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1、环境工程原理,参考书目谭天恩主编,化工原理，化学工业出版社,1984柴诚敬主编,化工原理(上,下册),高等教育出版社,2005蒋维钧等编著,化工原理(第二版)清华大学出版社,2003余国琮主编,化学工程辞典(第二版),化学工业出版社,2003郭仁惠 主编，环境工程原理，化学工业出版社2008张柏钦主编，环境工程原理，化学工业出版社,2008周集体主编，环境工程原理，大连理工大学出版社，2006,第一章 绪 论,一、环境问题与环境学科的发展 一）、环境问题的产生及面临的环境问题 环境(Environment泛指；Surroundings周围，环境，侧重物质的；circumstance境况，情况,
2、情形,环境；setting安装，调整，背景，环境 环境：是一泛指名词。环者绕，围绕，境者疆，疆土。当今对环境的概念有不同的理解，提法多种。某一特定生物体或生物群体以外的空间，以及直接或间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和,社会环境人们生活的社会经济制度和上层建筑的环境条件。如经济基础、政治制度、法律制度、教育、文化艺术。自然环境人们赖以生存和发展的物质条件，即自然界。包括：空气、水、土壤、动植物等。各组成不同，又可分为不同的地理环境：大气圈、水圈、土壤圈、岩石圈、生物圈、地质和宇宙环境。我们这里所说的环境主要是人类生存环境，主要指自然环境，尤其是生物圈。,环境问题是指由于人类活动作用
3、于周围环境所引起的环境质量变化，以及这种变化对人类的生产、生活和健康造成的影响。或环境问题是指全球环境或区域环境中出现的不利于人类生存和发展的各种现象 人类在改造自然环境和创建社会环境的过程中，自然环境仍以其固有的自然规律变化着。社会环境一方面受自然环境的制约，也以其固有的规律运动着。人类与环境不断地相互影响和作用，产生环境问题。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，也叫第一环境问题。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，也叫第二环境问题和“公害”。次生环境问题一般又分为环境污染和生态破坏两大类。,人类不但在
4、环境中生存，还同时利用和改造着环境。近百年来，人类这种利用和改造环境的活动是巨大的：现代工农业的迅猛发展;资源、能源被大量开发利用;大型工程的兴建;人口过分增长并集中于城市等.已对环境变化产生了深远的影响，自然环境条件受到直接或间接、近期或长远的、明显或缓慢的污染和破坏，严重威胁着生物体和人类更好地生存。,环境破坏的原因：,环境破坏带来的影响危害：,(1)威胁人类的健康与安全：空气污染引起呼吸道病，放射性及毒物污染导致癌症，噪声破坏听力。(2)自然环境破坏加剧：水体破坏导致水生生物死亡，饮用水质下降，植被破坏引起水土流失，洪涝、干旱发生的频率剧增。(3)生态系统失衡：生物灭绝，土壤沙漠化，气候
5、变暖或变坏。所以，环境保护是有关人类生存的重要问题。,环境污染的产生，有自然的原因(如火山爆发、森林火灾、地震等)；但绝大部分是人类活动的后果，目前亟待解决的全球性的环境问题有：（十大环境问题:温室效应、酸雨肆虐、森林锐减、水土流失、水危机、土地荒漠化、臭氧层遭破坏、物种灭绝、垃圾成灾、有毒化学品污染。),1.气候变暖：（Greenhouse Effect,大气中的CO2、CH4、N2O、CFCs(氯氟烃)、氟化碳（PFCS）六氟化硫（SF6）及其它等温室气体含量增高所致）CO2含量增高的原因：化石燃料完全燃烧后排放出大量的CO2。大量的森林被砍伐。从而使大气中的浓度不断提高，超过自然界的平衡
6、能力，出现了温室效应。CO2为三原子气体，能够让太阳短波辐射通过，但却可以强烈地吸收长波辐射，就像温室中玻璃保温一样，使地表大气温度提高。气候变暧的后果：森林、湿地、极地冰土破坏；物种灭绝加速；海水升温，海平面上涨，沿海淹没；引起气候异常，海洋及大气环流变化、洪涝、旱灾。,二）目前存在的环境问题,根据IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）报告：过去100年全球平均气温升高了0.74，最近50年有加速之势；海表面温度在升高，陆地表面温度升高得更快；海平面在持续上升，北半球雪盖和极冰、冰川和冻土正在持续减少。从现在开始到2100年，全球平均气温的“最可能升高幅度”是1.84，海平面升高幅度是1
