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【复试笔记】市政工程-水质工程

水质工程

总论

  1. 标准常识

    • 饮用水水质标准（GB5749-2021）

      1.常规项42项，非常规项64项 2.微生物指标、毒理指标、感官特征和一般化学指标、放射性指标 3.溶解总固体:10000mg/L；总硬度：450mg/L；耗氧量(按COD Mn计)：3mg/L 4.饮用水消毒剂的常规指标和要求(mg/L)：

      消毒剂名称 游离氯 (30min) 总氯(120min)
      出厂水余量 ≥0.3 ≥0.5
      管网末梢余量 ≥0.05 ≥0.05
      最大允许浓度 4.0 3.0

    • 地表水环境质量标准（GB3838-2002）

      1.集中饮用水源：III类及以上 2.常用项目标准值(mg/L)：

      项目 I类 II类 III类 IV类 V类
      COD Mn 2 4 6 10 15
      COD Cr 15 15 20 30 40
      BOD5 3 3 4 6 10
      氨氮 0.15 0.5 1.0 1.5 2.0
      总P 0.02 0.1 0.2 0.3 0.4
      总N 0.2 0.5 1.0 1.5 2.0

    • 城市污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）

      常用标准值(mg/L)：

      项目 一级A 一级B 二级 三级
      COD 50 60 100 120
      BOD5 10 20 30 60
      氨氮 5(8) 8(15) 25(30) -

      括号外为水温>12℃，括号内为<12℃

  2. 水中杂质分类

    杂质 溶解物 胶体 悬浮物
    颗粒尺寸 0.1-1nm 10-100nm 1-10μm 100μm-1mm
    水的外观 透明 浑浊 浑浊
    分辨工具 电子显微镜 超显微镜 显微镜 肉眼

  3. 污水分类：生活污水、工业废水、初期雨水、城镇污水

  4. 城镇污水排放体制

    合流制：生活污水+工业废水+雨水 半合流制：生活污水+工业废水+初期雨水 分流制：生活污水+工业废水

水质工程上

混凝

  1. 定义：通过投加电解质使水中胶体颗粒及细小的悬浮颗粒相互聚结

  2. 胶体的基础知识

    • 稳定性：动力学稳定性、聚集稳定性
    • 结构形式：胶核→反离子吸附层→反离子扩散层
    • 几个概念：总电位、动电位、双电层结构、电中性
    • DLVO理论：对憎水胶体而言，当两个胶粒接近到扩散层重叠时，便产生静电斥力，突破排斥能峰，胶体即脱稳
    • 带负电：细菌、黏土

  3. 混凝机理

    • 电性中和：

      压缩双电层：增加反离子浓度、强度，压缩扩散层厚度，动电位减至0，无排斥能峰 吸附-电性中和：分子量高的置换分子量低的

    • 吸附架桥：形成“胶粒-高分子-胶粒”絮凝体，过多会产生“胶体保护”

    • 网捕卷扫：机械作用

  4. 混凝控制指标

    • 混合阶段：

      快速：10~30s，不超过2min 剧烈：G=700~1000s-1

    • 絮凝阶段：同向絮凝为主（水力搅拌）

      平均G：20~70s-1 平均GT：104~105

  5. 混凝剂

    • 无机混凝剂：硫酸铝、聚合铝、三氯化铁、硫酸亚铁、聚合铁
    • 有机高分子混凝剂：聚丙烯酰胺PAM、聚氧化乙烯PEO

  6. 助凝剂：当单独使用混凝剂效果不佳时，投加辅助药物提高效果

    • 骨胶、聚丙烯酰胺、活化硅酸、海藻酸钠

  7. 影响因素：温度、pH值与碱度、悬浮物浓度

  8. 混凝剂投加

    • 投加方法：泵前投加、高位溶液池重力投加、水射器投加、泵投加
    • 最佳投加量：达到水质目标的最小投加量
    • 确定投加量方法：数学模型法、现场模拟试验法、特性参数法（流动电流系、透光率脉动）

  9. 混合设备：水泵混合、管式混合、机械搅拌混合、水力混合器

  10. 絮凝设备：隔板絮凝池、折板絮凝池、机械搅拌絮凝池、网格栅条絮凝池

沉淀

  1. 定义：在重力作用下，水中悬浮颗粒从水中分离的过程
  2. 分类：
    • 自由沉淀：分散颗粒自由沉淀、絮凝颗粒自由沉淀
    • 拥挤沉淀：沉速大的颗粒沉到下层，排挤水体向上涌出，相互干扰
    • 压缩沉淀：清水区→浑液面→悬浮物区→污泥区
  3. 理想沉淀池基本假定
    • 颗粒处于自由沉淀状态，互不干扰，沉速不变
    • 水流沿水平方向等速流动
    • 颗粒沉到底部认为被去除
  4. 临界流速/颗粒截留速度U0：颗粒能够全部去除的最小流速

