水环境化学习题简答

第一章水产养殖与水环境污染

1、概念

(1) 渔业

是指鱼、虾、贝、藻等水生动植物的养殖、捕获、加工或销售的工业或职业。

(2) 水产养殖业

包括海水养殖和淡水养殖，是人类利用海水与淡水养殖水域，采取改良环境、清除敌害、人工繁育与放养苗种、施肥培养天然饵料、投喂饵料、调控水质、防治病害、设置各种设施与繁殖保护等系列科学管理措施，促进养殖对象快速生长发育，最终获得鱼类、虾蟹类、贝类与棘皮动物、藻类及两栖类于爬行类等水产品的生产事业。

(3) 污染

污染是指任何人类活动所导致的空气、水、土壤、海洋、湖泊、森林或城市环境的物理、化学、或生物学性能的改变，从而导致社会经济的病态效应。水产养殖本身可以被污染，也可以导致污染。

2、回答问题

(1) 图示集约化水产养殖产生废物的工业模型。

(2) 图示采用环境技术转化废物为资源的生态养殖。

(3) 生态养殖系统具有的特征。

1)、保护自然生态系统的形态和功能；

2)、大多数能源来自可再生的资源，如太阳能、风、水、生物量；

3)、是蛋白质的生产者，依靠低值的动植物蛋白作为饲料；

4)、不产生营养物和化学污染；

5)、进行营养物循环利用和再生的系统研究；

6)、生态系修复和强化计划；

7)、与农业结合；

8)、不使用对人体有害或对生态系统健康产生影响的化学品或抗生素；

9)、养殖本地或长期居住的土著生物种类；

10)、发展强化型渔业；

11)、全球伙伴关系，形成世界性信息。

(4) 与水产养殖有关的环境问题。

水产养殖产生的有机性废物可以造成水域富营养化。细菌数量增加，降低氧气含量，发展赤潮或藻类水华，恶臭，鱼类异味，水不能饮用，等。

水产养殖用药还可以对水域产生各种生态毒理学效应。如急慢性毒性、生物区系改变，等。

(5) 集约化水产养殖系统中来源于饲料的废物。

1)、未被摄食的残饵，即食物废物；

2)、养殖生物排泄的未被消化的食物残渣，即粪便；

3)、来自饲料和粪便的溶解态营养盐；

4)、饲料中添加且未被养殖生物利用的抗微生物剂和促生长剂、诱食剂等药物；

5)、养殖生物生命过程中向水中分泌的物质。

(6) 水产养殖中残留化学品的分类。

1)、化学治疗剂

抗生素类，如青霉素、土霉素、氯霉素及磺胺类等；

杀寄生虫剂、杀真菌剂

2)、杀藻剂；

3)、其他类有毒有害化合物，如氯代烃类、有机锡等。

(7) 试描述循环系统养殖并图示其工艺流程。

在该养殖系统中几乎全部是为养殖生物提供人工环境，其中95～99%的水流是循环的，在水流回养殖槽前经过过滤和净化处理，并且人工控制温度和光照状况。与其他大多数水产养殖系统相比，循环系统养殖的优点是节约用水，并可保证养殖生物的全年供应。

