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1、第周第讲次课程名称：环境工程原理摘要一、环境问题与环境学科的发展二、环境污染与环境工程学三、环境净化与污染控制技术概述第一章绪论四、环境净化与污染控制技术原理五、环境工程原理的主要研究内容和方法 六、环境工程原理课程的主要内容和目的本讲的要求及重点难点：【目的要求】通过本堂课的学习，掌握环境净化与污染控制技术及其作用原理,能够找出各类污染物可用的 去除方法及其作用原理。【重 点】环境净化与污染控制技术及其作用原理。【难 点】环境净化与污染控制技术及其作用原理。内容【本讲课程的引入】环境工程原理是环境工程专业的一门重要的专业基础课。它综合了水处理工程、大气污染 控制工程等所涉及的技术原理，提炼出
2、具有共性的基本原理、现象和过程，加以研究和阐述。同时, 本门课程也是对所学过的基础课程的一次初步应用，例如高数中的微积分、无机化学、分析化学等, 是一门综合性比较强的专业基础课。【本讲课程的内容】第一章绪论一、环境问题与环境学科的发展1环境问题的产生人类生活在自然环境和社会环境中，不断与环境相互影响、相互作用，从而产生了环境问题。 环境问题多种多样，归纳起来有两大类:一类是自然演变和自然灾害引起的原生环境问题，如地震、 洪涝、干旱、台风、崩塌、滑坡、泥石流等。一类是人类活动引起的次生环境问题，如乱砍滥伐引 起的森林植被的破坏、过度放牧引起的草原退化、大面积开垦草原引起的沙漠化和土地沙化、工业
3、生产造成大气、水环境恶化等。人类社会早期的环境问题：因乱采、乱捕破坏人类聚居的局部地区的生物资源而引起生活资料 缺乏甚至饥荒,或者因为用火不慎而烧毁大片森林和草地,迫使人们迁移以谋生存。以农业为主的奴隶社会和封建社会的环境问题:是在人口集中的城市，各种手工业作坊和居民抛弃 生活垃圾，曾出现环境污染。产业革命以后，人类的生产力获得了飞速发展、技术水平迅速提高、人口迅速增长，人类活动的强 度和范围逐渐增强和扩展，人类与环境的矛盾以及由此带来的环境问题也日趋突出。(1)出现了大规模环境污染,局部地区的严重环境污染导致“公害”病和重大公害事件的出现。、自然环境的破坏,造成资源稀缺甚至枯竭，开始出现区域
4、性生态平衡失调现象。当前世界的环境问题:环境污染出现了范围扩大、难以防范、危害严重的特点，自然环境和自然资 源难以承受高速工业化、人口剧增和城市化的巨大压力，世界自然灾害显著增加。2人类面临的环境问题生态破坏和环境污染是目前人类面临的两大类环境问题，它们已经成为影响社会可持续发展、 人类可持续生存的重大问题。到目前为止已经威胁人类生存并已被人类认识到的具体的环境问题主要有:全球变暖、臭氧层破坏、酸雨、淡水资源危机、能源短缺、森林资源锐减、土地荒漠化、物种加速灭绝、垃圾成灾、 有毒化学品污染等众多方面。3环境学科的诞生“环境学科”是随着环境问题的日趋突出而产生的一门新兴的综合性边缘学科。它经历了
5、 20世 纪60年代的酝酿阶段，到20世纪70年代初期从零星的环境保护的研究工作与实践逐渐发展成为 一门独立的新兴学科。4环境学科的任务环境学科是研究人类活动与环境质量关系的科学,其主要任务是研究人类其发展规律,从而保 护环境并使其向于人类有利的方向与环境的对立统一关系，认识两者之间的作用与反作用，掌握演 变。5环境学科的体系“环境学科”是一门正在蓬勃发展的科学，其研究范围和内涵不断扩展，所涉及的学科非常广泛, 而且各个学科间又互相交叉和渗透，因此具有丰富的学科内涵。环境学科是本世纪推动科学发展的核心学科,是改造传统学科的生长点。环境学科体系,环境科学J环境工程学二、环境污染与环境工程学环境学