7、8厘米59厘米 近100年来，中国平均地表气温明显升高，升温幅度约为0.50.8；近50年中国增暖尤其明显，我国平均地表气温增加1.1，增温速率为0.2210年，明显高于全球或北半球同期平均增温速率。(自1905年以来中国地表年平均气温明显增暖,升高幅度约为0.79,增温速率约为0.08/10 a,比同期全球或北半球平均略高.但是,20世纪80年代初以来的增温似乎不比3040年代明显,而20世纪5060年代地表气温的变冷却比全球或北半球显著得多),温室气体种类和特征,京都议定书附件A给出了人类排放的温室气体主要有6种，即二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFC
8、s）、全氟化碳（PFCs）、和六氟化硫（SF6）。其中对气候变化影响最大的是CO2。它产生的增温效应占所有温室气体总增温效应的63，在大气中存留期最长可达200年,正常雨水的pH=？什么是酸雨?正常雨水的pH=5.6，弱酸性。酸雨：pH5.6的雨水、冻雨、雪、雹、露等大气降水。产生原因：化石燃料燃烧、金属冶炼排放的酸性物质SO2，NOX，经过大气化学、物理过程形成硫酸和硝酸。酸雨成分中硫酸占6070，硝酸占30，盐酸占5，有机酸占2。,2.酸 雨,据统计，全球每年排放进大气的二氧化硫约1亿吨，二氧化氮的5000万吨，所以，酸雨主要是人类生产活动和生活造成的。目前，全球已形成三大酸雨区:(1)我
9、国覆盖四川、贵州、广东、广西、湖南、湖北、江西、浙江、江苏和青岛等省市部分地区，面积达200多万平方公里的酸雨区是世界三大酸雨区之一。我国酸雨区面积扩大之快、降水酸化率之高，在世界上是罕见的。(2)以德、法、英等国为中心，波及大半个欧洲的北欧酸雨区;(3)包括美国和加拿大在内的北美酸雨区,2010年第一次全国污染源普查：中国二氧化硫排放总量达到2320万吨,氮氧化物排放总量1797.70万吨,我国以外的这两个酸雨区的总面积大约1000多万平方公里，降水的pH值小于0.5，有的甚至小于0.4。,50年代以前，酸雨只在局部地区出现。70年代初，北欧、英国和西德，酸雨造成的环境酸化程度超过正常值的1
10、0倍以上，1974年科西嘉岛，pH2.4。1982年美国15个州的降水pH4.8。我国70年代末发现酸雨。目前酸雨面积已扩大到国土面积的30以上。主要分布于长江以南、青藏高原以东及四川盆地。长沙，pH3.54。北方地区也有一些城市，如青岛、图们、太原等。目前，我国与日本已成为步北欧、北美后的世界第三大酸雨区。,后果：水体过度酸化，影响鱼类生存；破坏植物叶面腊质，影响新陈代谢；引起人类疾病和死亡；腐蚀建材、金属品、文物古迹。【2010年,根据国家环保局统计，目前我国每年排放的SO2超过2320万t，因酸雨造成的损失每年超过4500亿元，相当于每吨SO2造成的损失近2W元。,在酸雨区，酸雨造成的破
11、坏彼彼皆是，触目惊心，如在瑞典的9万多个湖泊中，已有2万多个遭到酸雨危害，4千多个成为无鱼湖。美国和加拿大许多湖泊成为死水，鱼类、浮游生物、甚至水草和藻类均一扫而光。北美酸雨区已发现大片森林死于酸雨。德、法、瑞典、丹麦等国已有700多万公顷森林正在衰亡。我国四川、广西等省有10多万公顷森林也正在衰亡。世界上许多古建筑和石雕世术品遭酸雨腐蚀而严重损坏，如我国的乐山大佛、加拿大的议会大厦等。最近发现，北京芦沟桥的石狮和附近的石碑，五塔寺的金刚宝塔等均遭酸雨浸 蚀而严重损坏。,臭氧层可吸收太阳紫外辐射的99%，保护人类及生物。原因:主要是排放到大气中的氯氟烃类(氟里昂)易被氧化，使O3失氧；N2O也
12、有类似作用。后果：皮肤癌和白内障增加臭氧层被破坏，使得太阳紫外线照射到地球上的量增多，如青藏地区白内障患者(失明)比例很多;杀死鱼苗;破坏植物的光合作用。海拔高，则紫外线到达地面过程中衰减的量就少,3.臭氧层破坏 臭氧层被破坏，减少。氯氟烃类、N2O的作用使 O3,臭氧的形成,早期地球大气层的气体，主要是以二氧化碳（CO2）、水气（H2O）、氮气（N2）等气体为主，后来海洋中藻类大量繁殖，光合作用的结果使得大气中的氧气（O2）开始增多，氧气受到紫外线的照射产生臭氧（O3）。,臭氧是无色、有毒、有刺激味的气体，在对流层中含量较少。大部分的臭氧分布在地球表面上空10到50公里处(平流层中)。其中距
