水质工程学1第二次作业

思考题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，用吸引势能EA表示，与x成反比。当0a<x<oc时,排斥势能占优势,x=0b时,排斥势能优势最明显,用Emax表示，称排斥能峰。只有当x<0a时,吸引势能随间距急剧增大,凝聚才会发生。要使两胶粒表面间距小于0a，布朗运动的动能首先要能克服排斥能峰Emax才行。然而，胶体布朗运的动能远小于Emax，两胶粒之间距离无法靠近到Oa以内，故胶体处于分散稳定状态。 对于亲水胶体(如有机胶体或高分子物质)而言，水化作用确是胶体聚集稳定性的主要原因。它们的水化作用往往来源于粒子表面极性基团对水分子的强烈吸附，使粒子周围包裹一层较厚的水化膜阻碍胶粒相互靠近。3.高分子混凝剂投量过多时，为什么混凝效果反而不好？ 答：如投加量过大时，胶体颗粒表面被高分子所覆盖，两胶粒接近时，受到胶粒与胶粒之间因高分子压缩变形产生的反弹力和带电高分子之间的静电排斥力，使胶体不能聚集。 最佳投量应是既能把胶粒快速絮凝起来，又可使絮凝起来的最大胶粒不易脱落。6.为什么有时需将PAM在碱化条件下水解成HPAM？PAM水解度是何涵义？一般要求水解度为多少？ 答：PAM聚丙烯酰胺，混凝效果在于对胶体表面具有强烈的吸附作用，在胶粒之间形成桥联。由于酰胺基之间的氢键作用，线性分子往往不能充分伸展开来，致使桥架作用消弱。为此，通常将PAM在碱性条件下（pH>10）进行部分水解，生成阴离子型水解聚合物（HPAM）PAM水解度：由酰胺基转化为羟基的百分数称水解度。一般控制水解度在30%-40%较好。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值表示速度梯度，控制混凝效果的水力条件，反映能量消耗概念。 旧的G值和GT值变化幅度很大，从而失去控制意义。而且按公式求得的G值，并未反应有效功率消耗。11.影响混凝效果的主要因素有哪几种？这些因素是如何影响混凝效果的？ 影响混凝效果的主要因素有水温，水的PH值和碱度及水中悬浮物浓度、有机物污染水温：a.无机盐的水解是吸热反应，低温水混凝剂水解困难；b.低温水的粘度大，使水中杂质颗粒布朗运动强度减弱，碰撞机会减少，不利于胶粒脱稳凝聚； c.水温低时胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶体混凝； d.水温与水的PH值有关。 PH值：水的PH对混凝效果的影响很大。一方面，不同的PH值下胶体颗粒的表面电荷和电位不同，所需要的混凝剂量也不同；另一方面，水的pH对混凝剂的水解反应有显著影响。 水的碱度：当原水碱度不足或混凝剂投量甚高时，水的pH值将大幅度下降以至影响混凝剂继续水解。如果水的PH值超出混凝剂最佳混凝pH值范围，将使混凝效果受到显著影响。 悬浮物浓度：含量过低时，颗粒碰撞速率大大减小，混凝效果差。含量高时，所需铝盐或铁盐混凝剂量将大大增加。 水中有机污染物的影响：水中中有机物对胶体有保护稳定作用，阻碍胶体颗粒之间的碰撞，阻碍混凝剂与胶体颗粒之间的脱稳凝聚作用。 此外，混凝剂种类与投加量、混凝剂投加方式、水力条件对混凝效果的影响都是非常显著的。要根据水质情况和所投加的混凝剂优化选择。13.何谓混凝剂“最佳剂量”？如何确定最佳剂量并实施自动控制？ 答：混凝剂“最佳剂量”，即混凝剂的最佳投加量，是指达到既定水质目标的最小混凝剂投加量。目前问过大多数水厂还是根据实验室混凝搅拌试验确定混凝剂最佳剂量，然后进行人工调整。这种方法虽然简单易行，但实验结果到生产调节往往滞后，且试验条件与生产条件也很难一致，故试验所得最佳剂量未必是生产上的最佳剂量。混凝工艺的自动控制技术正逐步推广应用，主要有数学模型法、现场模拟实验法、特性参数法等习题1.河水总碱度0.1mmol/L（按CaO计），硫酸铝（含Al2O3约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？设水厂每日生产水量50000m3，试问水厂每天约需要多少千克石灰（石灰纯度按50计）？ 解：（1）由于要保证硫酸铝顺利水解需要0.250.50 mmol/L的剩余碱度。而河水中只有0.1 mmol/L的碱度，故需要投加石灰以保证硫酸铝顺利水解 （2） 投药量折合Al2O3为 25mg/L×164mg/L，Al2O3分子量为102，故投药量相当于4/102=0.039 mmol/L，剩余碱度取0.35mmol/L，则得： CaO=3×0.0390.1+0.350.37 mmol/L CaO分子量为56，则市售石灰投量为：0.37×56×50000/0.5×1000=2072kg 2.设聚合铝A12(OH)n?Cl6-nm在制备过程中，控制m5，n4，试求该聚合铝的碱化度为多少？ 解：B=【OH】/3*【AL】×100%=20/30=66.7%3.某水厂采用精制硫酸铝作为混凝剂，其最大投量为35 mg/L。水厂设计水量100000m3/d。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？ 解：溶液池体积为 W2=24×100aQ/1000×1000cn=aQ/417cn=35×100000/417×10×3×24=11.66m3 溶解池体积为W1=0.3W2=3.5m34.隔板絮凝池设计流量为75000m3/d。絮凝池有效容积为1100m3,絮凝池总水头损失为0.26m。求絮凝池总的平均速度梯度G值利GT值各为多少?(水厂自用水量为5%）解: Q=75000×1.05=09115T=V/Q=1100/09115=12068S 45.76GT=45.76×1206.8=55220.58 20<G<70. 10000<GT<100000 5.某机械絮凝池分成三格。各格有效尺寸为26m(宽)×2.6m(长)×42m(深)。每格设一台垂直轴浆板搅拌器,构造按图15-21,设各部分尺寸为:r2=1050m;浆板长1400mm,宽120mm,ro=525mm。叶轮中心点旋转线速度为: 第一格V1=0.5m/s第二格v2=032m/s第三格v3=02m/s 求:3台搅拌机所需搅拌功率及相应的平均速度梯度G值(水温按20计)。 解:设桨板相对于水流的线速度等于桨板旋转线速度的0.75倍,则相对于水流的叶轮转速为 6.设原水悬浮物体积浓度5×10-5。假定悬浮颗粒粒径均匀，有效碰撞系数1，水温按15计。设计流量Q360m3/h。搅拌功率（或功率消耗）P=195W。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降低百分之几？ （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）相同。搅拌功率仍为195W，设3座絮凝池搅拌功率分别为：P1=100W，P2=60W，P3=35W，试问颗粒数量浓度最后降低百分之几？解:(1):采用PF型反应器 V=QT=360×15/60=90 p=195/90=2.17 15°C时,=1.14×103Pa·S,则43.6 采用公式 6.37× 12.17 所以水中颗粒数量浓度将降低1-1/12.17=91.78% (2) 用3座同体积机械絮凝池串联,则 195W G=43.6 T=3t=15min, t=5min=300s 300