u 0 = H v ⋅ B L ⋅ B = Q A u_0=\frac{Hv·B}{L·B}=\frac{Q}{A} u0​=L⋅BHv⋅B​=AQ​

  1. 去除率：增大颗粒沉速、增大沉淀面积

E = u i Q / A E=\frac{ui}{Q/A} E=Q/Aui​

p = u 1 u 0 d p 1 + u 2 u 0 d p 2 + … + u i u 0 d p i = 1 u 0 ∑ u i d p i p=\frac{u_1}{u_0}dp_1+\frac{u_2}{u_0}dp_2+…+\frac{u_i}{u_0}dp_i=\frac{1}{u_0}\sum{u_idp_i} p=u0​u1​​dp1​+u0​u2​​dp2​+…+u0​ui​​dpi​=u0​1​∑ui​dpi​

  1. 影响沉淀效果的主要因素：短流、层流or紊流、絮凝作用
    • 减小雷诺数、增加弗劳德数
  2. 浅池理论：在沉淀池容积一定的情况下，池深越浅，沉淀面积越大，去除率越高
  3. 高密度沉淀池：特点为污泥回流
  4. 澄清池：集絮凝池与沉淀池于一体
    • 泥渣悬浮型澄清池：悬浮型澄清池、脉冲澄清池
    • 机械搅拌澄清池：由第一絮凝室、第二絮凝室及分离室组成；进水Q，回流为4Q
  5. 气浮：对小、轻颗粒，可采用粘附在导入的气泡，随气泡一并上浮去除
    • 分散空气气浮池
    • 释放溶解空气气浮池：由压力溶气系统、溶气释放系统、气浮分离系统组成

过滤

  1. 定义：水中悬浮颗粒经过具有孔隙的介质被截留分离出来的过程
  2. 原理
    • 颗粒迁移：拦截、扩散、惯性、沉淀、水动力
    • 颗粒粘附：静电斥力、范德华力、化学吸附力
  3. 杂质在滤层中的分布
    • 滤层含污能力：单位体积滤料中的平均含污量
    • 分类：非均匀滤料、双层滤料、三层滤料、均质滤料
    • 上层颗粒密度小，但颗粒粒径大；下层反之
  4. 直接过滤：不经过澄清或沉淀处理直接进入滤池
    • 接触过滤：投加混凝剂后不经过絮凝池
    • 微絮凝过滤：设简单絮凝池
  5. 水力学
    • 等速过滤：单格滤池进水量不变←虹吸滤池、无阀滤池
    • 变速过滤：水头损失不变，即水位高差不变
    • 负水头：任一深度的水深应等于最大水头损失，但当杂质过多，空隙率变小，滤速增大
  6. 滤料
    • 滤料粒径级配：滤料中各种粒径孔径所占的重量比例
    • 有效粒径d10：通过质量10%的筛孔孔径
    • 不均匀系数K80：越小意味着越均匀
    • 滤料筛选：通过筛孔砂量为y，筛孔孔径为x，通过d10和d80筛分

K   80   = d   80   d   10   K~80~=\frac{d~80~}{d~10~} K 80 =d 10 d 80 ​

  1. 滤料层

    单层细砂滤料厚度700~800mm 均匀级配粗砂滤料厚度1200~1500mm

  2. 承托层作用：支承滤料并防止滤料从配水系统流失，均匀布水

  3. 反冲洗

    • 高速水流反冲洗

      滤池膨胀率：膨胀后增加的厚度与膨胀前厚度的比值 最小流态化冲洗速度：滤料层刚刚处于流态化的临界速度 反冲洗强度：单位面积上的冲洗水量 冲洗时间：一般7~8min左右

    • 气水反冲洗

      原理：高速气流扰动摩擦，低速水流排泥

    • 配水配气系统：安装在滤池底部滤料层，承托层之下的布水布气系统

      大阻力配水系统：增大孔口阻力系数S1，削弱承托层、滤料层分布不均匀S2和系统不均匀的影响，使Qa=Qc；常用于普通快滤池，穿孔管；开孔比0.2%-0.25% 小阻力配水系统：适当减少干管支管流速，使水头减小，Qa=Qc；孔板、栅条、长柄滤头；开孔比1.25%~2.5%

    • 供水供气：

      高位水箱、水塔冲洗：容积按1.5倍计算 水泵冲洗、供气

Q c = S 1 + S 2 ‘ S 1 + S 2 ‘ ‘ Q a 2 + 1 S 1 + S 2 ‘ ‘ v g 2 + v z 2 2 g Q_c=\sqrt{\frac{S_1+S_2`}{S_1+S_2``}Q_a^2+\frac{1}{S_1+S_2``}\frac{v_g^2+v_z^2}{2g}} Qc​=S1​+S2​‘‘S1​+S2​‘​Qa2​+S1​+S2​‘‘1​2gvg2​+vz2​​ ​