13、地表25公里附近高空臭氧的浓度最大，称为臭氧层,臭氧層,臭氧的功能,吸收紫外線，減少生物直接遭受紫外線的照射，陸地上的生物便能在此一保護傘下，順利的生長與繁殖。透過水的保護，最早的生命出現在海洋中。陸地上一直到四億多年前有了臭氧層後，蘚苔、蕨類、昆蟲、兩生類、爬蟲類等生物才陸續出現在陸地上，讓大地生命開始蓬勃發展起來。,臭氧層的破壞,1985年，科學家發現南極上空的臭氧濃度有減少的現象，尤其是每年十月更是明顯，臭氧濃度只有正常濃度的四分之一左右。,從人造衛星所拍攝的圖片顯示，南極上空臭氧濃度減少，此即俗稱的臭氧洞。,破壞臭氧層的元凶,主要是氟氯碳化物（CFCs）被大量使用於噴霧推進劑和冷媒等。
14、CFCs在强烈的紫外线照射下，光解释放出具有催化活性的原子态氯，而O3会产生激发态氧原子(O)，如果(O)遇到具有催化活性的基团、原子或分子，就会发生化学反应而被消耗掉。因而減少了臭氧量，形成臭氧洞。这种反应活化能很小，反应快速，可循环反应多次，一个氯原子可以破坏10万个O3。ClO3ClOO2，ClOOClO2 臭氧減少後，紫外線照射到地表的量會增加，危及地表生物的生存。,破坏O3的物质：氯氟烃(氟利昂)、哈龙、氮氧化物N2O、四氯化碳、甲烷。,臭氧層的保護,1990年签订了蒙特娄议定书，各国同意在1995年全面禁止使用氟氯碳化物CFCs。为了减少氟氯碳化物对臭氧层的伤害，化学家合成两类氟氯
15、碳化物的替代品，一为不含氯的氢氟碳化物，另一为易被破坏的氢氟氯碳化物。虽然如此，但是要让臭氧层恢复原有浓度，科学家估计仍要半世纪之久。,4.大气污染自然原因：火山爆发、森林火灾、岩石圈风蚀、海啸、地震。人为原因：燃烧、工业生产、交通的各种排放物。有气态污染物：SO2、SO3、H2S；NO、NO2；CO、CO2；CmHn;HF；固液态污染物：粉尘、烟尘、雾(油、酸，液滴)后果：（1）危害人体健康（呼吸系统、心血管系统、神经系统中毒）；（2）植物细胞和组织器管发生生理和生物化学变化，生长受阻，产量下降或死亡；（3）建筑、金属品被腐蚀；（4）大气：酸雨、气候变暖，O3破坏等。,圖2 工廠排放的廢氣,
16、工厂排放出来的废气不但污染空气，有些工厂和焚化炉的废气更含有毒素，如一氧化碳、二氧化硫等等。,圖3 居家環境的空氣汙染,居家环境也会有空气污染的产生，如：二手烟、炒菜的油烟、及随地弃置的垃圾等等,1).按污染源存在的形式分为固定源和流动源两类:所谓固定源就是位置和地点固定不变的污染源。主要指工矿企业在生产中排放的大量污染物。冶金、钢铁、建材等工业企业都是对大气环境污染严重的固定源。流动污染源是指交通工具在行驶时向大气中排放的有害气体而形成的污染源。2).按人类社会活动功能划分:工业污染源、农业污染源、交通运输污染源和生活污染源等。,工业污染源 由火力发电、钢铁、化工和硅酸盐等工矿企业在生产过程
17、中所排放的煤烟、粉尘及有害化合物等形成的污染源。此类污染源由于不同工矿企业的生产性质和流程工艺的不同，其所排放的污染物种类和数量大不相同，但有一个共同的特点是，排放源集中、浓度高、局地污染强度高。是城市大气污染的罪魁祸首。,农业污染源 主要是不当施用农药、化肥、有机粪肥等过程产生的有害物质挥发扩散，以及施用后期NOX、CH4、挥发性农药成分从土壤中逸散进入大气等形成的污染源。,交通运输污染源 由汽车、飞机、火车和轮船等交通运输工具运行时向大气中排放的尾气。这类污染源属流动污染源，主要污染物是烟尘、碳氢化合物、NOX、金属尘埃等，是城市大气环境恶化的主要原因之一。,生活污染源 是指居民日常烧饭、
18、取暖、沐浴等活动，燃烧化石燃料而向大气排放烟尘、SO2、NOX等污染物。这类污染源属固定源，具有分布广、排量大、污染高度低等特点，是一些城市大气污染不可忽视的污染源。但是，随着城市电气化的推进，城市生活污染源将从根本上得到遏制。,5.海洋生态危机 海洋污染造成,海洋是大部分污染物的最终归宿：降雨、地表径流、河流湖泊、地下水流、直接排放如海洋石油直接污染、垃圾倾倒、排污等。使之有很高的盐分（35g/升），使海洋生物大量减少，尤其是近海。石油污染：石油的海上运输事故、冲洗排放、采油平台、输油管的泄漏；来自陆地油田、车辆、机器的散溢的石油和润滑油。近海赤潮:氮和磷引起富营养化，藻类“爆发”地增长，下
19、层水生植物不能生长而死亡，消耗水中氧气，产生H2S等还原性有毒气体。海洋污染特点：污染源广；持续性强；扩散范围大；控制复杂。,来源：工业污染源：废水成份复杂，品种繁多；农业污染源：农药，化肥、家畜排泄物；交通污染源：清洗废水，油脂泄漏；生活污染源：生活废水，有机物，N、P富营养化。厨房废水、卫生冲洗水、洗澡用水后果：水质恶化，生存环境受到威胁。,6.水体污染,水污染的危害水体受到污染后，会对人体的健康，工业生产、农作物生长等都会产生许多危害和不良影响。（1）水体污染对人体键康的危害（2）对工业生产的影响（3）对农业、渔业生产的影响,生物富集作用,某湖泊中的生物富集作用,水俣病长期食用被甲基汞污
