环境工程原理第01章绪论

1、环境工程原理环境工程原理一、环境问题与环境学科的发展一、环境问题与环境学科的发展二、环境污染与环境工程学二、环境污染与环境工程学三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述四、环境净化与污染控制技术原理四、环境净化与污染控制技术原理五、五、环境工程原理环境工程原理的研究对象和方法的研究对象和方法 六、六、环境工程原理环境工程原理的学习内容和目的的学习内容和目的 第一章 绪论主要内容主要内容 环境的概念：环境的概念： 环境是一个相对概念，它环境是一个相对概念，它是与某个中心事物相是与某个中心事物相关的周围事物的总称。关的周围事物的总称。 环境科学中涉及的环境，其中心事物从狭义上环

2、境科学中涉及的环境，其中心事物从狭义上讲是人类，从广义上讲是地球上所有的生物。讲是人类，从广义上讲是地球上所有的生物。 环境科学所研究的环境包括环境科学所研究的环境包括自然环境自然环境和和人工环人工环境境两种。两种。v 环境问题的产生环境问题的产生 产业革命产业革命（手工业向（手工业向机器机器大工业过渡阶段）大工业过渡阶段）后，人类后，人类的生产力获得了飞速发展、技术水平迅速提高、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人口迅速增长，人类活动的强度和范围逐渐增强和扩展，和扩展，人类与环境的矛盾人类与环境的矛盾以及由此带来的环境以及由此带来的环境问题也

3、日趋突出。问题也日趋突出。v 人类面临的环境问题人类面临的环境问题 生态破坏和环境污染生态破坏和环境污染是目前人类面临的两是目前人类面临的两大环境问题，它们已成为影响人类生存和社会大环境问题，它们已成为影响人类生存和社会可持续发展的重大问题。可持续发展的重大问题。 环境污染环境污染 广义地讲，指广义地讲，指由于人为因素造成的环境质量恶由于人为因素造成的环境质量恶化，从而扰乱和破坏了生态系统、生物生存和人类化，从而扰乱和破坏了生态系统、生物生存和人类生活条件的一种现象。生活条件的一种现象。 狭义地说，指由狭义地说，指由有害物质引起的大气、水体、有害物质引起的大气、水体、土壤和生物的污染。土壤和生

4、物的污染。v 环境学科的诞生环境学科的诞生 随着环境问题的日趋突出而产生的一门随着环境问题的日趋突出而产生的一门综合综合性边缘学科性边缘学科。它经历了。它经历了2020世纪世纪6060年代的酝酿阶段，年代的酝酿阶段，7070年代零星的环保研究与实践，逐渐发展为一门年代零星的环保研究与实践，逐渐发展为一门独立的独立的新兴学科新兴学科。v 环境学科的任务环境学科的任务 环境学科的主要任务是研究环境学科的主要任务是研究人类与环境的对人类与环境的对立统一关系立统一关系，认识两者之间的作用与反作用，掌，认识两者之间的作用与反作用，掌握其发展规律，从而保护环境，使其向握其发展规律，从而保护环境，使其向有利

5、于人有利于人类类的方向演变。的方向演变。 v 环境学科的体系环境学科的体系 环境环境+ +X学学环境环境X学学绿色绿色+ +X学学绿色绿色X学学 环境学科是本世纪推动科学发展的核心学科，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。是改造传统学科的生长点。 环境学科体系环境学科体系 环境科学环境科学 环境工程学环境工程学 环境生态学环境生态学 环境规划与管理环境规划与管理 v 环境工程学的任务环境工程学的任务 利用环境学科与工程学的方法，利用环境学科与工程学的方法，研究环境污研究环境污染的控制理论、技术、措施和政策，染的控制理论、技术、措施和政策，最大限度地最大限度地减小污染

6、物造成的不利影响，保证人类的身体健减小污染物造成的不利影响，保证人类的身体健康和社会的可持续发展。康和社会的可持续发展。v 环境工程学的研究对象环境工程学的研究对象 环境工环境工程学程学环境净化与污染防治技术环境净化与污染防治技术及原理及原理生态修复与构建技术及原理生态修复与构建技术及原理清洁生产理论及技术原理清洁生产理论及技术原理环境规划管理与环境系统工程环境规划管理与环境系统工程环境监测与环境质量评价环境监测与环境质量评价水质净化与水污染控制工程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固体废弃物处理处置与管理物理性污染防治工程物理