6、科体系 环境生态学I环境规划与管理1 环境工程学”的任务利用环境学科与工程学的方法，研究环境污染控制理论、技术、措施和政策，以改善环境质量, 保证人类的身体健康、舒适的生存和社会的可持续发展。2 环境工程学”的研究对象水质净化与水污染控制工程 空气净化与大气污染控制工程 固体废弃物处理处置与管理 物理性污染防治工程 土壤净化与污染防治技术 废物资源化技术水质净化与水污染控制技术、大气（包括室内空气）污染控制技术、固体废物处理处置与管理 和资源化技术、物理性污染（热污染、辐射污染、噪声、振动）防治技术、自然资源的合理利用与 保护、环境监测与环境质量评价等传统的内容，还包括生态修复与构建理论与技术
7、、清洁生产理论 与技术以及环境规划、管理与环境系统工程等。3环境工程学的学科体系（环境净化与污染防治技术及原理生态修复与构建技术及原理环境 /清洁生产理论及技术原理 工程学环境规划管理与环境系统工程、环境监测与环境质量评价三、环境净化与污染控制技术概述 （一）水质净化与水污染控制技术1 .水中的主要污染物及其危害r无机污染物按化学性质分可生物降解性污染物I有机污染物1难生物降解性污染物悬浮固体（SS :粒径0.1 -0.45微米以上）按物理形态分胶体性物质（粒径0.1 -o.ooi微米）：溶解性物质无机污染物：氮：大气中的氮污染物主要是氮氧化物，主要由工业与生活燃烧化石燃料产生。水体中的氮主
8、要来自生物体的代谢和腐败以及工业废水、生活污水的排放、氮肥的流失等。动物和植物都 暴露在化学元素氮的包围中。尽管这种元素是构成生命的关键成分，但是它也可以是一种严重的污 染元素。在一万年前刚开始有农业的时候，地球上只有四百万人口。现在是六十亿。我们能有这么 多人口的唯一原因就是我们有高度发展了的农业。我们呼吸的空气含氮量最多，但是这种气态的氮 不能直接使用，它需要化学加工，就像把原油炼成汽油才能用于汽车一样。在大自然中，把大气中 的氮进行提炼的是微生物,它能把氮转换成植物可以吸收的形式。但是现在,土地所需要的关键营 养品不再由微生物,而是由化肥厂提供了。农民施加的化肥有一多半从来没有被植物吸收
9、，而是渗 透到地下水中，然后蒸发到空气中，或者通过小溪流入湖泊。在少见的情况下，水源被过量的氮严 重污染而不适合人类使用。氮肥污染遭到过量的氮污染的水会流进大海,在浅海水域刺激海藻的生 长。这些海藻死亡和分解时会消耗氧，会使鱼类因缺氧而死亡。2 .水质净化与水污染控制技术根据水中污染物的不同性质和形态，可以用物理、化学、生物等方法进行处理。水的物理处理法物理法是利用物理作用分离水中污染物的一类方法,在处理过程中不改变污染物的化学性质。处理方法沉淀离心分离气浮过滤（砂滤等）过滤（筛网过滤） 反渗透膜分离蒸发浓缩利用的主要原理重力沉降作用离心沉降作用浮力作用物理阻截作用物理阻截作用渗透压物理阻截等
10、水与污染物的蒸发性差异主要去除对象比重大于1的颗粒比重大于1的颗粒比重小于1的颗粒悬浮物粗大颗粒、悬浮物无机盐等较大分子污染物水的化学处理法化学法是利用化学反应改变污染物在水中存在形式，使之从水中去除或转化为无害物质。处理方法利用的主要原理主要去除对象中和法酸碱反应酸性、碱性污染物化学沉淀法沉淀反应、固液分离无机污染物氧化法氧化反应还原性污染物、有害微生物（消毒）还原法还原反应氧化性污染物电解法电解反应氧化、还原性污染物超临界分解法热分解、氧化还原反应、游离基反应等几乎所有的有机污染物汽提法污染物在不同相间的分配有机污染物吹脱法污染物在不同相间的分配有机污染物萃取法污染物在不同相间的分配有机污
