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水处理作业

水的物化处理作业

项文力090430

第一章超纯水及其制备

20℃时测得纯水电阻率（MΩ·cm）为16，换算成25℃时的电阻率？

解：

20℃时测得纯水电导率为：

L20℃=1/16μΩ-1·cm-1=μΩ-1·cm-1；

Lt=Le（t）+Lp（t）；Le（25℃）=kt*Le（t）=kt*（Lt-Lp（t））=k20℃*（L20℃-Lp（20℃））；

∴L25℃=Le（25℃）+Lp（25℃）=k20℃*（L20℃-Lp（20℃））+Lp（25℃）；

∴ρ25℃=1/L25℃=1/[k20℃*（L20℃-Lp（20℃））+Lp（25℃）]；

查表得：

k20℃=；Lp（20℃）=μΩ-1·cm-1；Lp（25℃）=μΩ-1·cm-1；

∴ρ25℃=1/[k20℃*（L20℃-Lp（20℃））+Lp（25℃）]=

=MΩ·cm

第二章传质与物料平衡原理

多相反应模型：

如图为淹没式生物活性炭滤池，试建立数学模型，假定生物反应为一级反应

，其他参数自行假定。

图淹没式生物活性炭滤池

解：

如图，在滤柱上取一段ΔL，在AΔL这一体积微元内，建立污染物的物料衡算方程。

主体溶液中污染物的变化量等于活性炭表面生物膜反应的量。

假定微元内单位体积生物膜表面积为F，污染物进入生物膜表面的通量为NΔ，则：

-QΔS=AΔL·F·NΔ

∴

，微元趋于无限小时，

假定活性炭的空隙率为ε，比表面积为e，则：

F=（1-ε）e；

∵污染物到达生物膜后才发生反应，反应速率为一级反应

，而NΔ为污染物的通量，进入生物膜表面由于反应而消失，消失速率即反应速率，

∴-NΔ=

；

∴

第三章离子交换理论

用离子交换法从CuSO4废液中回收Cu，废液含Cu2+为20mgN/L，处理水量3.78m3/h。

要求Cu2+回收率为99%，参考有关资料，当水流速度u=22m/h，Kfav=1500h-1；固定床装填强酸性阳离子交换树脂ρb=350kg/m3。

总交换容量≥g，经过酸再生后，残余Cu2+为g，试计算交换带宽度；若树脂层高为，估算树脂层运行时间。

表1Cu2+--H+平衡数据

Cu2+初始浓度/mgN/L

平衡浓度/mgN/L

解：

（a）交换带宽度：

由已知得，废液的初始浓度C0=20mgN/L，终了浓度C2=20*=L，树脂初始吸附量q2=g，终了吸附量取q0=。

表2数据计算

Cu2+初始浓度CmgN/L

平衡浓度CemgN/L

C-Ce

1/（C-Ce）

△C

1/（C-Ce）平均值

△C/（C-Ce）平均值

由表2得，

Za=。

（b）树脂层运行时间：

由已知得，树脂层高h为，

第三章活性炭吸附

3-1某工业废水的pH为，用活性炭直接吸附其中有机物。

用A、B、C三种活性炭在一升水样中加不同量的有机物进行吸附实验。

加活性炭1g。

平衡浓度的实验结果见表3-1-1，容积传质系数ka的实验见表3-1-2。

（a）求每种活性炭所适用的吸附公式及相应的公式中的常数。

（b）求每种活性炭的容积传质系数ka。

活性炭的容重皆用300kg/m3。

表3-1-1平衡浓度试验

TOC初始浓度/mg/L

平衡浓度/mg/L

炭A

炭B

炭C

160

320

640

1280

1180

2560

2460

表3-1-2容积传质系数实验TOC初始浓度=320mg/L

时间/s

TOC浓度/mg/L

炭A

炭B

炭C

313

307

312

305

311

302

286

258

216

170

296

278

292

274

254

233

239

207

解：

（a）求每种活性炭所适用的吸附公式及相应的公式中的常数：

首先判断活性炭A、B、C是否符合langmuir公式：

由吸附量试验数据得吸附量数据，见表3-1-3。

1g活性炭的吸附量即是（ρ-ρe），相当于吸附等温线的x/m。

用吸附量x/m和平衡浓度ρe绘制吸附等温线，见图3-1-1。

表3-1-3平衡浓度试验数据

TOC初始浓度ρmg/L

平衡浓度ρemg/L

吸附量x/mmg/g

炭A

炭B

炭C

炭A

炭B

炭C

160

320

640

1280

2560

1180

2460

图3-1-1langmuir吸附等温线

从图3-1-1可以看出：

活性炭A、C符合langmuir吸附等温线，而活性炭B偏差较大，需通过直线回归作图进一步验证。

从表3-1-1中数据可以看出ρe值基本上都大于1mg/L，利用langmuir公式的变形公式，需作～ρe关系曲线：

