【复试笔记】市政工程-水质工程

水质工程

总论

标准常识
- 生活饮用水水质标准（GB5749-2021）
  
  1.常规项42项，非常规项64项
  2.四大类指标：微生物指标、毒理指标、感官性状和一般化学指标、放射性指标
  3.溶解性总固体：1000mg/L；总硬度：450mg/L；耗氧量(按COD Mn计)：3mg/L
  4.饮用水消毒剂常规指标及要求(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.集中式生活饮用水水源地：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
- 城镇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℃
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
污水分类：生活污水、工业废水、初期雨水、城镇污水
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

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

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

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)	-

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

水质工程上

混凝

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
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
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
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：10^4~105
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
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
影响因素：温度、pH值与碱度、悬浮物浓度
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）
混合设备：水泵混合、管式混合、机械搅拌混合、水力混合器
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

定义：在重力作用下，水中悬浮颗粒从水中分离的过程
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
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
临界流速/颗粒截留速度U0：颗粒能够全部去除的最小流速

$u_0=\frac{Hv·B}{L·B}=\frac{Q}{A}$

去除率：增大颗粒沉速、增大沉淀面积

$E=\frac{ui}{Q/A}$

$p=\frac{u_1}{u_0}dp_1+\frac{u_2}{u_0}dp_2+…+\frac{u_i}{u_0}dp_i=\frac{1}{u_0}\sum{u_idp_i}$

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
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
高密度沉淀池：特点为污泥回流
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
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

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
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
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
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
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
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

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

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
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
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

$Q_c=\sqrt{\frac{S_1+S_2`}{S_1+S_2``}Q_a^2+\frac{1}{S_1+S_2``}\frac{v_g^2+v_z^2}{2g}}$

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
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

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）
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
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
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

目的：去除常规处理中难以处理的氨氮及有机污染物
方法：化学氧化法、生物处理法、活性炭吸附及膜分离法
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

$q_e=\frac{V(C_0-C_e)}{m}(mg/g)$

$伏罗因德利希：q_e=KC_e^\frac{1}{n}$

$朗格缪尔：q_e=\frac{bq^0C_e}{1+bC_e}$

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
再生：恢复活性炭的吸附性能

水质工程中

膜分离法

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

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
海水的质量浓度：3.4%；苦咸水的质量浓度小
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
反渗透和纳滤工艺系统
- 级：淡水连续通过的膜组件→提高脱盐率，提高水质
- 段：浓水连续通过的膜组件→提高水的回收率
- 污染指数FI：用有效直径42.7mm，孔隙直径0.45μm的微孔膜，在0.2MPa的压力下测定最初500ml水所需要的时间t1，继续过滤15min后，再测定500ml水所需要的时间t2；目的是计算滤膜堵塞程度
微滤和超滤
- 过滤模式：
  
  终端过滤：微滤、超滤
  错流过滤：微滤、超滤、反渗透、纳滤
- 浓差极化：膜面浓度高于溶质主体溶液浓度，促使反向扩散
电渗析
- 原理：在外加电流的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，使阴阳离子定向迁移
- 组装：
  
  膜对：一对阴、阳膜和一堆浓、淡水隔板交替排列
  级：一对电极之间的膜堆
  段：具有同向水流的并联膜堆
- 电流效率、极限电流效率、极化（阳膜淡室）、沉淀（阴膜浓室）

地下水水处理

除铁方法：
- 空气自然氧化法：充氧曝气，使亚铁离子氧化成铁离子
- 接触催化氧化法：除铁滤池滤料表面形成氢氧化铁铁质活性滤膜，作催化剂（自催化）
除锰方法：自催化、先除铁再除锰
除氟：活性氧化铝法、骨炭法
除砷：标准最高0.01mg/L；混凝沉淀法除砷；活性氧化铝除砷

水的软化与除盐

软化：降低水的硬度
- 总硬度：水中钙、镁离子的总含量
- 碳酸盐硬度/暂时硬度：加热时易析出
- 非碳酸硬度/永久硬度：加热时不沉淀析出
药剂软化法：
1. 石灰软化：+CaO；无法去除非碳酸硬度
2. 石灰-苏打软化：+CaO+Na₂CO₃；去除非碳酸硬度；适用于硬度>碱度的水
离子交换树脂
- 离子交换树脂：有大分子骨架母体+活性基团组成的不溶性高分子化合物
- 实质：不溶性的电解质与溶液中的另一种电解质进行的化学反应
- 性质：
  