11、染物吸附法界面吸附可吸附性污染物离子交换法离子交换离子性污染物电渗析法离子迁移无机盐混凝法电中和、吸附架桥作用胶体性污染物、大分子污染物水的生物处理法生物法是利用生物特别是微生物的作用，使水中的污染物分解、转化成无害物质。好氧处 理法活性污泥法生物吸附、生物降解可生物降解性有机污染物、还生物膜法生物吸附、生物降解原性无机污染物（NE+等）流化床法生物吸附、生物降解生态技 术氧化塘生物吸附、生物降解人ta 有机污染物、氮、磷、磷土地渗滤生物降解、土壤吸附、日二“45吸a心 .心皿心 有机污染物、氮、磷、重金属湿地系统生物降解、土壤吸附、植物吸附厌氧处 理法厌氧消化池生物吸附、生物降解可生物降解性
12、有机污染物、厌氧接触法氧化态无机污染物（NCV ,厌氧生物滤池SO42-）高效厌氧反应器（UASB 等 ）处理方法利用的主要原理主要去除对象厌氧好氧联合工艺生物吸附、生物降解、硝化-反 氮（硝化-反硝化） 硝化、生物摄取与排出磷*UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket （升流式厌氧污泥床反应器）（二）空气净化与大气污染控制技术1 .空气中的污染物及其危害气溶胶态污染物是指细小固体粒子、液体粒子及其在气体介质中的悬浮体系，包括粉尘、烟尘、 飞灰、雾等等，例如火力发电厂、钢铁厂、化工厂及水泥厂等工矿企业生产和燃料燃烧过程中所排 放的煤烟、粉尘。气态污染物是指以分
13、子状态存在的污染物，如含硫化合物、含氮化合物、碳氧化合物、挥发性 有机物等等。火力发电厂、钢铁厂、化工厂及水泥厂等工矿企业生产和燃料燃烧过程中所排放的污 染物除粉尘、黑烟之外还有一些无机或有机化合物。另外交通工具排放的尾气也含有这些气态污染 物。大气污染物对人体有直接危害，如CO会引起急性中毒，直至死亡,有些则会引起慢性病恶化, 甚至会引发癌症。另外对动植物也会产生危害，如S02、氟化物等会使植物生理活动减退,生长缓慢,农作物减产。对动物的影响主要是通过呼吸引起家畜生病。2 .空气净化与大气污染控制技术处理技术利用的主要原理主要去除对象机械除尘重力沉降作用、离心沉降作用颗粒/气溶胶状态污染物过
14、滤除尘物理截流作用颗粒/气溶胶状态污染物静电除尘静电沉降作用颗粒/气溶胶状态污染物湿式除尘惯性碰撞作用、洗涤作用颗粒/气溶胶状态污染物物理吸收法物理吸收气态污染物化学吸收法化学吸收气态污染物吸附法界面吸附作用气态污染物催化氧化法氧化还原反应气态污染物生物法生物降解作用可降解性有机污染物、还原态无机污染物燃烧法燃烧反应有机污染物稀释法扩散所有污染物（三）土壤净化与污染控制技术1 . 土壤污染物及其危害土壤中的污染物:重金属、挥发性有机物、原油等。土壤污染的危害：通过雨水淋溶作用，可能导致地下水和周围地表水体的污染；污染土壤通过土壤颗粒物等形式能直接或间接地为人或动物所吸入;（3）通过植物吸收而进