20、染的鱼类和贝类所致的甲基汞中毒,并定名为水俣病。1956年左右于日本熊本县水俣市附近发生。水俣病实际为有机汞的中毒。患者手足协调失常，甚至步行困难、运动障碍、弱智、听力及言语障碍、肢端麻木、感觉障碍、视野缩小；重者例如神经错乱、思觉失调、痉挛，最后死亡。发病起三个月内约有半数重症者死亡，怀孕妇女亦会将这种汞中毒带给胎中幼儿，令幼儿天生弱智。,水俣y病,固体废弃物又称垃圾，是指人类在生产过程和社会生活中丢弃的固体或半固体物质。“废弃物”只是相对而言的概念，在某种条件下为废物的，在另一种条件下却可能成为宝贵的原材料或另一种产品。因此，固体废弃物的资源化，正为许多国家所重视。,7.固体废物,来源：工
21、业：冶金、采矿、燃料燃烧、化工废渣、放射性废物。农业：有机物、秸杆、粪便；城市垃圾：生活、商业垃圾。纸、塑料、家具、玻璃。全世界每年产生4.9亿吨垃圾。中国目前（2009）城市生活垃圾堆存量达70亿吨；2006年我国产生城市活垃圾135亿吨，2008年，全国产生近1.5亿吨城市垃圾，2009北京市产生生活垃圾 1.57亿吨。危害：侵占土地。不断增加的产生量相当迅速，许多城市利用大片地城郊边缘的农田来堆放它们污染土壤：。土壤是许多细菌、真菌等微生物聚居的场所，这些微生物在土壤功能的体现中起着重要的作用.。而未经处理的有害固体废物，经过风化、雨淋、地表径流等作用，其有毒液体将渗入土壤，进而杀死土壤
22、中的微生物，破坏了土壤中的生态平衡，污染严重的地方甚至寸草不生。污染水体：垃圾渗滤液通过渗流和地表径流进入水体；污染大气：释放有害气体自烧、发酵等，粒状物随风飞扬。,固体废弃物的种类及来源,固体废弃物的特点,固体废物主要有以下三个特点：（1）资源性（2）污染的“特殊性”（3）严重的危害性,森林的作用：对维系地球生态平衡、净化空气、涵养水源、保持水土、防风固沙、调节气候、吸尘灭菌、美化环境、消除噪音起着重要的不可替代的作用。（1）陆地上最丰富的物种基因库和生产地。生物生产量占植物生产总量90%；它又是巨大的基因库，每年提供数十亿美元的贡献。（2）维护和调节地球的生态平衡，具有涵养水源、防风固沙、
23、调节气候、减少水土流失的功能。每年转化550亿吨的CO2。1hm2阔叶林每天吸收l 000kg CO2，放出730kgO2，供1000人呼吸。（3）净化环境的污染。能阻滞酸雨和吸收大气中的污染物，每公顷云杉林可吸滞粉尘105t；森林还可降低噪声，30m宽的林带可衰减噪声1015dB；森林还分泌杀菌素。（4）生物资源、林业产品、化工原料的生产基地。,8.森林和草原植被减少,现状：现今，地球上仅存大约28亿公顷森林和12亿公顷稀疏林，地球上森林面积的覆盖率约为27,我国占世界森林面积的34。森林破坏的速度为每年1130万公顷。中国历史上曾是个森林资源丰富的国家，但经历代的砍伐破坏已成为一个典型的少
24、林国家。中国2005年的森林面积1.75亿公顷，森林覆盖率18.21%，但森林覆盖率仅相当于世界平均水平的61.52%，居世界第130位。我国森林覆盖率：1949年 13 80年代 11.5 2001年 16.5 2005年 18.2%2010年 20.3%人均占有相当于世界人均的 15.“十二五”期间 21.66%我国天然草原覆盖率41.7，居世界第二位。人均占有草地为世界的一半。草原面积 每年减少约0.17%.“三化”(退化、沙化、碱化)面积 34.4%。,森林锐减主要原因,(1)人口的压力，世界人口75以上集中在不发达的第三世界国家。他们的主要问题仍然是粮食和能源。为了有吃、有穿、有住、
25、有柴烧，他们不得不向森林索取，毁林开荒，伐木为薪，致使大片的森林以惊人的速度消失。(2)森林锐减的第二位原因是滥伐树木。人类开始大规模地利用热带木材是最近2030年的事。发达国家近20年来热带木材进口量增加了16倍，占世界木材、纸浆供给量的10。发达国家为了保护自己国内的木材资源转向发展中国家索取。欧洲国家从非洲，美国从中南美洲，日本从东南亚进口木材。日本政府不许用其本国林木资源生产一次性筷子，却在我国东北、华北林区合资兴建了数十家筷子工厂，大张旗鼓地进行生产而后返销日本，仅1996年一年，我国就向日本出口了200亿双一次性筷子！日本政府将用过的一次性筷子统一回收，制成上好的木浆纸出口，收回成