循环系统养殖的组成部分及工艺流程见下图。

第二章养殖废水处理基本原理

1、概念

(1) 过滤

在水处理技术中过滤是指以具有孔隙的粒状滤料填充容器，使其截留水中杂质从而使水澄清的工艺过程。

(2) 等速过滤

过滤流量或过滤滤速保持不变的过滤过程。

(3) 变速过滤

过滤流量或过滤滤速随过滤时间增长而逐渐减小的过滤过程。

(4) 不均匀度系数

筛分过程中通过80%重量滤料的筛孔大小与通过10%重量滤料筛孔大小之比，即K80 = d80/d10。

(5) 反冲强度

是指单位面积滤层上所通过的冲洗水流流量或水流流速。

(6) 滤层膨胀率

是指反冲时，滤料层膨胀后增加的厚度与膨胀前厚度的比值。

(7) 沉降作用

是在重力作用下将某一分散相从密度较小的分散相中分离出来的过程。

(8) 底物降解

微生物以废水中的污染物质作为生长的碳源和（或）能源，经过生物体内酶作用，将其转化为新细胞物质和CO2或其他无毒性，将污染物质从废水中去除的过程。

(9) 基质

微生物生长的碳源和（或）能源称为基质。这是由于微生物体内的酶参与了微生物的新陈代谢过程。

(10) 基质利用

将废水处理过程中微生物细胞生长期间对污染物质的去除称为基质利用。

(11) 真正生长比率

去除单位基质会产生的生物量，称为真正生长比率。由于生物生长与基质利用之间是相关联的，因此，这两种活动的速率是成比例的。真正生长比率为比例因子。

(12) 生长比率Y

当所有可用的能量都用于合成时，去除单位基质所生成的细胞物质的数量。

(13) 实际生长比率

在废水生物处理中，去除单位基质实际产生的细菌细胞生物量，又称为表观生长比率。

(14) 微生物产物生长比率

降解单位基质产生的微生物细胞产物的量。

(15) 氨化作用

在废水生物处理中，氨化作用是指当氨基酸和其他含氮有机物被生物降解时释放出氨的过程。

(16) 化学计量学

是研究化学反应中反应物与产物之间的定量关系的科学。

(17) 补充性营养物

指在废水生物处理中能满足微生物生长全部需要的营养物。

(18) 可替代性营养物

指在废水生物处理中能满足同样需要的营养物。

(19) 反应速率

在废水生物处理中，反应速率是指单位时间里底物的减少量、最终产物的增加量或细胞的增加量。

(20) 生物还原反应

是在缺氧条件下厌氧微生物分解水中的有机物为简单有机或无机物的过程，亦称为厌氧反应。

(21) 水头损失

水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量。

2、回答问题

(1) 水产养殖中采用的水处理方法有哪些？

1)、物理学方法；

2)、化学方法；

3)、生物学方法。

(2) 过滤原理。

将滤料颗粒看作是接触吸附介质，滤料表面与悬浮颗粒间发生粘附吸着作用。其过程可解释为机械过滤、沉淀和接触絮凝作用等。

(3) 砂滤池起始水头损失的大小与哪些因素有关？

(4) 如何延长砂滤池的过滤周期？

(5) 作为过滤池滤料的条件有哪些？

1)、足够的机械强度，以防止反冲时产生滤料的磨损和破碎现象；

2)、足够的化学稳定性，以防止滤料与水或水中所含有的物质发生化学反应产生有害物质；

3)、适当的孔隙率和粒径分布。

(6) 表示滤料粒度分级的方法。

最大粒径、最小粒径和不均匀度系数K80：

(7) 滤料孔隙率的测定方法

(8) 承托层的主要作用。

一是防止过滤时滤料流失；

二是在冲洗时起到一定的均匀布水作用。

(9) 滤池反冲的目的与方法。

反冲的目的是使过滤池在短时间内重新恢复过滤能力。一般采用的反冲方法是冲洗水流方向与过滤水流方向相反，即自下而上的水流方向。在反冲过程中，悬浮于上升水流中的滤料颗粒通过相互碰撞、摩擦及水流剪切力的作用洗去表面的污泥，从而达到反冲目的。

