环境工程原理(普通高等学校环境科学与工程类专业系列教材)

**章 环境工程原理及方法 本章导读 本章主要介绍环境工程原理的学科定位、基本任务与研究方法，环境工程原理的主要内容以及未来发展趋势。目的是使读者从总体上把握环境工程原理及方法。学习本章应注意从宏观上把握环境工程原理的基本任务及主要内容，培养解决环境工程问题的基本思路和技术方法，并结合相关学科发展了解环境工程原理的发展动态。 **节 环境工程学概述 一、环境科学与环境工程学 环境科学是为了解决人类面临的环境问题而产生，随着现代社会经济和科学发展而逐步形成的综合性科学体系，其主要任务是研究在人类活动的影响下环境质量的变化规律和环境变化对人类生存的影响，以及保护和改善环境质量的理论、技术和方法。 环境科学涉及的内容丰富，与自然科学和社会科学中许多重要学科相互渗透、相互交叉，因而形成了许多分支学科(图1-1)，如环境工程学、环境地学、环境生物学、环境物理学、环境化学、环境管理学、环境经济学、环境法学等。 图1-1 环境科学的分支学科 环境科学是一门正在蓬勃发展的科学，随着环境问题的发展和人类认识的进一步深化，环境科学的研究范围和内涵不断扩展，各分支学科也必将不断地充实与完善。 环境工程学是环境科学的一个分支，又是工程学的一个重要组成部分，它源于早期的土木工程、卫生工程、化学工程等学科，又融入了其他自然科学和社会科学的原理和方法，是一门运用环境科学及工程学、管理学和社会学的基本方法，研究保护和合理利用自然资源，控制和防治环境污染与生态破坏，以改善环境质量，使人们得以健康、舒适地生存与发展的学科。 近三十年来，环境工程学的发展非常迅速，反应工程、应用微生物学、生态学、生物工程、计算机与信息工程及社会学的各个学科都向其渗透，其学科理论体系日趋完善、学科分支日趋扩展，目前已经成为具有鲜明特色的、独立的学科体系。 二、环境工程学研究内容和应用新领域 传统认为，环境工程学是研究污染防治技术的原理和方法的学科。近年来，随着环境治理和生态保护力度的加大，以及“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念的提出，环境工程学的内涵不断丰富，不仅包括水质净化与水污染控制工程、大气(包括室内空气)污染控制工程、固体废物处理处置与管理工程、土壤污染控制工程、物理性污染(热污染、辐射污染、噪声、振动)控制工程、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，还包括生态修复工程、清洁生产、污染预防与全过程污染控制工程，以及环境规划与管理、环境系统工程等。环境工程学的研究内容和应用新领域见图1-2。 图1-2 环境工程学研究内容和应用新领域 第二节 环境工程原理的基本任务与研究方法 环境工程原理是我国高等学校环境工程专业的一门重要专业基础课。该课程于2003年在清华大学首先开设，受到积极关注。2004年8月，教育部高等学校环境科学与工程类专业教学指导委员会在四川大学召开的会议上将“环境工程原理”列为高等学校环境工程专业九门核心课程之一。2007年起，教育部高等学校环境科学与工程类专业教学指导委员会起草制定的《环境工程专业规范》和《环境工程专业认证补充标准》中均明确规定“环境工程原理”为专业课程。 2017年以来，教育部积极推进新工科建设，明确要培养适应未来新兴产业和新经济需要的实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才，为新时期环境工程原理课程的发展指明了方向。 一、环境工程原理的基本任务 环境工程原理以环境工程学中污染物控制和生态修复过程为研究对象，研究内容包括过程的原理、基本理论、典型设备、典型工艺及其在环境工程中的应用。