26、本、赚取外汇。日本的森林覆盖率是65，而我国只有18.(3)毁林烧柴是森林锐减的第三位原因。人类燃薪煮食取暖所使用的能量超过由水电站或核电站所产生的能量，根据联合国环境规划署的统计，人们为了煮食和取暖，每年要砍伐烧毁的林区达2.2万平方公里。而木柴中大部分能量均被浪费掉了。(4)另外，火灾频繁、病虫危害也是森林锐减的一个原因。生命离不开绿色，人类离不开森林。,【19801990年全球平均每年损失森林995万公顷，约等于一个韩国的面积。】大量砍伐，植被破坏，水土流失，生态系统破坏。发生特大洪涝、旱灾、泥石流，大量泥砂拥入江河，蓄水能力下降。恢复一般要百年以上。1998.9起，停止四川天然林的采伐
27、。退耕还林,危害：,中国人工造林速度世界第一，2010年森林覆盖率达20.3%,2009年底，人工林保存总面积达到8亿亩。我国实施了投资规模最大的退耕还林工程，工程总投入累计将达到5000多亿元人民币。实施10年来，完成退耕还林任务4.03亿亩，相当于再造了一个东北、内蒙古国有林区我国公民持续开展了世界上规模最大的全民义务植树运动。28年来参加义务植树人次达115.2亿，义务植树538.5亿株。成为世界上参与人数最多、成效最好的植树运动。我国实施了时间跨度最长的三北防护林体系建设工程（始于1978年），工程实施期长达73年。实施30年来，累计造林保存面积3.67亿亩，工程区森林覆盖率由5.05
28、%提高到10.51%。三北地区(东北、西北、华北)分布着4大沙漠和8大沙地，是我国沙漠化最严重的地区，也是我国防治沙漠化的核心区域。防沙治沙是三北防护系建设工程的主攻方向。,1992年联合国环境与发展大会这样定义：“荒漠化是由于气候变化和人类不合理的经济活动等因素使干旱、半干旱和具有干旱灾害的半湿润地区的土地发生退化。”土地开垦成农田以后，生态环境就发生了根本的变化，稀疏的作物遮挡不住暴雨对土壤颗粒的冲击；缺少植被而裸露的地表凭日晒风吹，不断地损失掉它的水分和肥沃的表层细土；单调的作物又吸收走了土壤中的某些无机和有机肥料，并随收获被带出土壤生态系统以外，年复一年，不断减少着土壤的肥力，导致土壤
29、品质恶化，于是水土流失便加速进行。,9.土地荒漠化,原因 植被破坏、水体污染、土壤污染、生态失衡等引起土地荒漠化、盐碱化，良田减少，生存空间拥挤，气候异常。与荒漠化有关的社会经济因素有：人口过剩、过度耕种、过度放牧、毁林和低下的灌溉水平。【影响】土地荒漠化是全球性的环境灾害，它已影响到世界六大洲的100多个国家和地区，全球约有1/6的人口生活在这些地区。目前，全球荒漠化的面积已经达3600万平方公里，占整个地球陆地面积的1/4，全世界受荒漠化影响的国家有100多个，约9亿人受到荒漠化的摧残影响和威胁。全世界每年因荒漠化而遭受的损失达420亿美元。,中国的荒漠化状况：全国四分之一以上的国土荒漠化
30、，每年荒漠化造成的直接经济损失达540亿元，平均每天损失近1.5亿元，造成粮食损失每年高达30多亿公斤。荒漠化发生在干旱、半干旱和亚湿润地区，2006年我国荒漠化面积为264万平方公里，占国土总面积的27，相当于14个广东省的面积，是全国耕地总面积的两倍多。主要分布：在西北大部、华北北部、东北西部及西藏北部。荒漠化面积前三位的是：新疆：104.4万Km2、内蒙：65.9万 Km2、西藏：43.6万Km2；荒漠化类型：风蚀荒漠化、水蚀荒漠化、冻融荒漠化、盐渍荒漠化。,10.生物多样性减少,各种环境破坏，导致物种灭绝。人类活动占据生物空间(人口众多)。地球上大约1000万3000万的物种。维持生态
31、平衡、提供粮食、工业原料、净化环境、涵养水源、降解有毒有害污染物。物种多样性锐减表现为物种灭绝和消失。400年来，人类活动引起700多个物种的灭绝。其中，19世纪前、19世纪、近50年各灭绝13。20世纪最后10年灭绝的比前90年所灭绝的物种总和还多。物种灭绝的速度是形成速度的100万倍，地球生物多样性的14在未来25年里有被消灭的危险。原因：森林采伐，过度放牧引起草场退化；工业、旅游、城市的无控制发展，生物资源的过分利用；环境污染；各种干扰的累加效应。,全球范围内：目前地球上生物多样性损失的速度比历史上任何时候都快，鸟类和哺乳动物现在的灭绝速度是它们在未受干扰的自然界中的100倍至1000倍