(10) 常见的滤池配水系统的作用及分类。

是在反冲时使水在整个滤池截面上均匀分布。配水系统中的配水均匀性是影响反冲效果的一个重要因素。常见的配水系统分为：大阻力配水系统和小阻力配水系统。

(11) 请写出描述颗粒物在水中发生沉降的斯托克斯定律(Stockes" law)。

(12) 真实水体发生的沉降过程。

在实际的沉降体系中，由于颗粒粒子的数量可能很大，因此颗粒粒子之间会发生粒子的相互作用；其次，水的流动会影响颗粒粒子的沉降。

(13) 在实际的沉降体系中的粒子间相互作用。

1)、凝聚作用：即带电粒子相互碰撞、粘着，最后形成絮凝块。

2)、射流作用：粒子紧紧地聚集在一起，限制流体流动，粒子以团状进行运动。

3)、机械作用：粒子的相互作用表现为机械方式，尤其是以压缩的形式进行作用，使水被挤出絮块物，导致颗粒粒子体积减小。

(14) Langmuir吸附理论。

(15) 常用的化学处理方法

1)、化学混凝法——主要去除水中的微小悬浮颗粒物和胶体杂质；

2)、化学中和法——用于处理酸性或碱性废水；

3)、化学沉淀法——使形成难溶化合物后沉淀；

4)、氧化还原法——使发生氧化还原反应而被去除。

(16) 微生物生长需要的四要素。

1)、碳源；

2)、无机营养物；

3)、能源；

4)、还原力。

(17) 生化反应器（废水生物处理装置）的重要特性。

1)、实际生长比率低于真正生长比率；

2)、活性细菌只占生物量的一部分。

(18) 废水生物处理微生物的分类。

1)、絮体形成性微生物；

2)、腐生性微生物；

3)、硝化菌；

4)、捕食性微生物；

5)、有害微生物。

(19) 摩尔计量方程的特性。

1)、电荷是平衡的；

2)、反应物中任何元素的总摩尔数等于产物中该元素的总摩尔数。

(20) 废水处理过程中细胞生长的一般方程。

(21) 请写出Monod方程。

(22) 生物氧化反应影响因素。

1)、营养介质浓度。

2)、水中的溶解氧浓度。好氧条件下，分子氧为最终受氢体或电子受体。因而，水中的氧气浓度将影响生物氧化反应速度。如在硝化反应系统中，溶解氧浓度在0.3-1.0mg/L范围内时，反应速度随溶解氧增加而增大，当溶解氧超过1.0mg/L时，其影响就不大了。

3)、pH值。微生物的生长、繁殖和环境pH值有密切关系。一般微生物要求一定的pH范围，但不同微生物的适宜pH范围不同。一般细菌、放线菌、藻类和原生动物的适宜pH范围在4～10之间，而以中性偏碱（pH6.5～7.5）为最好。

4)、温度。温度直接影响生物的基础代谢，并且各类微生物所需的温度范围不同。根据微生物对温度的适应范围，微生物可分为中温性(适宜温度范围20～45°C)、喜热性(高温性)(适宜温度范围在45°C以上)和喜冷性(低温性)(适宜温度范围在20°C以下)。在养殖废水处理中，以中温性细菌为主，生长繁殖的最适温度为20～37°C。

(23)请解释为何砂滤采用溯流式、双层或三层滤料结构会提高效率。

(24) 水头损失及其产生原因。

水头损失是指水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量。

水头损失产生的原因

外因——边界对水流的阻力。

内因——液体的粘滞性，也是根本原因。

水流阻力是由于固体边界的影响和液体的粘滞性作用，使液体与固体之间、液体内有相对运动的各液层之间存在的摩擦阻力的合力，水流阻力必然与水流运动方向相反。水头损失遵循叠加原理。

第三章悬浮固体控制

1、概念

(1) 总悬浮固体浓度

总悬浮固体含量是指已知水体中存在的直径大于1mm的颗粒物的量。

(2) 水槽溢流率

在理想条件下，从进水区顶部开始沉降的固体颗粒沉降至出水区与水槽底部连接处时，在其理论滞留期间表现为单位表面积的排水容量，可定义为水槽溢流率。

(3) 总悬浮固体

总悬浮固体是指水体中存在的直径大于1mm的颗粒物的总称。

2、回答问题

(1) 循环养殖系统中悬浮固体的主要影响。

1)、直接对鱼鳃的损害；

2)、对生物滤器的机械堵塞；

3)、矿化作用产生氨态氮；

4)、作为颗粒物腐烂增加氧气消耗。

(2) 悬浮固体的物理、化学特征。

(3) 悬浮固体废物来源。

1)、粪便——养殖生物排泄物。其产生速率可由摄食速率决定。

2)、残饵——即未被鱼类摄食的食物颗粒。

3)、微生物群——循环养殖系统中的单个细菌和从细菌粘液中脱落的生物絮状物。

(4) 从控制的角度出发，阐述悬浮固体废物的自然特性。

1)、比重或相对密度——可由颗粒物来源进行测定。

2)、大小分布——可通过所采用的固体去除过程及颗粒物来源、鱼的大小、温度和系统的搅动紊流来测定。

(5) 悬浮固体废物的去除方法分类。

1)、重力分离；

2)、过滤分离；

3)、浮选分离，浮选分离可理解为是另一种重力分离。

(6) 悬浮颗粒物去除的原理。

1)、重力分离的原理是

沉淀作用

2)、过滤分离的原理是

拦截

滤出

布朗扩散

沉淀作用

3)、浮选分离的原理是

拦截

布朗扩散

沉淀作用

(7) 颗粒物沉淀作用过程分类。

按照颗粒大小、密度以及颗粒废物和载体介质——水的自然特性，沉淀作用过程可以分为

1)、非连续沉降(Discrete Settle)(类型I)

2)、阻滞沉降(Hindered Settle)或絮状沉降(Flocculent Settle)(类型II)

3)、区域沉降(Zone Settle)(类型III)

4)、密集沉降(Compression Settle)(类型IV)