  1. 滤池分类
    • 阀门个数：四阀滤池、双阀滤池、无阀滤池、虹吸滤池
    • 反冲洗方法：单水反冲洗、气水反冲洗滤池
    • 滤料种类：普通快滤池、V型滤池、虹吸滤池、重力式无阀滤池
  2. 滤池特点
    • 普通快滤池：双层滤料、等水头过滤、单水反冲洗
    • V型滤池：等水头过滤、气水反冲洗、表面扫洗、均质滤料
    • 重力式无阀滤池：无阀虹吸、小阻力配水系统、等速过滤

消毒

  1. 目的：消除水中致病微生物，如病菌、病毒及原生动物胞囊（非消灭所有）

  2. 氯消毒：凡是能在水中产生HClO消毒的氯均称为氯消毒

    • 自由氯：Cl-、ClO-、HClO

    • 化合氯：氯胺

      消毒效果：二氯胺>一氯铵>三氯胺 氯胺消毒作用缓慢，但持续时间长

    • 加氯量=需氯量+余氯量

      需氯量：灭活水中致病微生物、氧化有机物和还原性物质 余氯量：抑制水中残余病原微生物再度繁殖 含有氨氮时：折点加氯——无余氯区→化合性余氯区→化合性余氯分解区→折点后余氯区；一氯铵与次氯酸氧化还原反应，产生折点

    • 自由余氯法：即折点氯化法，过去用的多，易产生三卤甲烷、卤乙酸等消毒副产物

    • 氯氨消毒：

      先加氯，再加氨：余氯持久 先加氨，再加氯：避免产生氨酚恶臭

    • 投加点：

      滤前氯化/预氯化：防止滋生青苔、延长氯胺消毒的接触时间 混凝剂加氯：氧化，提高混凝效果

    • 泄漏及处置：碱液

  3. 二氧化氯消毒

    • 制取方法：亚氯酸钠+酸/Cl2
    • 优点：
      1. 不会产生三卤甲烷；
      2. 消毒效果好、持续时间长；
      3. 不会产生氯酚、还能去色度
    • 缺点：产生ClO-有毒，价格高

  4. 臭氧消毒

    • 优点：
      1. 消毒能力强：臭氧>二氧化氯>氯>氯胺
      2. 不会产生三卤甲烷和卤乙酸
      3. 消毒后水口感好
    • 缺点：
      1. 臭氧易分解；系统设备复杂，电耗高
      2. 产生溴酸盐、产生醛类

微污染水源的预处理和深度处理

  1. 目的：去除常规处理中难以处理的氨氮及有机污染物
  2. 方法：化学氧化法、生物处理法、活性炭吸附及膜分离法
  3. 活性炭吸附：
    • 特点：具有孔隙结构和强大的比表面积，非极性
    • 吸附原理：物理吸附(单分子层、多分子层)、化学吸附、离子交换吸附
    • 吸附容量：在恒定温度下，单位质量活性炭，在达到吸附平衡时所能吸附的物质量
    • 吸附等温式：吸附容量qe与平衡浓度Ce的关系

q e = V ( C 0 − C e ) m ( m g / g ) q_e=\frac{V(C_0-C_e)}{m}(mg/g) qe​=mV(C0​−Ce​)​(mg/g)

伏 罗 因 德 利 希 ： q e = K C e 1 n 伏罗因德利希：q_e=KC_e^\frac{1}{n} 伏罗因德利希：qe​=KCen1​​

朗 格 缪 尔 ： q e = b q 0 C e 1 + b C e 朗格缪尔：q_e=\frac{bq^0C_e}{1+bC_e} 朗格缪尔：qe​=1+bCe​bq0Ce​​

  1. GAC在水处理中的应用
    • 接触时间：活性炭床容积除以流量
    • 泄漏时间：流量一定时，开始进水到出水至不符合水质要求的时间
    • 泄漏：出水浓度达到最大允许值Ce
    • 耗竭：出水浓度等于95%进水浓度时的点Cd
    • 泄漏曲线：越陡越好，表示活性炭床比较均匀，下层发挥作用
  2. 再生：恢复活性炭的吸附性能

水质工程中

膜分离法

  1. 定义：在某种推动力下，利用特定膜的透过性能，达到分离水中离子和分子的目的

    种类 推动力 透过物 截留物 膜孔径
    电渗析 电位差 电解质 非电解质 -
    反渗透 压力差 水 悬+溶+大分子 <1nm
    纳滤 压力差 水 悬+溶+大分子 1-10nm
    超滤 压力差 水、盐 悬+胶 10-100nm
    微滤 压力差 水、溶解性 悬浮物 >100nm
    • 低压膜：UF、MF→砂滤
    • 高压膜：NF、RO→臭氧活性炭

  2. 截留分子量：用一种已知分子量的物质来测定膜的孔径，当90%的物质被截留，则该物质的分子量为截留分子量

  3. 海水的质量浓度：3.4%；苦咸水的质量浓度小

  4. 纳滤膜与反渗透具有类似性质，又称为：低压反渗透膜；疏松型反渗透膜

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