32、。近两千年来，全世界约110多种兽类和130多种鸟类从地球上消失了。据“国际自然与自然资源保护同盟”的资料，自1850年以来的160多年时间里，人类已使75种鸟类和哺乳动物绝种，使359种鸟类和297种兽类动物面临灭绝的危险。据估计，现在全世界有2500种植物和1000多种脊椎动物濒于灭绝的危险。,中国：中国濒bn临灭绝的动物有400多种，如：大熊猫、老虎、金丝猴、丹顶鹤、长臂猿、白鳍豚（一个由6国科学家组成的联合调查组2006年12月13日遗憾地宣布白鳍豚已灭绝）等；中国濒临灭绝的植物有121种，如：荷叶铁线蕨、海南粗榧、人参等。,三）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
33、的一门新兴的综合性边缘学科。它经历了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。四）环境学科的任务 研究人与自然这对矛盾的由来、发展和解决。环境科学的任务在于揭示人类与环境之间的辩证关系，掌握环境变化的内在规律，以达到保护环境、改造环境、美化环境的目的，促使人类的健康和经济的发展。,环境科学的主要任务是：第一，探索全球范围内环境演化的规律。第二，揭示人类活动同自然生态之间的关系。第三，探索环境变化对人类生存的影响。第四，研究区域环境污染综合防治的技术措施和管理措施。,五）环境学科的体系,二、环境污染与环境工程学 1、“环境工
34、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”的研究内容 环境工程学是环境科学的一个分支。它主要研究运用工程技术和有关学科的原理和方法，保护和合理利用自然资源，防治环境污染，以改善环境质量的学科。环境工程的主要内容包括大气污染防治工程、水污染防治工程、固体废物的处理和利用、物理性污染控制如噪声、热污染源、辐射污染、振动等）、环境监测与评价、生态修复、清洁生产、环境规划与管理、环境污染综合防治、环境系统工程等。,环境工程学,3.环境工程学的学科体系,三、环境净化与污染控制技术概述1
35、、水质净化与水污染控制技术2、空气净化与大气污染控制技术 3、固体废弃物处理处置与管理 4、物理性污染控制技术5、土壤净化与污染控制技术,水的物理处理法,1.水质净化与水污染控制技术,水的化学处理法,水的生物处理法,2.空气净化与大气污染控制技术,3.土壤净化与污染控制技术,4.固体废弃物处理处置技术,5 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。,6 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,环境污染问题的特点及其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,污染地区的社会、经济条件的多样
36、性,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）,四、环境净化与污染控制技术原理,水质净化与水污染控制技术、空气净化与大气污染控制技术、固体废弃物处理处置与管理、物理性污染控制技术、土壤净化与污染控制技术 上述控制技术的原理？分离技术、隔离技术、转化技术,焚烧、堆肥技术,四、环境工程原理的主要研究内容1、目的 利用隔离、分离、转化等技术原理，通过工程手 段，实现污染物的高效、快速去除。大气污染：如何实现SO2的高效、快速去除？海洋石油污染？,2.环境工程原理的研究内容,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
37、工程设计计算的基本理论。,设计计算基本理论：污染物净化装置的设计计算理论,3.环境工程原理与其它学科的关系,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,环境工程原理,化工原理,传递过程,原理,反应工程,流体力学,生物工程,工程学,（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、流体流动（流体力学）以及热量与质量传递过程的基本理论等。（2）分离过程原理：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理和基本设计计算理论。（3）反应工程原理：主要阐述化学与生物反应计量学及动力学、各类化学与生物反应器的解析与设计理论等
