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1、环境工程概论,知己知彼,学历：清华大学化工博士、环境工程博士后工作经历：湖南省益阳市农药厂3年，担任厂长2年。 1. 益阳市农药厂：氧化乐果生产工艺技术改造； 2. 益阳市农药厂：开发25%扑虱灵可湿性粉剂。主要研究经历： 1. 立式旋转热解气化焚烧系统设计及工艺参数优化； 2. 卧式链条炉焚烧系统工艺设计及调试； 3. 小型医院垃圾焚烧炉初步设计； 4. 北京水泥厂水泥回转窑焚烧危险废物可行性分析； 5. 福建省危险废物综合处置场工程初步设计； 6. 越南河内日处理200吨城市生活垃圾堆肥可行性研究；,7. 云南云县糖厂糖渣/生活垃圾联合堆肥； 8. 河南平顶山100吨/天生活垃圾动态好氧堆
2、肥可研及初步设计； 9. 山峡库区城市生活垃圾处理示范工程项目(长寿及万州); 10. 废电池、废电子线路板的资源化回收设备设计及工艺开发； 11. 对羟基苯甲醛工厂设计、工艺确定及调试、优化； 12. L-苹果酸生产工艺技术改进; 13.四氟苯甲酸生产工艺改进。,目前正在进行的课题：1、室内空气净化装置性能优化；2、垃圾焚烧停炉以后烟气的净化技术及设备开发；3、固体废物（秸杆、锯木屑等）资源化利用：环保型粘接剂开发。,主要参考书目,环境工程导论（第3版），美国McGraw Hill教育出版集团。王建龙 译清华大学出版社，2002年1月。售价：54元人民币。 国内外所有与环境工程有关的杂志、论
3、文。 课件下载：incoming讲义环境工程概论，点鼠标右键，再选择“复制到文件夹”。,本课程内容安排（32学时上课+2学时复习+2学时考试）,第一章 引言（2学时）1.1 什么是工程？什么是环境工程？ 1.2 环境系统概论1.3 利用质量平衡法求解环境问题第二章 给水处理（6学时）2.1 引言 2.2 混凝 2.3 软化 2.4 反应器 2.5 混合和絮凝 2.6 沉淀 2.7 过滤 2.8 消毒 2.9 吸附 2.10 问题与讨论第三章 水质管理（2学时）3.1 引言 3.2 水中污染物及其来源 3.3 河水水质管理 3.4 湖泊水质管理 3.5 问题与讨论,第四章 废水处理（6学时）4.
4、1 废水处理中的微生物 4.2 废水的特性 4.3 城市废水处理系统 4.4 预处理单元操作 4.5 一级处理 4.6 二级处理 4.7 消毒 4.8 三级处理 4.9 土地处理 4.10 污泥处理与处置 4.11 问题与讨论第五章 空气污染（4学时）5.1 空气污染概述 5.2 空气污染的影响 5.3 空气污染物的来源河归宿 5.4 微观河宏观空气污染 5.5 空气污染气象学 5.6 大气扩散作用 5.7 室内空气质量模型 5.8 固定源的空气污染控制 5.9 移动源的空气污染控制 5.10 问题与讨论。,第六章 噪声污染（4学时）6.1 噪声对人的影响 6.2 等级评估系统 6.3 室外噪
5、声的传播 6.4 交通噪声预测 6.5 噪声控制 6.6 问题与讨论第七章 固体废物资源化（4学时）（7.1 概述 7.2 收集 7.3 内部线路转运 7.4 卫生填埋 7.5 焚烧 7.6 堆肥 7.7 资源保护与回收 7.8 问题与讨论）7.1 城市垃圾资源化技术 7.2 废塑料的再生利用 7.3 废电池的回收与综合利用 7.4 废轮胎、废橡胶的回收和利用 7.5 危险废物资源化（第八章 危险废物管理（4学时）8.1 什么是险废物？ 8.2 风险 8.3 危险废物管理 8.4 危险废物处理技术 8.5 土地处置 8.6 地下水污染和修复 8.7 问题与讨论）第八章 环境工程领域的热点问题介