7、性污染防治工程土壤净化与污染防治技术土壤净化与污染防治技术废物资源化技术废物资源化技术（一）水质净化与水污染控制技术（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、水中的主要污染物及其危害 三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述按化学按化学性质分性质分有机污染物有机污染物悬浮固体（粒径悬浮固体（粒径 0.1 0.45m）胶体物质（粒径胶体物质（粒径 0.0010.1m）溶解性物质溶解性物质按物理按物理形态分形态分无机污染物无机污染物非金属（砷、氰等）非金属（砷、氰等）重金属（汞、镉、铬）重金属（汞、镉、铬）生物降解污染物生物降解污染物( (天然化合物）天然化

8、合物）难生物降解污染物难生物降解污染物( (卤代烃、卤代烃、芳香族、聚氯联苯等芳香族、聚氯联苯等) )物理处理法物理处理法分离分离处理方法处理方法利用的主要原理利用的主要原理主要去除对象主要去除对象沉淀沉淀离心分离离心分离气浮气浮过滤过滤反渗透反渗透膜分离膜分离蒸发浓缩蒸发浓缩重力沉降作用重力沉降作用离心沉降作用离心沉降作用浮力作用浮力作用物理阻截作用物理阻截作用渗透压渗透压物理阻截等物理阻截等水与污染物的蒸水与污染物的蒸发性差异发性差异相对密度大于相对密度大于1 1的颗粒的颗粒相对密度大于相对密度大于1 1的颗粒的颗粒相对密度小于相对密度小于1 1的颗粒的颗粒悬浮物、粗大颗粒悬浮物、粗大颗粒

9、无机盐等无机盐等较大分子污染物较大分子污染物非挥发性污染物非挥发性污染物2、水质净化与水污染控制技术水质净化与水污染控制技术 三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述化学处理法化学处理法转化转化 处处理理方方法法 利利用用的的主主要要原原理理 主主要要去去除除对对象象 中和法 化学沉淀法 氧化法 还原法 电解法 超临界分解法 汽提法 吹脱法 萃取法 吸附法 离子交换法 电渗析法 混凝法 酸碱反应 沉淀反应、固液分离 氧化反应 还原反应 电解反应 热分解、氧化还原反应、游离基反应等 污染物在不同相间的分配 污染物在不同相间的分配 污染物在不同相间的分配 界面吸附 离子交换 离

10、子迁移 电中和、吸附架桥作用 酸性、碱性污染物 无机污染物 还原性污染物、 有害微生物 （消毒） 氧化性污染物 氧化、还原性污染物 几乎所有的有机污染物 有机污染物 有机污染物 有机污染物 可吸附性污染物 离子性污染物 无机盐 胶体性污染物、大分子污染物 三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述生物处理法生物处理法分解、转化分解、转化 处处理理方方法法 主主要要原原理理 主主要要去去除除对对象象 好氧处理法 活性污泥法 生物膜法 流化床法 生物吸附、生物降解 生物吸附、生物降解 生物吸附、生物降解 可生物降解性有机污染物、还原性无机污染物（NH4+等） 生态技术 氧化塘 土

11、地渗滤 湿地系统 生物吸附、生物降解 生物降解、土壤吸附 生物降解、土壤吸附、植物吸附 有机污染物、氮、磷、重金属 厌氧处理法 厌氧消化池 厌氧接触法 厌氧生物滤池 高效厌氧反应器（UASB等） 生物吸附、生物降解 可生物降解性有机污染物、 氧化态无机污染物（NO3-，SO42-） 厌氧-好氧联合工艺 生物吸附、生物降解、硝化-反硝化、生物摄取与排出 有机污染物、氮（硝化-反硝化） 、磷 利用的利用的UASB：Upflow Anaerobic Sludge Blanket（升流式厌氧污泥床反应器） 三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述（二）空气净化与大气污染控制技术（二

12、）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空气中的污染物及其危害 粉尘粉尘烟烟飞灰飞灰黑烟黑烟雾雾硫化物硫化物(SO2，H2S)碳的氧化物碳的氧化物(CO ，CO2)氮化物氮化物(NO，NH3)卤素化合物卤素化合物(HCl，HF)无机物无机物有机物（挥发性有机物有机物（挥发性有机物VOCs）空气中空气中污染物污染物颗粒颗粒/气溶胶气溶胶污染物污染物气态气态污染物污染物三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述2、空气净化与大气污染控制技术空气净化与大气污染控制技术转化转化 处处理理技技术术 利利用用的的主主要要原原理理 主主要要去去除除对对象象 机械除尘 过滤除