38、。,4.本课程的主要内容,在环境污染控制工程领域，无论是水处理、废气处理和固体废弃物处理处置，还是给水排水管道工程，都涉及流体流动、热量传递、质量传递现象。,流体流动：输送流体、沉降分离流体中颗粒物，污染物的过滤分离等热量传递：加热、冷却、干燥、蒸发以及管道、设备的保温等质量传递：吸收、吸附、吹脱、膜分离以及生物、化学反应等,系统掌握流体流动和热量传递、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、提高污染控制工程的效率具有重要意义,第二章 质量衡算与能量衡算,本章主要内容,第一节 常用物理量（自学）第二节 质量衡算（重点）第三节 能量衡算（重点）,第二节 质量衡算,一、质量衡算的基本
39、概念1.质量衡算2.衡算的系统（范围）（总衡算、微分衡算）衡算的对象 衡算的基准3.稳态系统与非稳态系统,二、总质量衡算（物料衡算）1.以物料的全部组分为衡算对象 在一定时间t内：输入物料量输出物料量=积累量 m1-m2=m 单位时间：输入速率输出速率=积累速率,2.以某种元素或某种物质为衡算对象,输入量输出量转化量=积累量,单位时间：输入速率输出速率转化速率=积累速率 质量衡算的一般方程：,转化速率或反应速率：单位时间因生物反应或化学反应而转化的质量。,在环境工程中，污染物的生物降解经常被视为一级反应，即污染物的降解速率与其浓度成正比。假设体积V中可降解物质的浓度均匀分布，则,质量衡算方程的
40、应用,质量衡算方程的应用,1.需要划定衡算的系统2.要确定衡算的对象3.确定衡算的基准4.绘制质量衡算系统图5.注意单位要统一,(一)稳态非反应系统,污染物的输入速率 qm1=1qv1+2q v2+nqvn污染物的输出速率 qm2=mqvm qvm=qv1+q v2+qvn,课堂练习,一条河流的上游流量为10.0m3/s，氯化物的质量浓度为20.0mg/L，有一条支流汇入，流量为5.0m3/s，其氯化物质量浓度为40.0mg/L。视氯化物为不可降解物质，系统处于稳定状态，计算汇合点下游河水中的氯化物质量浓度（假设在该点流体完全混合。）,氯化物的输出速率为,氯化物的输入速率为,解：首先划定衡算系
41、统，绘制质量平衡图,某污水处理工艺中含有沉淀池和浓缩池，沉淀池用于去除水中的悬浮物，浓缩池用于将沉淀的污泥进一步浓缩，浓缩池的上清液返回到沉淀池中。污水流量为5 000m3/d，悬浮物含量为200mg/L，沉淀池出水中悬浮物质量浓度为20mg/L，沉淀污泥的含水率为99.8%，进入浓缩池停留一定时间后，排出的污泥含水率为96%，上清液中的悬浮物含量为100mg/L。假设系统处于稳定状态，过程中没有生物作用。求整个系统的污泥产量和排水量，以及浓缩池上清液回流量。污水的密度为1000kg/m3。,课堂练习,？,根据需要首先划定衡算系统,？,已知,=5 000m3/d，,200mg/L，,20mg/
42、L，,(100-96)/(100/1000)40 g/L40000 mg/L,(100-99.8)/(100/1000)2 g/L2000 mg/L,100mg/L,污泥含水率为污泥中水和污泥总量的质量比，因此污泥中悬浮物含量为,(1)求污泥产量 以沉淀池和浓缩池的整个过程为衡算系统，悬浮物为衡算对象，因系统稳定运行，输入系统的悬浮物量等于输出的量。,输入速率：,输出速率：,=22.5 m3/d,4977.5 m3/d,(2)浓缩池上清液量 取浓缩池为衡算系统，悬浮物为衡算对象,输入速率,输出速率,=450 m3/d,472.5 m3/d,污泥含水率从99.8降至96,污泥体积由472.5 m
43、3/d减少为22.5m3/d,相差20倍。,(二)稳态反应系统,课堂练习,一个湖泊的容积为10.0106m3。有一流量为5.0m3/s、污染物浓度为10.0mg/L的受污染支流流入该湖泊.同时，还有一污水排放口将污水排入湖泊，污水流量为0.5m3/s，质量浓度为100mg/L。污染物的降解速率常数为0.20 d-1。假设污染物质在湖泊中完全混合，且湖水不因蒸发等原因增加或者减少。求稳态情况下流出的湖水污染物的质量浓度。,解：假设完全混合意味着湖泊中的污染物质量浓度等于流出水中的污染物质量浓度,输入速率,输出速率,降解速率,课堂练习,在一个大小为500m3的会议室里面有50个吸烟者，每人每小时吸
44、两支香烟。每支香烟散发1.4mg的甲醛。甲醛转化为二氧化碳的反应速率常数为k0.40 h-1。新鲜空气进入会议室的流量为1 000m3/h，同时室内的原有空气以相同的流量流出。假设混合完全，估计在25、101.3KPa的条件下，甲醛的稳态质量浓度。并与造成眼刺激的起始体积分数0.0510-6相比较。,输入速率,输出速率,降解速率,5021.4140 mg/h,10001000 mg/h,(三)非稳态系统,练 习 一圆筒形储罐，直径为0.8m。罐内盛有2m深的水。在无水源补充的情况下，打开底部阀门放水。已知水流出的质量流量与水深Z的关系为 求：经过多长时间后，水位下降至1m？,解：根据质量衡算方