(8) 循环养殖系统中的TSS控制过程的评价指标。

1)、水力负荷率(Hydraulic loading rate)

2)、微细固体颗粒物去除能力

3)、水头损失(Head loss)

4)、滤器反冲(Backwash)过程中的水损失

5)、阻止生物附着物能力

(9) 沉淀池（沉淀槽）的优缺点。

优点：需要很少的能量输入，安装和运行相对廉价，不需要特殊的操作技巧，并易于合并所有的新旧设备。

缺点：1)、水力负荷率低；2)、对小粒径(<100 mm)悬浮固体去除效率低。

(10) 图示并说明连续水流沉淀池的功能分区。

进水区起着均一分布悬浮物于整个水槽横截面的作用。沉淀区中发生沉淀作用，沉淀的固体废物积累于淤泥区。净化后的水在水槽的出水区被收集并被排出。

(11) 悬浮固体去除装置有哪些？

1)、沉淀槽（沉淀池）；

2)、水力旋流器；

3)、微孔筛网滤器，分为固定式筛网和旋转式筛网

4)、粒状介质滤器，分为：1),下向流压力沙滤器；2), 溯流沙滤器；3), 珠状滤器。

5)、多孔介质滤器；

6)、臭氧化装置。

第四章硝化作用滤器

1、概念

(1) 生物学过滤(Biological filtration)

是指任何利用活生物从水中去除杂质(Impurity)的过滤技术。主要包括活植物过滤(Living plant filter)、硝化作用(Nitrification)过滤、反硝化作用(Denitrification)过滤。

(2) 孔隙比

是滤器填充介质后留有空气的体积与填充介质所占总体积的比值。

(3) 比表面积

是单位体积介质的表面积。

(4) 膜厚度

是指介质表面细菌层周围的停滞水层的厚度。

(5) 生物量

是指单位体积生物膜上细菌细胞量的测定值。

(6) 细胞产率

是单位氨氮转化为硝酸盐所产生的细菌细胞数量的测定值。

2、回答问题

(1) 硝化作用滤器的类型及其结构图示。

淹没式滤器

滴滤器

鼓式生物滤器

生物转盘

流化床

珠滤器

(2) 影响硝化作用滤器性能的化学因素。

1)、pH值

硝化作用滤器的最佳运行pH范围为6～9。pH快速改变，即在几分钟内变化超过0.5到1.0 pH单位将降低硝化细菌的过滤效率直至其适应新条件。

2)、碱度

碳酸盐和重碳酸盐形式的碱度是硝化作用细菌的营养元素。

3)、氧气

当氧气不充分时硝化滤器中的硝化作用速率降低。保持硝化作用滤器中2mg/L氧气可保持最大硝化作用速率，即排出水中氧气含量至少2mg/L。

4)、氨态氮/亚硝酸盐浓度

过高的氨氮和/或亚硝酸盐浓度对硝化细菌是有毒的。

5)、微粒和溶解有机物

6)、盐度

硝化菌在适应环境条件后，硝化作用滤器可在从淡水到盐度40 g/kg(‰)的海水中运转、发挥硝化作用。盐度的快速改变，几分钟内改变5 g/kg(‰)将显著地降低硝化作用速率。