6、绍（4学时）8.1 垃圾焚烧过程二恶英的控制问题 8.2 垃圾渗滤液处理问题8.3 室内空气污染问题 8.4 中水回用技术问题,第一章 引言,1.1 什么是工程？什么是环境工程？美国工程师发展协会（The Engineers Council for Professional Development, 简称ECPD）给出了工程的定义：“工程是一种职业，它利用通过学习、经验、实践所获得的教学和自然科学知识，来寻求经济地利用物质和自然力量的方法，以造福人类”。工程师在其专业发展中必须在资深工程师的指导下获得经验、实践和判断能力。,美国土木工程师学会（American Society of Civil
7、 Engineers, ASCE）环境工程分会给出的环境工程的定义：环境工程（Environmental Engineering）通过健全的工程理论与实践来解决环境卫生（environmental sanitation）问题，主要包括：提供安全、可口和充足的公共给水；适当处理与循环使用废水和固体废物；建立城市和农村符合卫生要求的排水系统；控制水、土壤和空气污染，并消除这些问题对社会和环境所造成的影响。而且，环境工程所涉及的是公共卫生领域里的工程问题，例如控制通过节肢动物传染的疾病、消除工业健康危害、为城市、农村和娱乐场所提供合适的卫生设施，评价技术进步对环境的影响等。,1.2 环境系统概论1.
8、2.1 系统在环境系统中，我们很难真正识别所有关联的部分，更不用说了解它们之间的相互影响。因此，我们所要做的第一件事是将系统进行简化，且要求与真实系统相似，简化模型当然无法在细节上与真实系统完全一样，但要求基本上近似。根据上述简化原则来描述三种环境系统：水资源管理系统、空气资源管理系统和固体废物管理系统。如果介质是空气、水或土壤之一，则限于以上三个系统之一的污染问题称为“单介质（single-medium）问题”。许多重要的环境问题并不限于简单的某一系统之中，通常涉及到空气、水和土壤等多种介质，这些问题称为“多介质（Multimedia）问题”。,1.2.2 水资源管理系统（1）供水子系统水源
9、的性质决定了集水、净水、输水和配水工程的规划、设计与运行。地表水（surface water）和地下水（ground water）是供应社区和生活用水需求的两种主要水源。小溪、湖泊和河流是地表水源。地下水源是从水井抽出水的地方。不同的水源需要使用不同的集水工程和处理工程。城市中的管网称为配水系统，管路本身通常称为水干线。在低水量期间（通常在夜间），水处理厂生产的多余水储存在蓄水池内，储存的水可以用来满足白天高需水量期间的要求。以下为一个服务于小社区的供水资源系统概况图。,供水资源系统概况图,人口和耗水形式是控制需水量的主要因素，因此也决定了水源和整个水资源系统的组成。选择合适的供水水源的前期步
10、骤之一是确定需水量。影响需水量的基本要素包括平均日用水量和高峰需水量。估计平均日用水量是为了确定：（1）地表水或地下水在枯水季节低水位时能否不间断地供水；（2）需储存多大的水量才能满足枯水季节的需水量。估计高峰需水量是为了确定水管的尺寸压力损失和满足高峰用水需求所需要的需水量。,影响人们用水的主要因素包括：（1）工业活动：使人均需水量增加；（2）是否安装水表：水表赋予用户一种责任感。没有安装水表的用户缺乏这种责任感。（3）系统管理：如果配水系统管理好，人均用水量就会降低。管理者知道何时何地自来水干线会漏水，并且很快地修复它。（4）生活水平越高，个人水量就越多；（5）较高的年平均气温代表较多的人