13、尘 静电除尘 湿式除尘 物理吸收法 化学吸收法 吸附法 催化氧化法 生物法 燃烧法 稀释法 重力沉降作用、 离心沉降作用 物理截流作用 静电沉降作用 惯性碰撞作用、洗涤作用 物理吸收 化学吸收 界面吸附作用 氧化还原反应 生物降解作用 燃烧反应 扩散 颗粒/气溶胶状态污染物 颗粒/气溶胶状态污染物 颗粒/气溶胶状态污染物 颗粒/气溶胶状态污染物 气态污染物 气态污染物 气态污染物 气态污染物 可降解性有机污染物、还原态无机污染物 有机污染物 所有污染物 三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述（三）固体废弃物处理处置与管理（三）固体废弃物处理处置与管理 1、固体废弃物的种类

14、及其危害固体废弃物的种类及其危害 固体废弃物固体废弃物 人类活动过程中产生的、且对所有者已不再具人类活动过程中产生的、且对所有者已不再具有使用价值而被废弃的固态或半固态物质。如工业有使用价值而被废弃的固态或半固态物质。如工业固体废物固体废物( (废渣废渣) )、城市垃圾。、城市垃圾。废渣废渣生产活动中产生的固体废弃物生产活动中产生的固体废弃物垃圾垃圾生活活动中产生的固体废弃物生活活动中产生的固体废弃物三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述固体废弃物对环境的危害：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滤，污染土通过雨水的淋溶和地表径流的渗滤，污染土壤

15、、地下水和地表水，从而危害人体健康；壤、地下水和地表水，从而危害人体健康； (2) 通过飞尘、微生物作用产生的恶臭以及化学通过飞尘、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；反应产生的有害气体等污染空气； (3) 固体废弃物存放和最终填埋处理占据大面积固体废弃物存放和最终填埋处理占据大面积土地。土地。 三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述 2、固体废弃物处置技术固体废弃物处置技术处处理理技技术术 利利用用的的主主要要原原理理 主主要要去去除除对对象象 压实 破碎 分选 脱水/干燥 中和法 氧化还原法 压强（挤压）作用 冲击、剪切、挤压破碎 重力作用、磁力

16、作用 过滤作用、干燥 中和反应 氧化还原反应 高孔隙率固体废弃物 大型固体废弃物 所有固体废弃物 含水量高的固体废弃物 酸性、碱性废渣 氧化还原性废渣 （如铬渣） 固化法 固化与隔离作用 有毒有害固体废弃物 堆肥 焚烧 填埋处理 生物降解作用 燃烧反应 隔离作用 有机垃圾 有机固体废弃物 无机等稳定性固体废弃物 三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述（四）废物资源化技术（四）废物资源化技术 资源化途径：资源化途径：物质的回收、再生利用、能源转化物质的回收、再生利用、能源转化资资源源化化技技术术 主主要要原原理理 应应用用对对象象 焚烧 堆肥 离子交换 溶剂萃取 电解 沉淀

17、 蒸发浓缩 沼气发酵 燃烧反应 生物降解作用 离子交换 萃取 电化学反应 沉淀 挥发 生物降解作用 有机固体废弃物的能源化 城市垃圾还田 工业废水、废液中金属的回收；废酸的再生利用 工业废水、废液中金属的回收；废酸的再生利用 工业废水、废液中金属的回收；废酸的再生利用 工业废水、废液中金属的回收 废酸的再生利用 高浓度有机废水/废液利用 三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述 污染污染控制控制将排放的污染物转化成无害物质或回收利用将排放的污染物转化成无害物质或回收利用生产过程中尽可能减少排放量及无污染物排放生产过程中尽可能减少排放量及无污染物排放新化学品取代环境有害物质，

18、从源头排除污染新化学品取代环境有害物质，从源头排除污染绿色化学绿色化学三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述环境催化技术环境催化技术提高环境治理效率提高环境治理效率降低处理费用降低处理费用拓宽消除污染物的途径拓宽消除污染物的途径扩大降解场所扩大降解场所环境催化技术在改造传统落后的工艺中具有独特的环境催化技术在改造传统落后的工艺中具有独特的优越性，其研究与开发已成为环保技术的重要领域。优越性，其研究与开发已成为环保技术的重要领域。有毒、难降解有机物有毒、难降解有机物三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述 高级氧化技术是指通过不同途径产生羟基自由高级氧化

19、技术是指通过不同途径产生羟基自由基（基（OH），利用），利用OH的强氧化性使大分子难降解的强氧化性使大分子难降解的有机污染物发生开环、断键、加成、取代、电子的有机污染物发生开环、断键、加成、取代、电子转移等反应，使其转变成小分子物质，或直接矿化转移等反应，使其转变成小分子物质，或直接矿化成成CO2和和H2O，达到无害化处理的目的。，达到无害化处理的目的。UV/O3/H2O2技术技术采用采用UV辐照、辐照、O3和和H2O2联合的高级氧化技术能联合的高级氧化技术能高速产生高速产生OH三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述(2) 光催化：光催化：在污染体系中投入光敏半导体材料在