15、入食物链，对食物链上的生物产生毒害作用等。2 .污染土壤净化技术处理技术利用的主要原理主要去除对象客土法稀释作用所有污染物隔离法物理隔离（防止扩散）所有污染物清洗法（萃取法）溶解作用溶解性污染物吹脱法（通气法）挥发作用挥发性有机物热处理法热分解作用、挥发作用有机污染物电化学法电场作用（移动）离子或极性污染物焚烧法燃烧反应有机污染物微生物净化法生物降解作用可降解性有机污染物植物净化法植物转化、植物挥发、植物吸收/固定重金属、有机污染物（四）固体废弃物处理处置与管理1 .固体废弃物的种类及其危害固体废弃物的定义：人类活动过程中产生的、且对所有者已经不再具有使用价值而被废弃的固态或半固态物质。“工业
16、固体废物（废渣广、“城市垃圾”固体废弃物对环境的危害：（1）通过雨水的淋溶和地表径流的渗沥，污染土壤、地下水和地表水，从而危害人体健康;通过飞尘、微生物作用产生的恶臭以及化学反应产生的有害气体等污染空气。（3）固体废弃物的存放和最终填埋处理占据大面积的土地等。2 .固体废弃物处理处置技术处理技术利用的主要原理主要去除对象压实压强（挤压）作用高孔隙率固体废弃物破碎冲击、剪切、挤压破碎大型固体废弃物分选重力作用、磁力作用所有固体废弃物脱水/干燥过滤作用、干燥含水量高的固体废弃物中和法中和反应酸性、碱性废渣氧化还原法氧化还原反应氧化还原性废渣（如铭渣）固化法固化与隔离作用有毒有害固体废弃物堆肥生物降
17、解作用有机垃圾焚烧燃烧反应有机固体废弃物填埋处理隔离作用无机等稳定性固体废弃物（五）物理性污染控制技术物理性污染的种类:噪声、电磁辐射、振动、热污染等物理性污染控制技术:隔离、屏蔽、吸收、消减技术等。（六）废物资源化技术废物的资源化途径:物质的再生利用、能源转化资源化技术主要原理应用对象焚烧燃烧反应有机固体废弃物的能源化堆肥生物降解作用城市垃圾还田离子交换离子交换工业废水、废液中金属的回收；废酸的再生利用溶剂萃取萃取工业废水、废液中金属的回收；废酸的再生利用电解电化学反应工业废水、废液中金属的回收；废酸的再生利用沉淀沉淀工业废水、废液中金属的回收蒸发浓缩挥发废酸的再生利用沼气发酵生物降解作用高
18、浓度有机废水/废液利用四、环境净化与污染控制技术原理隔离（扩散控制）环境净化与污染控制 技术原理分离（不同介质间的迁移）转化（化学、生物反应）五、环境工程原理的主要研究内容和方法1 .污染物处理工程的核心利用隔离、分离、转化等技术原理，根据生产工艺和污染物的特点选取适宜的隔离/分离/转化 方式，并把它们组合起来，通过工程手段，实现污染物的高效、快速去除。什么是工程的手段呢？这也就是我们环境工程专业学生要注意培养的工程意识。也就是说 一个工艺理论上是可行的,但应用于实际就需要改进和调试，否则就达不到预期的处理效果或者工 艺运营成本太高。所以要想实现污染物的高效（去除效率、能耗）、快速去除，我们希
19、望物质和能 量的迁移速率加快,这样反应速率才能得到强化。为此，就需要优化介质的混合状态和流体流态。 怎样达到这个目的呢？这就需要工程手段了，主要有两个方面：装置的优化设计；操作方式和操作 条件的优化。这就是污染物处理工程的核心,任何处理工艺都是围绕这样一个过程来设计和构建的。2 .环境工程原理的研究对象和内容环境净化与污染控制工程的基本理论和技术原理（主要包括污染物分离与转化的宏观机理、微 观过程）及其工程设计计算的基本理论。污染物去除的方法有分离和转化，分离又包括沉降、过滤、 吸附、吸收、膜分离;转化包括化学转化和生物转化。要设计污染净化装置首先要明白宏观机理, 要研究宏观机理,就要把宏观现