计算，列于表3-1-4，以平衡浓度ρe为横坐标，为纵坐标进行直线回归做图3-1-2。

表3-1-4～ρe数据

平衡浓度ρe（mg/L）

（g/L）

炭A

炭B

炭C

炭A

炭B

炭C

1180

2460

图3-1-2langmuir回归直线

由图3-1-2得，R代表拟合程度，越接近于1，表明拟合越准确，炭A、C的R值都为1，说明适合langmuir公式，而炭B需要进一步验证。

由langnuir公式的变形及及图3-1-2的拟合方程知：

对于炭A：

。

，即mg/g，b=。

所以，炭A的吸附等温线公式为：

。

同理可知炭C：

，，可得mg/g，b=，炭C的吸附等温线公式为：

。

判断炭B是否符合Freundlich公式：

利用Freundlich公式的变形，根据表3-1-3数据计算lgρe，lg（x/m）列于表3-1-5，并作lg（x/m）～lgρe关系曲线，如图3-1-3所示。

表3-1-5Frendlich数据

lgρe

lg（x/m）

图3-1-3Freundlich公式回归直线

从图3-1-3可得，活性炭B更符合Freundlich公式。

由Freundlich公式的变形知：

，，即。

R2=，接近于1，拟合较准确，所以炭B的吸附等温线公式为：

。

活性炭A、B、C的吸附等温线公式为：

炭A：

；

炭B：

；

炭C：

，其中，--吸附量mg/g，ρe--平衡浓度mg/L。

（b）求每种活性炭的容积传质系数ka:

对给定的数据计算列于下表3-1-6，利用公式，作lg（ρi-ρe）/ρ-ρe～t关系曲线，如图3-1-4。

表3-1-6容积传质系数实验TOC初始浓度=320mg/L

时间/s

TOC浓度（mg/L）

ρi

ρe

ρi-ρe

炭A

炭B

炭C

炭A

炭B

炭C

炭A

炭B

炭C

313

307

312

305

311

302

320

296

278

292

274

286

258

320

254

233

239

207

216

170

320

ρ-ρe

（ρi-ρe）/ρ-ρe

lg（ρi-ρe）/ρ-ρe

炭A

炭B

炭C

炭A

炭B

炭C

炭A

炭B

炭C

图3-1-4活性炭的容积传质系数ka

由公式，其中，m=1g，ρc=300kg/m3：

活性炭A：

即ka=20.66g/s·dm3=20.66kg/s·m3

活性炭B：

即ka=17.69g/s·dm3=17.69kg/s·m3

活性炭C：

即ka=15.41g/s·dm3=15.41kg/s·m3

3-2用上题活性炭试验资料设计吸附柱。

废液通量为1kg/m2·s。

吸附柱高10米。

废液TOC浓度为100mg/L。

ρb及ρx分别采用5mg/L及95mg/L。

求每种活性炭的吸附柱的吸附周期。

解：

（a）求吸附带高度：

由上题可知，活性炭A、B、C的吸附等温线公式为：

活性炭A：

；

活性炭B：

；

活性炭C：

。

其中，--吸附量mg/g，ρe--平衡浓度mg/L。

由废液TOC浓度ρi=100mg/L，代入活性炭A、B、C的吸附等温式可求得（x/m）i，即得活性炭A、B、C操作线的斜率，操作线通过原点，可得活性炭A、B、C的操作线方程分别为：

活性炭A：

x/m=ρ；

活性炭B：

x/m=ρ；

活性炭C：

x/m=ρ。

分别从5mg/L到95mg/L之间每间隔10取一系列ρ。

由操作线方程和吸附等温线公式联立求解，即可得到ρe，废液TOC浓度ρi=100mg/L，见表3-2-1。

表3-2-1计算数据表

ρe

ρ/ρi

1-（ρ/ρi）

1-（ρ/ρi）平均值

ρ-ρe

1/（ρ-ρe）

炭A、B、C

炭A

炭B

炭C

炭A、B、C

炭A

炭B

炭C

炭A

炭B

炭C

1/（ρ-ρe）平均值

△ρ/（ρ-ρe）

∑△ρ/（ρ-ρe）（y*ka/Fm）

炭A

炭B

炭C

炭A

炭B

炭C

炭A

炭B

炭C

y/δ

△（y/δ）

f即（5）*（12）

炭A

炭B

炭C

炭A

炭B

炭C

炭A

炭B

炭C

∑f

由上题可知：

活性炭A：

ka=20.66kg/s·m3

活性炭B：

ka=17.69kg/s·m3

活性炭C：

ka==15.41kg/s·m3

废液通量Fm为1kg/m2·s。

对于活性炭A:

，以ka及Fm代入得δ=（）=0.17m。

对于活性炭B:

，以ka及Fm代入得δ=（）=0.22m。

对于活性炭C:

，以ka及Fm代入得δ=（）=0.22m。

（b）吸附柱有效吸附容量

活性炭A、B、C在浓度为100mg/L时的x/m值为g，g，g。

则1m2面积10m高的吸附柱有效吸附容量为：

活性炭A：

活性炭B：

活性炭C：

（c）吸附周期

按有机物全部被去除估计，即100mg/g，每秒每m2去除量为1L100mg/L=100mg，吸附周期为：

活性炭A:

活性炭B:

活性炭C:

3-3吸附柱的处理系统见图3-3-1。

废水流量为50L/s，TOC浓度为350mg/L。

要求出水TOC浓度小于3mg/L。

活性炭吸附试验的数据见表3-3-1（1L水加活性炭1g）；求每分钟再生活性炭的质量。

图3-3-1流化床连续再生吸附系统

解：

由已知数据计算吸附量（ρi-ρe）/m，其中m=1g，见表3-3-1。

并作吸附等温线，如图3-3-2。

表3-3-1吸附试验数据及计算数据

初始浓度ρi（mg/L）

平衡浓度ρe（mg/L）

吸附量（ρi-ρe）/m（mg/g）

120

160

240

115

125

图3-3-2吸附等温线

由图3-3-2可得，当平衡浓度为3mg/L时，吸附量约为51mg/g。

设每分钟再生活性炭的质量为M，由物料衡算得：

50×（350-3）=M（51-0）

M=s=min

第五章反应器设计理论

某水采用CSTR反应器进行预消毒实验，当投氯量为一定值时，细菌杀灭速率为一级反应，且k=，求细菌被灭99%所需杀毒时间为多少。

解：

对CSTR反应器有：

由题意可得：

cA=1%；cAi=1；k=。

带入上式可解得：

θ=

即所需杀毒时间为。

采用与前题同体积的PF反应器，其他条件均相同，求去除率为99%所花的时间。

解：

对PF反应器有：

由题意可得：

c0=1%；ci=1；k=。

带入上式可解得：

θ=

即所需杀毒时间为。

采用两只CSTR反应器串联，其他条件与上题均相同，求去除率为99%所花的时间。

解：

对二级阶式CSTR反应器有：

由题意可得：

c2=1%；ci=1；k=。

带入上式可解得：

θ=

即所需杀毒时间为。

2-7证明图2-21的曲线在t/θ=n-1处（n>1）有一极大值。

证明：

2-8脉冲信号的反应器出口示踪剂浓度见表2-8，求反应器的E（t）曲线。

表2-8示踪剂的出口浓度

时间/min

示踪剂出口浓度/g·L-1

解：

先计算示踪剂的总量有：

m=Q×5++++++=70Q。

则由上结果列表如下：

时间ti/min

示踪剂出口浓度ρi/g·L-1

E（t）=Qρ（t）/m

E（t）平均值

0．0057

做出E（t曲线）如下，

2-9假定例题2-2中水流线通过CSTR后通过活塞流部分，同样求反应器整体的E（t）曲线。

解：

当0

此时E（t）=0；F（t）=0；

当t>（1-f）（V/Q）时，实际时间为t+（1-f）V/Q，代入式（2-64）（2-66）（2-67）有：

2-11反应器同习题2-8，反应物为一级反应，k=，计算反应器出水中残余浓度的百分数。

解：

有题2-8所得E（t）函数

E（t）

又知，CA=CA0e-kt，式中，CA0为t=0时的CA值。

则有

式中，k=

计算kt，e-kt，e-ktE（t）Δt得下表：

时间t/min

E（t）平均值

e-kt

e-ktE（t）Δ

∴实际的反应器出水中，残余浓度百分数为%。

2-18活塞流反应器与CSTR串联运行。

反应速率为r=kCa。

比较在下列条件下先活塞流次CSTR与先CSTR次活塞流的转化率：

（a）α=0

（b）0<α<1

（c）α=1

（d）α>1

解：

由题知：

对CSTR有反应器有物料平衡方程

同理，对PF反应器有：

当先活塞流次CSTR时，令PF中C0与CSTR中的Ci相等，则有

当先CSTR次活塞流时，令CSTR中C0与PF中Ci相等，则有

（a）当α=0时；

kθ+Ci=1

1-kθ=Ci

所以两种去除率相同。

（b）当0<α<1时；

所以知先活塞流次CSTR时去除率较高；

（c）当α=1时

1=1

所以去除率无法比较；

（d）当α>1时

所以只先CSTR次活塞流时去除率较高。

第七章沉淀

证明图5-38中，uρ线为Ψt的一条渐近线。

证明：

Ψt=Ψb+uρ=vρ+uρ，

对上式求导得：

，

当ρ→∞时，v→0，则

；

而uρ线的斜率也为u，故Ψt-uρ=Ψb→0，

则uρ线为Ψt的一条渐近线。

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