11、均用水量，降雨多的地区用水比较少。,（2）废水处理子系统最简单形式的废水管理子系统由六个部分组成，如右图。废水来源主要有工业废水和生活污水。当工业废水会影响到城市废水处理厂的正常运行时必须进行预处理。,进入废水处理场的废水量随用水情况会有很大的变化。典型的日变化量如下图所示。,大部分的社区用水最终都会进入污水下水道。浇草坪、洗车及其它消耗性用水在使用中大约会损失5%10%。消耗性用水量等于进入配水系统的平均水量与进入废水处理厂的平均水量之间的差值（管道泄露情况除外）。,下水道可以分为3类：污水、雨水和合流式下水道。污水下水道：输送住宅及商业区污水。工业废水经过适当处理以后也可排入污水下水道。雨
12、水下水道：处理过量的雨水以防低洼地区淹水。污水下水道将污水送到污水处理厂，而雨水下水道通常使雨水排入河流、小溪。合流式下水道：同时接纳雨水和污水。目的是为了在干旱期使废水进入处理设施，在暴雨期间，使过量的水不经过处理直接排入河流、小溪和湖泊。可是，不幸的是，暴雨会与未经处理的污水混合。现代设计不鼓励采用合流式下水道。为了持续改善我们的自然水体，要求将原有的合流式下水道系统逐步改为分流式下水系统。,当无法使用重力流方式或下水管埋设太深而不经济时，需要考虑使用泵站。废水被垂直泵送到较高处的重力下水道。该污水泵所在的位置称为提升站（lift station）。废水处理厂的出水可以排放到海洋、湖泊或河
13、流（受纳水体），也可排入土壤，但是不要超过水体或土壤的纳污能力，或者回收利用。总之，水资源管理是管理水质和水量的过程，应该在不破坏水的可利用性和纯度的情况下，满足人们对水的需求。,1.2.3 空气资源管理系统空气资源与水资源在两个主要方面有所不同。第一是关于量。为了获得足够的水量，需要建造各种工程结构物，而空气可以大量免费获得。第二个方面是关于质。水可以在使用之前进行处理，然而我们不可能随时戴着防毒面具以处理不干净的空气。戴上耳塞以防止噪声污染。空气资源管理就是在成本-效益平衡的条件下获得所期望质量的空气。空气资源管理计划建立的理由有多种，最正当的两个理由是：空气质量已经恶化且有必要进行改善；
14、如果不处理，则将来可能会出现更大的问题。空气资源管理系统的简化方框图见下图。,1.2.4 固体废物管理1. 定义及特征固体废物是指人类在生产建设、日常生活和其他活动中产生的，在一定时间和地点无法利用而被丢弃的污染环境的固体、半固体废弃物质。从广义上讲，根据物质的形态划分，废物包括固态、液态和气态废弃物质。在液态和气态废弃物中,大部分为废弃的污染物质混掺在水和空气中,直接或经处理后排入水体或大气。在我国, 它们被习惯地称为废水和废气,而纳入水环境或大气环境管理体系管理。其中不能排入水体的液态废物和不能排入大气的置于容器中的气态废物，由于多具有较大的危害性，在我国归入固体废物管理体系。,固体废物一
15、词中的“废”具有鲜明的时间和空间特征。 从时间方面讲, 它仅仅相对于目前的科学技术和经济条件, 随着科学技术的飞速发展,矿物资源的日逐枯竭, 生物资源滞后于人类需求, 昨天的废物势必又将成为明天的资源。从空间角度看, 废物仅仅相对于某一过程或某一方面没有使用价值, 而并非在一切过程或一切方面都没有使用价值。 某一过程的废物,往往是另一过程的原料。 我国目前已建立了许多废物回收利用工厂, 如用粉煤灰制砖, 用煤矸石发电,用高炉渣生产水泥, 从电镀污泥中回收贵重金属等。 所以固体废物又有“放错地方的资源”之称。,固体废物主要来源于人类的生产和消费活动，人们在开发资源和制造产品的过程中，必然产生废物
