问颗粒数量浓度最后降低白分之儿？12、已知颗粒密度p=2.65g/cm3,粒径d =0.45mm （按球形颗粒考虑），求 该颗粒在20°C水中沉降速度为多少13、设处沉池为平流式，澄清部分高为H,长为L,进水量为Q,试按理想 沉淀理论对比：出水渠设在池末端如图所示，设三条出水渠时，两种情况下可完全分离掉的最小颗粒沉速UooQQ/3 Q/3 Q/3QnrV-T0"mzrrV解：1）可完全分离掉的最小颗粒沉速U。满足L _H2）当水流至距池末端？厶处时，最小颗粒沉速必满足55 V3LV 必#11当水流至距池末端1厶处时，最小颗粒沉速«0满足*5HW：A=-V3得当水流至距池末端时，最小颗粒沉速町满足Y_r . w . mH M)w<)A=3V得1昭=頁H所以设三条出水渠时，可完全分离掉的最小颗粒沉速'为盏H,其值小 于出水渠设在池末端时可完全分离掉的最小颗粒沉速U0O14、平流沉淀池设计流量为720m3/ho要求沉速等于和大于0.4mm/s的颗粒全部去除。试按理想沉淀条件，求：（1）所需沉淀池平面积为多少m"（2）沉速为O.lmm/s的颗粒，可去除百分之儿？解：已知 Q=720m3/h=0.2m3/s uo=O.4mm/s Ui=0.1mm/s1）所需沉淀池平面积为A = -= °2 -=5O/n2m0 0.4x10=2）沉速为O.lmm/s的颗粒的去除率为E = - = = 0.25«00.433、原水泥砂沉降试验数据见下表。取样口在水面180cm处。平流沉淀池 设计流量为900m3/h,表面积为500m2,试按理想沉淀池条件，求该池可去除 泥砂颗粒约白分之儿？ （C。表示泥砂初始浓度，C表示取样浓度）。取样时间o 152030601218(min)00c/c°l0.0.0.0.0.0.988870301208解：已知 h二 180cm Q=900m3/hA=500m2987654321憑0宦剧毎猱圄居烛：沉速汁算取样时间(min)015203060120180u=h/t(cm12963l.l/min)5沉速分布见下图。1200246810沉降速度(cm/min )卸问诂Q 900x100 q /截留Y几速 uo= =3cm/minA 500x60从图上查得u0=3cm/min时，小于该沉速的颗粒组成部分等于po二0.30。从 图上，相当于积分式r°« dp的面积为0.506。因此得到总去除白分数为：P=（l-0.30）+l （0.506）=86.9%15、 公式仏=口）=180上上冬与公式g加00铝"空（1_竽）一丄 75 11-響加2有何同异？后者是否可用于过滤，前者是否可用于反冲洗？为什么？1）两公式相比后者右边多了紊流项（第二项），而层流项（第一项）的常数值稍 小。2）后者既有紊流项乂有层流项，故该式适用于层流、过渡区和紊流区，过滤 水流处于层流状态，所以后者可用于过滤。前者仅适用于处于层流状态的水流，对水流状态复杂的反冲洗不适用。16、大阻力配水系统和小阻力配水系统的涵义是什么？各有什么优缺点？掌 握大阻力配水系统的基本原理和公式（丿-I +丄| WO.29的推导过程。丿I叫丿1）在配水系统中，如果孔口内压头最大的a孔和c孔出流量相等，则可认 为整个滤池布水是均匀的。由于排水槽上缘水平，可认为冲洗时水流自各孔口流 出后的终点水头在同一水平面上，这一水平面相当于排水槽的水位。孔口内压头 与孔口流出后的重点水头之差，即为水流经孔口、承托层和滤料层的总水头损失, 分别以H a和H'c表示。H c = H a+（V02+Va2）设上述各项水头损失均与流量平方成正比，则有：H a =（S1+ S 2）Qa2（Si+S'z） Qc2式中 Qa孔口 a出流量；Qc孔口 c出流量；5孔口阻力系数。当孔口尺寸和加工精度相同时，各孔口 S1均相同；S 2 , S 2分别为孔口 0和C处承托层及滤料层阻力系数之和。将上式代入式可得：a !1 v2o +v2fl ，5I +s'iQc = J + Qa S+S 2 2gS+S 2山上式可知，两孔口出流量不可能相等。但使Qa尽量接近Qc是可能的。 其措施之一就是减小孔口总面积以增大孔口阻力系数S1O增大S1就削弱了承托 层、滤料层阻力系数及配水系统压力不均匀的影响，这就是“大阻力”的涵义。小阻力配水系统基本原理可从大阻力配水系统原理上引申出来。在式中如 果不以增大孔口阻力系数S1的方法而是减小干管和支管进口流速V0和Va，同样 可使布水趋于均匀。从式可以看出，V0和Va减小到一定程度，等式右边根号 中第2项对布水均匀性的影响将大大削弱。或者说，配水系统总的圧力变化对布 水均匀性的影响将其微，在此基础上，可以减小孔口阻力系数以减小孔口水头损 失。“小阻力”的涵义，即指配水系统中孔口阻力较小，这是相对于“大阻力” 而言的。2）大阻力配水系统的优点是配水均匀性较好。但结构较复杂；孔口水头损 失大，冲洗时动力消耗大；管道易结垢，增加检修困难。此外，对冲洗水头有限 的虹吸滤池和无阀滤池，大阻力配水系统不能采用。小阻力配水系统可克服上述 缺点。17、某天然海砂筛分结果见下表根据设计要求：如产0.54mm,匕0=2.0。 试问筛选滤料时，共需筛除百分之儿天然砂粒（分析砂样200g）筛分实验记录筛孔留在筛上砂量通过该号筛的砂量(mm)质量（g）%质量（g）%水温按15°C解：补填以上表格如下。筛孔(mm)留在筛上砂量通过该号筛的砂量质量(g)%质量(g)%2.360.80.4199.299.61.6518.49.2180.890.41.0040.620.3140.270.10.5985.042.555.227.60.2543.421.711.85.90.219.24.62.61.3筛盘底2.61.3合计200100.0山已知设计要求dio=O.54mm Kso=2.O,则d8o=2xO.54=lO8°按此要求筛选滤料，方法如下:自横坐标0.54mm和1.08mm两点，分别作垂线与筛分曲线相交。自两交点 作平行线与右边纵坐标轴相交，并以此交点作为10%和80%,在10%和80%之 间分成7等分，则每等分为10%的砂量，以此向上下两端延伸，即得0和100% 之点，以此作为新坐标。再自新坐标原点和100%作平行线与筛分曲线相交，在 此两点以内即为所选滤料，余下部分应全部筛除。由图知，大粒径(d>1.52)颗 粒约筛除13.6% ,小粒径(d<0.43)颗粒约筛除17.5% ,共筛除31.1%左右。滤料筛分曲线如下图。0.3：32(艺0.±:上 C.S4C £3.8： ：.C8：N1.416筛孔孔径(mm)19、下表所列控制指标与水质稳定性指标的涵义有何同异?结垢控制参数控制指标CqCO3pHspHo<pHs+ (0.5 2.5)CqSOa溶解度Ca2+xSO42+<500000Ca3 （ P O4 ） 2PfpHo vpHp+1.5MgSiO3溶解度Mg2+xSiO2 <3500