45、程,kg/s,kg,t=1518 s,各种情况下的质量衡算,稳态系统 非稳态系统,组分发生反应 组分不发生反应,以某组分为对象 以全部组分为对象,以总质量表示 以单位时间质量表示,水预热系统,生活污水处理：用热水或蒸汽加热水,燃烧电厂的废热：用冷水吸收,水吸收热量温度升高,冷却水吸收热量温度升高,用量？,加热时间？,流量？,温度？,第三节 能量衡算,一、能量衡算方程,流体输送中，通过水泵对水做功，将水提升到高处,流体在管道中流动，由于黏性产生摩擦力，消耗机械能，转变为热量,任何系统经过某一过程时，其内部能量的变化等于该系统从环境吸收的热量与它对外所作的功之差，即,物料从外界吸收的热量,物料对外
46、界所作的功,系统内部物料能量的变化,系统内能量的变化（输出系统的物料的总能量）（输入系统的物料的总能量）（系统内物料能量的积累）,能量衡算方程：（输出系统的物料的总能量）（输入系统的物料的总能量）（系统内能量的积累）（系统从外界吸收的热量）（对外界所作的功）,对于单位时间：,（单位时间输出系统的物料带出的总能量）（单位时间输入系统的物料带入的总能量）（单位时间系统内能量的积累）（单位时间系统从外界吸收的热量）（单位时间对外界所作的功）,单位时间输出系统的物料的焓值总和，即物料带出的能量总和,单位时间输入系统的物料的焓值总和，即物料带入的能量总和,单位时间系统内能量的积累,单位时间环境输入系统的
47、热量，即系统的吸热量,热量衡算方程,二、热量衡算方程,焓值是温度与物态的函数，因此进行衡算时除选取时间基准外，还需要选取物态与温度基准，通常以273K物质的液态为基准。,封闭系统与外界环境没有物质交换的系统 大气层、其他的封闭系统、热水器:发热元件，将水从低温加热到一 定温度,系统从外界吸收的热量等于内部能量的积累,对物料总质量进行衡算,内部能量的变化表现为？,三、封闭系统的热量衡算,1.无相变情况下表现为温度的变化,（1）恒压过程中，体系所吸收的热量全部用于焓的增加，即,（2）恒容、不做非体积功的条件下，体系所吸收的热量全部用于增加体系的内能，即,Q=mcT,物质的潜热,2.有相变情况下,封
48、闭系统的热量衡算方程,练 习,热水器发热元件的功率是1.5kW，将水20L从15加热到65，试计算需要多少时间？假设所有电能都转化为水的热能，忽略水箱自身温度升高所消耗的能量和从水箱向环境中散失掉的能量。,系统吸收的热量来自发热元件，加热时间为，输入的热量为 Q1.5t1.5t kWh,水中能量的变化为,2014.18（6515）4180 kJ,输入的能量等于水中能量的变化,水,0.77 h,解：以热水器中水所占的体积为衡算系统，为封闭系统。,练习,据估计，每年全球的降水如果均匀分布在5.101014m2的地球表面，平均降水量为1m,求每年使这些水汽化所需要的能量（全球水体的平均表层温度为15
49、接近下的汽化热为2457.7kJ/kg），与1987年世界的能源消耗（3.31017kJ）以及与地球表面对太阳能的平均吸收率（168w/m2）进行比较。,解：全球水体的平均表层温度接近,15,，因此选用,15作为起始温度。水,与1987年世界的能源消耗相比较：1.251021/3.310173788在全球范围内，推动全球水循环的平均能量为：,该数值约为地球表面对太阳能的平均吸收率的一半。,KJ,15接近下的汽化热为2457.7kJ/kg。所有水汽化的总能量需求为：,与环境既有物质交换又有能量交换的系统 环保工程中的换热器,对于单位时间物料进行衡算,对于稳态过程,四、开放系统的热量衡算,开放系统
50、,练 习,在一列管式换热器中用373K的饱和水蒸气加热某液体，液体流量为1000kg/h。从298K加热到353K，液体的平均比热容为3.56kJ/(kgK)。饱和水蒸气冷凝放热后以373 K的饱和水排出。换热器向四周的散热速率为10 000 kJ/h。试求稳定操作下加热所需的蒸气量。,解：取整个换热器为衡算系统，时间基准为1h，物态温度基准为273K液体。,设饱和水蒸气用量为G kg/h，查得373K的饱和水蒸气的焓为2677 kJ/kg，饱和水的焓为418.68 kJ/kg,373K饱和水的焓：353K的液体：,输入系统的物料的焓值包括：,输出系统的物料的焓值包括：,=10 000 kJ/