16、；任何产品经过使用和消耗后，最终将变成废物。物质和能源消耗量越多，废物产生量就越大。进入经济体系中的物质,仅有1015% 以建筑物、工厂、装置、器具等形式积累起来，其余都变成了废物。以美国为例，投入使用的食品罐头盒,饮料瓶等，平均几个星期就变成了废物，家用电器和小汽车平均710年变成废物，建筑物使用期限最长，但经过数十年至数百年后也将变成废物。,2. 固体废物的分类固体废物分类的方法有多种，按其组成可分为有机废物和无机废物；按其形态可分为固态的废物、半固态废物和液态（气态）废物；按其污染特性可分为危险废物和一般废物等。根据固体废物污染环境防治法分为城市生活垃圾、工业固体废物和危险废物。（1)
17、城市生活垃圾城市生活垃圾又称为城市固体废物，它是指在城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，其主要成分包括厨余物，废纸，废塑料，废织物，废金属，废玻璃陶瓷碎片，砖瓦渣土，粪便，以及废家用什具，废旧电器，庭园废物等等。城市生活垃圾主要产自城市居民家庭、城市商业、餐饮业、旅馆业、旅游业、服务业、市政环卫业、交通运输业、文教卫生业和行政事业单位、工业企业单位以及水处理污泥等。它的主要特点是成分复杂，有机物含量高。影响城市生活垃圾成分的主要因素有居民生活水平、生活习惯，季节，气候等。,城市生活垃圾所含化学元素典型数据,城市生活垃圾组成的典型组分几热值分析数据,（2) 工业固体
18、废物工业固体废物是指在工业、交通等生产过程过程中产生的固体废物。工业固体废物主要包括以下几类：（1）冶金工业固体废物 主要包括各种金属冶炼或加工过程中所产生的各种废渣，如高炉炼铁产生的高炉渣、平炉转炉电炉炼钢产生的钢渣、铜镍铅锌等有色金属冶炼过程产生的有色金属渣、铁合金渣及提炼氧化铝时产生的赤泥等；（2）能源工业固体废物 主要包括燃煤电厂产生的粉煤灰、炉渣、烟道灰、采煤及洗煤过程中产生的煤矸石等；（3）石油化学工业固体废物 主要包括石油及加工工业产生的油泥、焦油页岩渣、废催化剂、废有机溶剂等，化学工业生产过程中产生的硫铁矿渣、酸渣碱渣、盐泥、釜底泥、精(蒸）馏残渣以及医药和农药生产过程中产生的
19、医药废物、废药品、废农药等；（4）矿业固体废物 矿业固体废物主要包括采矿废石和尾矿。废石是指各种金属、非金属矿山开采过程中从主矿上剥离下来的各种围岩，尾矿是指在选矿过程中提取精矿以后剩下的尾渣；,（5）轻工业固体废物 主要包括食品工业、造纸印刷工业、纺织印染工业、皮革工业等工业加工过程中产生的污泥、动物残物、废酸、废碱以及其他废物；（6）其他工业固体废物 主要包括机加工过程产生的金属碎屑、电镀污泥、建筑废料以及其他工业加工过程产生的废渣等。（3）危险废物危险废物是指列入国家危险废物名录或是根据国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法认定具有危险特性的废物。关于危险废物的定义、分类和鉴别标准，在第八
20、章中专题讨论。固体废物的分类，除以上三者之外，还有来自农业生产、畜禽饲养、农副产品加工以及农村居民生活所产生的废物，如农作物秸杆、人畜禽排泄物等。这些废物多产于城市郊区以外，一般多就地加以综合利用，或作沤肥处理，或作燃料焚化。在我国的固体废物污染环境防治法中，对此未单独列项作出规定。,固体废物管理的简化方框图,1.2.5 多介质系统很多环境问题跨越空气-水-土壤边界。见以下示意图。,燃煤、发电多介质系统,垃圾焚烧多介质系统,1.2.6 噪声基础人类的生存伴随着各种各样的声音。一般地说，人们将声音分成乐声和噪声。在物理学上，节奏有调，听起来和谐的声音成为乐声；而把杂乱无章、听起来不和谐的声音称为