20、污染体系中投入光敏半导体材料TiO2 或或ZnO等，在等，在UV照射下激发产生电子照射下激发产生电子 空穴对，吸附在半导体上的溶解氧、空穴对，吸附在半导体上的溶解氧、 水分子等与空穴作用，产生水分子等与空穴作用，产生OH等。等。均相光催化氧化均相光催化氧化UV/Fenton非均相光催化氧化非均相光催化氧化UV/TiO22、光催化氧化、光催化氧化(1) 光助芬顿反应：光助芬顿反应：以以Fe2+或或Fe3+及及H2O2为介质，为介质， 在在UV作作 用下高速产生用下高速产生OH。三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述3、电催化氧化、电催化氧化 指污染物在电极上直接发生电化学反

21、应或利用电指污染物在电极上直接发生电化学反应或利用电 极表面产生的活性物种使污染物发生氧化反应。极表面产生的活性物种使污染物发生氧化反应。应用：处理重金属盐，金属氧化物及水中污染物应用：处理重金属盐，金属氧化物及水中污染物4、非平衡等离子体技术、非平衡等离子体技术等离子体又称为等离子体又称为物质的第四态，物质的第四态，是由是由电子、正负离电子、正负离子、激发态的原子、分子以及自由基子、激发态的原子、分子以及自由基等粒子组成，等粒子组成，表现出集体行为的准中性非凝聚系统。表现出集体行为的准中性非凝聚系统。三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述 原理：原理：将高压脉冲施加于两

22、电极上，两极间产将高压脉冲施加于两电极上，两极间产生高能电子，与生高能电子，与H2O和和O2碰撞产生碰撞产生OH、O、H、H2O2和和O3等活性物质，并伴随紫外辐射、超声波、等活性物质，并伴随紫外辐射、超声波、冲击波等物理效应。非平衡等离子体处理技术几乎冲击波等物理效应。非平衡等离子体处理技术几乎是各种高级氧化技术单元的天然组合，被认为是是各种高级氧化技术单元的天然组合，被认为是21世纪最具发展前途的技术之一。世纪最具发展前途的技术之一。应用：处理气体及水中有机污染物；烟气的脱硫、应用：处理气体及水中有机污染物；烟气的脱硫、 脱硝。脱硝。三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术

23、概述4 4、生物催化、生物催化 生物催化是利用酶或者生物有机体（全细胞、生物催化是利用酶或者生物有机体（全细胞、细胞器、组织等）作为催化剂进行化学转化的过程细胞器、组织等）作为催化剂进行化学转化的过程，又称为生物转化。生物催化中常用的有机体主要，又称为生物转化。生物催化中常用的有机体主要是微生物，其本质是利用微生物细胞内的酶进行催是微生物，其本质是利用微生物细胞内的酶进行催化。化。三、环境净化与污染控制技术概述三、环境净化与污染控制技术概述环境净化与环境净化与污染控制技污染控制技术原理术原理隔离（扩散控制）隔离（扩散控制）分离（不同介质间的迁移）分离（不同介质间的迁移）转化（转化（化学反应、生

24、物反应化学反应、生物反应）四、环境净化与污染控制技术原理四、环境净化与污染控制技术原理 1 1、环境净化与污染控制技术原理、环境净化与污染控制技术原理2、污染治理的核心：、污染治理的核心：隔离隔离/ /分分离离/ /转化转化方式的方式的优选与优选与组合组合污染物高效（去除效率、能耗）、快速去除污染物高效（去除效率、能耗）、快速去除装置优装置优化设计化设计操作方式和操操作方式和操作条件的优化作条件的优化介质的混合状态和流体流态的优化介质的混合状态和流体流态的优化迁移（物质、能量）和反应速率的强化迁移（物质、能量）和反应速率的强化四、环境净化与污染控制技术原理四、环境净化与污染控制技术原理 3 3

25、、环境污染的特点及对环境工程专业人才的要求、环境污染的特点及对环境工程专业人才的要求污染控制技术的多样性和复杂性污染控制技术的多样性和复杂性污染地污染地区社会、区社会、经济条经济条件的多件的多样性样性 地域特征地域特征 时间特征时间特征综合性、复杂性综合性、复杂性污染物种类多、浓度各异污染物种类多、浓度各异环境污染的复杂性环境污染的复杂性环境领域专业技术人才的知识结构？环境领域专业技术人才的知识结构？（系统的专业理论基础、良好的素质和综合能力）（系统的专业理论基础、良好的素质和综合能力）四、环境净化与污染控制技术原理四、环境净化与污染控制技术原理 1、环境工程原理环境工程原理与其它学科的关系与