该课程教学的基本任务是： (1) 正确理解污染物控制和生态修复过程的基本原理，了解典型设备的构造、性能和操作方法，经济有效地满足特定处理过程的要求。 (2) 熟悉单元过程及设备的计算方法，能正确使用各种常用的工程计算图表、工具书和资料。 (3) 掌握单元过程的基本规律，初步具备选择适宜操作条件、探索强化过程途径的能力。 (4) 了解环境工程单元过程的新发展、新技术、新工艺及相关学科的新发展。 环境工程原理不仅是环境工程专业的核心课程，也是环境科学、给水排水工程及其他相关专业的重要专业基础课。 二、环境工程原理的研究方法 环境工程原理通过总结凝练共性技术原理及工程设计计算基本理论，为环境污染控制及生态修复工程等专业课程的学习提供理论基础。它遵循“宏观现象—微观机理—数学表达”的基本思路，以提高环境污染控制和生态修复效率为根本目标(宏观过程)，通过小试/中试实验研究，分析反应过程物质及能量流动，解析各微观反应过程机理及控制因素，建立简化数学模型，为宏观过程的定量计算(反应器及工程设计)提供理论依据。在环境工程的研究中，常采用两种基本的学习研究方法，即实验研究方法和数学模型方法。 (一) 实验研究方法 环境工程的过程往往十分复杂，涉及的影响因素很多，各种影响因素不能用迄今已掌握的物理、化学和数学等基本原理定量地分析预测，必须通过实验来解决，具体分析方法包括量纲分析和相似理论方法。对于较复杂的环境工程过程，一般采用逐级放大的方法，即先在小型装置上进行实验，确定各种因素的影响规律和适宜的工艺条件，然后进行较大规模的实验，*后进行大装置的设计，逐级放大的级数或每级的放大倍数根据情况而异，主要依靠理论分析与实践经验确定。 (二) 数学模型方法 用数学模型方法研究环境工程过程时，首先要在充分认识过程机理的基础上建立简化的物理模型；然后用数学方法来描述此物理模型得到数学模型，再用适当的数学方法求解数学模型，得到反映过程特性的参数(模型参数)；*后通过实验求出模型参数并检验模型的可靠性。该方法属于半理论半经验的方法，近年来，随着计算技术的快速发展，复杂数学模型的求解成为可能，因此该方法已逐步发展成为主要的研究学习方法。 第三节 环境工程原理的主要内容 环境工程原理充分吸收和借鉴了流体力学、传递过程原理、化工原理、反应工程原理、生物工程等课程(学科)的比较成熟的理论，但它又是基于环境污染治理系统的特点，建立在环境污染控制工程基础上的一门独立的课程，有其明确的目标和课程任务，其研究对象、理论体系和工程目标等与上述学科有明显的区别。环境工程原理的主要内容包括：环境工程原理基础、环境污染控制技术原理、环境工程智能化控制原理。 一、环境工程原理基础 环境工程原理基础重点阐述环境工程学的基本原理，主要内容包括环境工程物理和化学原理、环境工程微生物原理、反应器及反应器设计。 环境工程物理和化学原理主要介绍质量和能量衡算等环境工程中分析问题的基本方法，以及流体的动量传递和热量、质量传递的基础理论。 环境工程微生物原理主要介绍环境工程微生物基础、生理代谢和生态学等基本知识，以及环境工程微生物应用过程中的分子生物学原理，包括分子生物学技术基础、DNA指纹技术、微生物原位杂交技术、16S rRNA序列分析技术及宏基因组技术。 反应器及反应器设计主要介绍化学反应、酶反应及生物反应的计量学、动力学及其研究方法、各种均相与非均相反应器，并结合污染控制实例阐述反应器在实际应用中的设计依据、基本内容及放大特征。 二、环境污染控制技术原理 环境污染控制技术原理主要以各环境要素的污染控制为核心，重点阐述废水处理工程原理、废气处理工程原理、固体废物处理与处置原理、土壤污染控制原理、物理性污染控制原理。 