21、噪声。在心理学上，认为噪声和乐声是很难区分的，它们会随着人们主观判别的差异而改变。因此，人们把凡是使人烦躁、讨厌、不需要的声音都称之为噪声。衡量噪声强弱或污染轻重程度的基本物理量是声压、声强和声功率。由于正常人的听觉所能感觉到的声压或声强变化范围很大，相差在百万倍以上，不便表达，因此，采用了以常用对数作相对比较的“级”的表述方法，分别规定了声压级、声强级和声功率级的基准值和测量计算公式。,噪声对人体的影响是多方面的，首先是在听觉方面。人在较强噪声环境下暴露一定时间会出现听力下降的现象。回到安静场所停留一段时间后，听力会得到恢复。这种现象称为暂时性听阈偏移，也叫听觉疲劳。一般情况下，80dBA以
22、下的职业性噪声暴露一般不致引起噪声性耳聋，但也造成听力损伤； 8085dBA可造成轻微的听力损伤； 8590dBA可造成少数人噪声性耳聋； 90100dBA可造成一定数量的人噪声性耳聋； 100dBA以上造成相当数量的人噪声性耳聋。这些都是慢性噪声性耳聋。暴震性耳聋：当人们无思想准备时，突然暴露在强烈的噪声（高达150dBA）环境下，将造成急性暴震性耳聋，双耳完全失听。,1.3 利用质量平衡法求解环境问题1.3.1 质量平衡原理物质既不会创造，也不会消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。在环境系统或子系统中，质量方程式可以写成：积累质量 = 输入质量 - 输出质量对于许多环境问题，时间是表达问
23、题严重程度或工程设计中的重要参数：累计速率 = 输入速率 输出速率,在环境系统或子系统中，质量方程式可以写成：在质量平衡方法中，先画出一个过程的流程图或环境子系统的概念图，将所有已知的输入量、输出量、积累量都换算成相同的质量单位，未知的输入、输出和积累量也在图中标出来，然后写出物料平衡方程式，求解。当一个系统的输入速率和输出速率保持恒定且相等时，累计速率等于零，这种状态称为稳定状态（steady state）。,Example 1,有一雨水下水道正在将含有1.200g/L氯化钠的溶雪输送到一小河中。河水本身含有20mg/L氯化钠。已知雨水下水道流量是2000L/min，河水流量是2.0m3/s
24、，请问河水中盐的浓度是多少？假设下水道水流与河水水流完全混合，盐份守恒，系统处于稳定状态。,Illustration Picture,Solution 1,积累速率 = CstQst + CseQse CmixQmix式中： Qmix = Qst + Qse因为系统处于稳定状态，所以积累速率 = 0。由此得到： CstQst + CseQse CmixQmix = 0 Cmix = CstQst + CseQse/Qst + Qse单位换算：Cse = (1.2000g/L)(1000mg/g) = 1200mg/LQst = (2.0m3/s) = 120000 L/min 代入计算：Cmi
25、x = 39.34mg/L,Example 2,某废水处理场有一个水计量罐，操作人员小A打开水泵往里注水，但是他忘了关闭该计量罐的底阀。计量罐的容积是0.35m3，水泵的流量是1.32L/s，排水阀门处的流量为0.32L/s。请问，需要多长时间才能将计量罐打满？会浪费多少水？假设水的密度为1000kg/m3。,Illustration Picture,利用积分形式求解：dM/dt是累计质量除以时间。由于水的密度不变，所以：dM= V dt假设t时间内计量罐被注满，那么：,将微分式两端积分，得到：所以，有：350L = (1.32L/s) t - (0.32L/s) tt = 350 s。,Questions,Q1：一个卫生填埋场的可用面积为20hm2，平均深度为30米，每星期有800m3的固体废物倒入此垃圾场，固体压缩成原来密度的2倍。请绘出质量平衡图，并估计填埋场的使用年限。,Q2：如果水价上涨为原来的2倍，你认为需水量会不会降低一半？Attention Please: 下次上课时交上来。,