26、其它学科的关系 环境工程原理化工原理传递过程原理原理流体力学工程学环境工环境工程原理程原理化工原理化工原理传递过传递过程原理程原理反应反应工程工程流体流体力学力学生物生物工程工程工程学工程学五、环境工程原理的研究对象和方法 2、环境工程原理环境工程原理的研究对象的研究对象 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。宏观宏观机理机理分离分离 (沉降、过滤，吸附、吸收、膜分离沉降、过滤，吸附、吸收、膜分离)转化转化 (化学转化、生物转化化学转化、生物转化)微观过程：微观过程： 宏观现象宏观现象 (机理机理)产生机制与微观步骤产生机制与微观步骤设计基本理论：设计基本理论：污染物净化装置的

27、设计、计算理论污染物净化装置的设计、计算理论五、环境工程原理的研究对象和方法 3、环境工程原理环境工程原理的基本研究方法的基本研究方法 物料与能量衡算物料与能量衡算 (质量守恒与能量守恒原理质量守恒与能量守恒原理) 微观过程解析微观过程解析 (物质与能量的迁移过程、转化过程物质与能量的迁移过程、转化过程) 变化速率的数学表达变化速率的数学表达 (为工程设计计算提供依据为工程设计计算提供依据)（1 1）“量量”与与“变化速率变化速率”的计算的计算五、环境工程原理的研究对象和方法 （2）分析问题的基本思路）分析问题的基本思路宏观机理宏观机理简单现象简单现象微观过程分析微观过程分析（看本质）（看本质

28、）简单过程的简单过程的复杂化复杂化数学表达数学表达（定量解析）（定量解析）复杂过程的复杂过程的简单化简单化污染净化装置的污染净化装置的设计计算和操作优化设计计算和操作优化五、环境工程原理的研究对象和方法 微观过程的分析（简单过程的复杂化）微观过程的分析（简单过程的复杂化） 剖析组成宏观过程的基本要素（过程）剖析组成宏观过程的基本要素（过程）找出控制步骤，采取科学合理找出控制步骤，采取科学合理的手段，提高去除效率的手段，提高去除效率 一个宏观过程往往是一系列微观过程的串联，一个宏观过程往往是一系列微观过程的串联，宏观过程的速率往往由某个关键的微观过程速率所宏观过程的速率往往由某个关键的微观过程速

29、率所决定，该过程称为决定，该过程称为“控制步骤控制步骤”或或“控速过程控速过程”五、环境工程原理的研究对象和方法 固体催化剂固体催化剂微孔微孔内表面内表面设某气设某气- -固相催化反应（固相催化反应（A AP P）主要发生在多孔催化剂的内表面）主要发生在多孔催化剂的内表面反应物的外扩散；反应物的外扩散；A气相气相主体主体边界边界层层1A2A3A4P5P6P7P扩散过程反应物的内扩散；反应物的内扩散； 反应物的吸附；反应物的吸附；表面反应；表面反应； 产物的脱附；产物的脱附； 产物的内扩散；产物的内扩散； 产物的外扩散产物的外扩散动力学过程(表面反应)吸脱附过程五、五、环境工程原理环境工程原理的

30、研究对象和方法的研究对象和方法 数学表达（复杂过程的简单化）数学表达（复杂过程的简单化） 数学表达的目的：数学表达的目的： 过程的定量计算过程的定量计算(工程设计计算的基础工程设计计算的基础) 简单化的目的：简单化的目的： 科学、合理的简化可大大简化计算过程，科学、合理的简化可大大简化计算过程，提高设计计算效率提高设计计算效率五、环境工程原理的研究对象和方法 六、六、 环境工程原理环境工程原理课程的学习内容和目的课程的学习内容和目的 （1 1）环境工程原理基础：）环境工程原理基础：重点阐述工程学的基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。理以及热量与质量传递过程的基本理论等。 （2 2）分离过程原理：）分离过程原理：主要阐述沉淀、过滤、吸主要阐述沉淀、过滤、吸收、吸附、离子交换、膜分离等基本分离过程的机收、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。理和基本设计计算理论。 （3 3）反应工程原理：）反应工程原理：主要阐述主要阐述化学与生物反应化学与生物反应计量学计量学及动力学、各类化学与生物反应器的解析与及动力学、各类化学与生物反应器的解析与设计理论等。设计理论等。1、本课程的主要内容本课程的主要内容2、课程学习的目的、课程学习的目的 “环境工