7)、气体的扩散速率

氧气、氨氮、亚硝酸盐必须扩散至胞内，细胞产生的硝酸盐和二氧化碳必须扩散至胞外，其它矿物亦如此。

8)、其他矿物和化学效应

高钙对亚硝化单胞菌是必需的，而高镁对硝化杆菌是必需的。

(3) 颗粒物的影响

1)、堵塞；

2)、提供比表面积；

3)、加入有机物。

(4) 影响硝化作用滤器性能的物理因素。

1)、温度

只要给定足够的时间适应，硝化作用细菌可生活在很宽的温度范围内。

2)、雷诺数与RBC转速

雷诺数主要用于特征化硝化作用滤器中的水力流；RBC旋转速率影响生物膜与底物间的接触以及对生物膜的剪切度。

3)、孔隙比

4)、介质类型与大小

5)、比表面积

6)、水力和质量负荷

7)、淹没深度

8)、截面面积

9)、膜厚度

10)、光照。光照可抑制硝化细菌。

(5) 影响硝化作用滤器性能的生物学因素。

1)、生物量

生物量是营养有效性、水流速度、细胞特征和其它变量的函数。

2)、细胞产率

理论上，1g氨氮转化为硝酸盐可产生0.17g的细胞。

(6)硝化作用滤器的设计过程。

就是一个废物生产量与废物由滤器去除量间的物质质量平衡过程。是平衡两个生物学系统，即鱼、虾、贝类生产系统和滤器中的微生物系统的过程。

第一步，测定产生的废物量

第二步，需要多大的滤器才能去除产生的废物

(7) 硝化作用滤器设计的具体步骤。

1)、测定养殖生物的废物生产量

2)、测定养殖生物对下列物质的耐受水平

-氨态氮

-亚硝酸盐

-硝酸盐

-固体

3)、计算氧气消耗量

4)、计算系统的承载力

5)、计算穿过系统的水流速率

6)、计算通过的氨态氮浓度

7)、计算由于循环的氨态氮浓度因子

8)、计算滤器对氨态氮的去除效率

9)、测定滤器的总氨态氮负荷

10)、计算所需要的停留时间

11)、测定滤器的体积和比表面积

12)、测定滤器的尺寸

13)、检查滤器的氧气供应

14)、改进设计

第五章充气与加氧

1、回答问题

(1) 气体在气相和液相间的迁移动力。

是气体在气相和液相中的浓度差 (或压力差)。迁移速率与浓度差(或压力差)成正比：

(2) 请写出充气装置性能的表达式

式中，分别表示进出充气装置的溶氧浓度。

(3) 请列出纯氧接触系统并图示其结构。

1)、U-形管

U-形管靠增加气体压力使氧气迁移速率增加。U-形管的高度一般可达9～45 m氧气含量可达20～40 mg/L，但氧气转移效率仅为30～50%，通过尾气循环可达55～80%。

2)、填充塔的组成与优势。

填充塔由填充具高比表面积介质的垂直柱组成。一般需要较高的气/水比。

填充塔的附加优势：

提供硝化作用

提供脱气功能

3)、低水头充氧器

该装置由5-10个矩形小室组成的分配板构成，主要为混合和气体交换提供所需的气-液界面。

4)、氧气锥或下向流气泡接触器

该装置由一锥形柱或系列具有减小直径的管组成。

5)、氧气注射器

当泵水时氧气通过文丘里管产生微细气泡后注射至水中，压力需要2～22 atm ( 30～325 psi )，接触时间6～12 s，吸收效率可达15～70%，出水溶解氧达3～50 mg/L。

3、计算题

(1) 计算20oC下100%纯氧气和空气中氧气在水中的溶解度。

纯氧气的溶解

空气中氧气在水中的溶解度

48.57mg/L×20.946% = 10.17 mg/L

第六章封闭循环养殖系统中和pH的控制

1、计算题

(1) 水温20℃、Alk = 3.6 mmol/L、pH = 6.6的淡水，问1L水中加入多少克NaOH固体可使其pH = 7.5。假如不生产沉淀。

答

该体系可视为封闭体系，加入NaOH前后不变。

20℃下，pH6.6和pH7.5的a值分别为1.60和1.07。

由 = Alk×a

pH6.6时， = 3.6 mmol/L×1.60 = 5.76 mmol/L

则，

pH7.5时，Alk = /1.07 = 5.76/1.07 = 5.38 mmol/L

加入的NaOH的量为

5.38 – 3.6 = 1.78 mmol/L = 1.78×40 = 71.2 mg/L

第七章循环养殖系统承载力和水流速率估算

1、概念

(1) 水再利用(water reuse)

水沿着一个方向在多个水槽中使用。

(2) 水循环(water recycle)

水从养殖水槽流过处理水槽经处理后再流回养殖水槽。

(3) 总系统体积(total system volume)

整个系统中水的体积，即水槽、管道、水池、处理水槽及水泵中水的体积。

(4) 水交换百分率(percentage replacement)

每天交换的水体积占整个系统中水体积的百分率。

(5) 循环百分率(percentage recycle)

一天中被循环的水占整个系统中水体积的百分率。

(6) 总生物量(total biomass)

在整个养殖系统中养殖的水产品的生物量。

(7) 放养密度(stocking density)

单位体积水槽中养殖的水产品生物量。

(8) 贯流率(flow through rate)

单位时间通过养殖水槽的新水的体积。

(9) 平均水力滞留时间(mean hydraulic residence time)

指的是在给定的流动速率下，一个水槽中水完全交换一次所需的时间，即V/Q(Q，流动速率；V，水槽体积)。

(10) 承载力(carrying capacity)

养殖系统中所能保持的养殖生物的最大量；常常表示为单位养殖系统体积的生物量。