废水处理工程原理主要介绍废水处理中各个单元操作如混凝、沉淀、化学氧化、膜分离、生物处理的基本原理。 废气处理工程原理主要介绍工业废气颗粒污染物和气态污染物控制技术的基本原理。 固体废物处理与处置原理主要介绍固体废物处理与处置过程中物化处理、生物处理及*终处置等单元过程的基本原理。 土壤污染控制原理主要介绍污染物在土壤中的迁移转化特征，以及土壤污染修复单元过程的基本原理。 物理性污染控制原理主要介绍物理性污染控制单元过程的基本原理。 三、环境工程智能化控制原理 借助物联网、云计算等现代信息技术，现阶段环境保护已转向数字环保、智慧环保阶段。本书介绍的主要内容包括环境工程监测原理和环境工程智能化概述。 环境工程监测原理主要介绍水污染治理工程监测、大气污染治理工程监测、土壤和固体废物治理工程监测及物理性污染监测的基本原理，以及环境监测管理和实验室质量保证要求。 环境工程智能化概述主要介绍环境工程智能化在环境监测和水处理领域的应用以及基于物联网的智慧环保的原理和应用实例，并对环境工程智能化控制的发展趋势进行了展望。 第四节 环境工程学发展趋势 伴随世界范围内的科技创新、生态文明建设的战略需求和环境工程领域的新挑战，未来环境工程学的发展将呈现以下趋势： (1) 在环境工程基础原理方面，趋向于膜、光(太阳光)、电、磁、超导、超声等物理新技术原理以及微生物原位识别、多组学、高通量解析新技术原理的应用。 (2) 在环境污染控制技术原理方面，趋向于以绿色化、资源化和系统化为导向的自然与生态学或水、土、气、生等多介质污染协同控制原理的应用，以及借助生命科学、材料科学、信息科学、工程技术、数理科学的进步开发复合污染环境风险防控原理并推广应用。 (3) 在环境工程智能化控制原理方面，趋向于基于化学自组装、生物芯片、纳米材料等发展出的新一代环境传感技术，以高通量、高内涵、快速准确为核心的立体监测技术，以及以“互联网+”、大数据等支撑的环境信息传输、大数据存储与融合处理技术原理的应用。 思考题 1. 阐述环境工程学的主要任务及其学科体系。 2. 环境工程原理课程的任务是什么？ 3. 环境工程原理的研究方法有哪些？ 4. 阐述提高污染物控制工程效率的基本思路和技术路线。 参考文献 贺文智， 李光明. 2014. 环境工程原理. 北京: 化学工业出版社. 胡洪营， 张旭， 黄霞， 等. 2015. 环境工程原理. 3版. 北京: 高等教育出版社. 李永峰， 陈红. 2012. 现代环境工程原理. 北京: 机械工业出版社. 威廉W纳扎洛夫， 莉萨 阿尔瓦雷斯-科恩. 2006. 环境工程原理. 漆新华， 刘春光， 译. 北京: 化学工业出版社. 张晖， 吴春笃. 2011. 环境工程原理. 武汉: 华中科技大学出版社. 周长丽. 2007. 环境工程原理. 北京: 中国环境科学出版社. Davis M L， Masten S J. 2007. 环境科学与工程原理. 王建龙， 译. 北京: 清华大学出版社. 第二章 环境工程物理和化学原理 本章导读 传统化学工业的单元操作所涉及的物理化学原理包括“传质、传热、动量传递和化学反应”(三传一反)。而在环境工程过程中涉及的污染物在水、气、固各个介质中的浓度普遍比较低，所以可以将环境中的污染介质视为污染物的稀释溶液(或气体、固体等)，从而利用一些化工原理中的基本分析方法来描述水处理、废气处理和固体废物处置过程所涉及的物理和化学原理。基于此思想，本章将从环境流体的质量衡算、能量衡算、动量衡算、流体内部结构、热量传递、质量传递和化学反应等基本原理出发，阐述环境工程中分析问题的物理和化学基本理论及其方法。 **节 质量、能量和动量衡算 一、质量衡算 质量衡算又称物料衡算，其理论基础在于物质既不会凭空产生也不会凭空消失，但是物质的存在形式可以转换(如发生化学和生物