  湿真密度：不包括孔隙，即本身密度
  湿视密度：包括孔隙，即堆积起来的密度
  全交换容量/工作交换容量
- 原子价越高、分子量越大，亲和力越大
离子交换软化方法与系统：
1. Na离子交换法：不产生酸水；再生剂食盐；防腐简单
2. H离子交换法：除碱度、产生酸水；无法单独使用
3. H-Na离子交换脱碱软化法：软化+脱碱；串联曲线；并联
系统：顺流再生固定床、逆流再生固定床（再生液与交换液的方向）
咸水淡化和除盐：去除水中离子
- 概念：电阻率（Ω·cm）、电导率；纯水电阻率18.3×10⁶
- 纯度：淡化水、脱盐水(蒸馏水)、纯水(去离子水)、高纯水
- 阴离子交换树脂：用-OH换阴离子
  
  强碱树脂除硅要求：进水呈酸性；进水漏钠量要低；再生条件高
  运行终点会有电导率瞬时下降：硅酸泄漏，与氢氧化钠反应，生成硅酸钠+碳酸氢钠
除盐方法：
- 复床除盐：阳、阴离子交换器串联使用
  1. 强酸-脱气-强碱系统：酸在前(沉淀、脱气、除硅、抗腐蚀好)
  2. 强酸-脱气-弱碱-强碱系统：弱碱除强酸阴离子
- 混合床除盐：无数个复床堆叠

水的冷却

M_水=18g/mol，M_干空气=29g/mol；故ρ_水<ρ_湿空气<ρ_干空气

水质工程下

水体自净：氧垂曲线
概述
- 一级处理：去除悬浮状态的固体污染物质，如物理处理
- 二级处理：去除溶解或胶体有机物及营养盐等污染物质，如生物处理

物理处理

格栅与筛网：一组金属栅条/金属滤网组成
沉砂池：平流式、曝气、旋流式；去除无机悬浮物
沉淀池：平流式、竖流式、幅流式、斜管斜板
- 初沉池：有机悬浮物SS+部分BOD₅
- 二沉池：用于活性污泥法或生物膜法之后，沉淀分离污泥并提供污泥回流

生物处理概论

微生物生长规律：停滞期-对数生长期-静止期-衰亡期；控制在静止期或衰亡期前期
微生物氮、磷营养：BOD₅：N：P=100:5:1
几种常见的微生物：
- 硝化(好氧自养)：碳源CO₂；电子供体NH₃、NO^-₂；电子受体O₂；产物硝酸根、亚硝酸根
- 反硝化(兼性厌氧)：碳源有机物；电子供体有机物；受体硝酸根、亚硝酸根；产物N₂、CO₂、H₂O
酶：活细菌细胞产生的一类具有高度催化专一性的特殊蛋白质
- 特性：催化效率高、专一性、前后数量和性质不变、高度敏感性
- 米氏方程：

$v=v_max\frac{[S]}{Km+[S]}$

总氮=总有机氮+氨氮+硝态氮+亚硝态氮=凯氏氮+硝态氮+亚硝态氮

活性污泥法

活性污泥：在充分供氧下，微生物以污水中的有机物为食料，进行新陈代谢，微生物通过合成作用大量繁殖，形成具有絮凝能力和沉降性能的“活性污泥”
基本流程：曝气池→沉淀池→污泥回流→剩余污泥排除系统
主要评价指标：
- 混合液悬浮固体MLSS=微生物+代谢产物+不可生物降解的有机悬浮物+吸附菌胶团的无机悬浮物
- 混合液挥发性悬浮固体MLVSS：不包括无机悬浮物，表示有机物浓度
- 污泥沉降比SV%：30min沉降率
- 污泥指数SVI
- 污泥泥龄θ_c
双膜理论：气液界面上存在气膜和液膜，这两层薄膜使气体分子从一相进入另一相形成了阻力
氧化沟：污水和污泥混合液在环状的曝气渠道中不断循环流动
序批式活性污泥法：进水、反应、沉淀、出水、闲置
污泥膨胀：丝状菌膨胀、FM比不合理、结构松散
A²O工艺：厌氧池+缺氧池+好氧池
- 厌氧释磷：污水中磷升高，BOD₅下降，氨氮下降
- 缺氧脱氮：反硝化菌反硝化亚硝酸和硝酸根至N₂，BOD₅下降，P不变
- 好氧吸磷：有机氮被氨化硝化，氨氮下降，硝氮增加，磷被聚磷菌吸收下降