20、象微观化，比如沉淀池内的固体颗粒怎样沉降下来,什么情况下沉 降在池内，什么情况被水流带出沉淀池而不能沉降。3 .环境工程原理的基本研究方法（1）分析问题的基本思路要对污染净化装置进行设计计算,我们先要通过简单的现象看本质，我们把简单过程复杂化，一个 宏观过程往往是一系列微观过程的串联，各个微观过程有不同的速率,我们把微观过程在科学合 理假设的基础上，建立数学表达,过程的定量计算是工程设计计算的基础，同时科学、合理的简化 可大大简化计算过程,提高设计计算效率。我们利用数学表达对微观过程中物质和能量的迁移转化 过程作定量解析,那么我们会发现宏观过程的速率往往由某个关键的微观过程速率所决定。该过程
21、称为“控制步骤”或“控速过程: 既然知道哪一步是控制步骤了，我们就可以有针对性地采取科学、 合理的手段,提高控制步骤的速率，从而提高整个过程的速率,提高污染物的去除效率。（2） “量，与“变化速率”的数学计算物料与能量衡算（质量与能量守恒原理）微观过程解析（物质与能量的迁移过程、转化过程）变化速率的数学表达（为工程设计计算提供依据）例如：固相催化反应过程分析设某气固相催化反应（A主要发生在多孔催化剂的内表面4.环境工程原理与其它学科的关系我们这门课程是在综合了这些相关学科的基础上产生的。环境工程中会涉及到水、气的输送及 其在设备内的运动，所以有流体力学的内容;研究污染物的迁移转化,所以要进行污
22、染物质量衡算 和其中的能量转化;污染物从废水中去除而转移到了污泥中，这是从液相传递到了固相，所以还有 传递过程原理;用微生物去除污染物又关系的微生物在此过程中的生长、生物量的增加等等，这是 生物工程的内容。也就是说从这些领域里提炼出能为我们污染净化过程所应用的原理和方法,形成 了环境工程原理这门课程。六.本课程的主要内容(1)环境工程原理基础：重点阐述工程学的基本概念和基本理论，主要内容有物料与能量守恒原 理以及热量与质量传递过程的基本理论等，掌握流体流动和热量与质量传递过程的基础理论,对优 化污染物的分离和转化过程，进而提高污染控制工程的效率有重要意义。(2)分离过程原理:主要阐述沉淀、过滤
23、、吸收、吸附、离子交换、膜分离等基本分离过程的机 理和基本设计计算理论，也就是将污染物与污染介质或其他污染物分离开来,从而达到去除污染物 或回收有用物质的目的。例如，在水处理中，需要从水中分离去除悬浮颗粒，各种化学污染物和病 原微生物;在废气净化中，需耍分离去除废气中的粉尘和各种气态污染物等。因此分离技术是去除 污染物、净化环境的重要手段。(3)反应工程原理：利用化学和生物反应，使污染物转化成为无毒无害或易于分解的物质，从而 使污染介质得到净化,这是去除污染物和净化环境的重要手段。将化学和生物反应原理用于污染控 制工程，需要借助适宜的装置，即反应器。系统掌握反应器的基本类型及其操作原理和设计计
24、算方 法,对于优化反应器的结构形式,优化操作方法和工艺条件以及提高污染物去除效率有重要的意义。 本篇主要阐述化学与生物反应量论及动力学、各类化学与生物反应器的解析与设计理论等。【本章小结】本堂课对环境净化与污染控制技术及其原理做了概述,并介绍了本门课程的研究目的、主要研 究内容及研究方法，以及课程中常用的物理量和表示方法。要求学生对本门课程的研究内容有初步 的认识，了解环境净化与污染控制技术的原理及基本方法,对环境工程整个学科体系有一个初步认 识。【本章的思考题】1 .去除水中的溶解性有机污染物有哪些可能的方法？各种方法的技术原理是什么？2 .空气中挥发性有机物(VOCs)的去除有哪些可能的技术？它们的技术原理是什么？3 ,环境净化与污染控制技术原理可以分为哪几类？它们的主要作用原理是什么？