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1、环境工程原理 -完整版,1. 绪论,近年来，人们又将目光转向如何将这一领域应用到实际中，因此关于环境工程学的大量研究逐步展开。“环境工程原理”是环境工程专业、环境科学专业、给水排水工程专业以及其他相关专业的专业基础课。 本书的起始篇章中，会介绍环境工程学的一系列基本概念及其研究领域等内容。本章的任务是让同学们对环境污染控制工程有基本的认识，为深入理解、掌握和正确利用环境工程技术原理与具体的污染控制过程打下良好的基础。,1.1 环境工程基础 1.1.1 环境工程学的概念,环境工程是一门独特的技术学科,环境工程原理是环境类及其相近专业的一门主干课程，它是综合运用数学、物理、化学、计算技术等基础知识
2、，分析和解决环境工程领域内环境治理过程中各种物理操作问题的技术基础课，是以环境工程学中涉及的一些基本概念和一些常见的单元操作为研究对象，系统地研究这些单元操作的基本原理、典型设备的结构、典型工艺以及在环境工程实践中的应用，能够为后续专业课程的学习打下坚实的基础。,1.1.2 环境污染与环境工程学,“环境”是与某个中心事物相关的周围事物的总称，是一个相对的概念。,环境污染是人类面临的主要环境问题之一，它主要是由于人为因素造成环境质量恶化，从而扰乱和破坏了生态系统、生物生存和人类生活条件的一种现象。狭义地说，环境污染是指由有害物质引起的大气、水体、土壤和生物的污染。 环境工程的研究内容是环境资源的
3、质量和可利用性，以及那些会对它们产生影响的废物流。环境资源包括生物生存的地球一大气系统中的所有自然物质。然而，环境工程关注更多的是两种主要的环境流体水和空气，土壤也受到人们的关注，但是与水和空气相比其受关注的程度要少一些。,利用环境学以及工程学的方法,环境工程的中心任务,研究环境污染控制理论、技术、措施和政策,改善环境质量，保证人类的身体健康和生存以及社会的可持续发展,对环境污染做出评价,实现上述目标需要一系列工作，如,设计并运行处理工艺和排放控制设施来满足环境质量标准的需要,设计控制战略， 也包括帮助起草环境标准,环境工程学是在吸收,等经典学科基础理论和技术方法的基础上，为了改善环境质量而逐
4、步形成的一门新兴的学科，它脱胎于上述经典学科，但无论是学科任务还是研究对象都与这些学科有最著的区别，其学科内涵远远超过了这些学科。而随着环境工程学的广泛研究，其发展之迅速更向,各个学科渗透，使其理论体系日趋完善，学科分支日趋扩展，并逐渐建立成为具有鲜明特色的独立的学科体系。图1-1是环境工程学的学科体系。,图1-1 环境工程学的学科体系,1.2 污染治理与单元操作 1.2.1水污染控制工程,从19世界初开始，在欧美一些大城市开始建造下水道工程。因此，水质工程从历史上看具有两个主要的目标：一个是提供外观和口味都良好的饮用水，第二是防止流行病通过饮用水传播。水质工程的另外一个重要目标是晚些时候才出
5、现的，那就是保护我们的自然环境免受废水污染的不利影响。,人们在生活和生产中产生废水的随意排放,庭院、街道等污秽不堪,人们开始探索污水的排放方式,渗坑、渗井,这种排放方式仅仅把污水从地面排放转移为地下排放，仍会对地下水进行污染,氧化塘是另一种自然处理方法，其利用自然生长的藻菌共生系统对污水进行自然生物处理。 我国在2000多年前就利用城镇和农村附近的水塘处理污水和人畜粪便，并通过反之藻类、水草等用于养鱼、养鸭、鹅等。随着工业不断发展，产生的工业废水的数量越来越大，其中所含污染物的种类和数量也越来越多，包括重金属、放射性核素、有机毒物等，其中有些是致癌、致畸和致突变物质。 因此人们积极研究、开发和
6、应用了一些经济、节能和有效的单元处理方法，如化学沉淀、吸附、溶剂萃取、蒸发浓缩、点解、膜分离、氧化还原等。水处理方法种类繁多，归纳起来可以分为物理法、化学法和生物法三大类。各种水处理方法的原理分别见表1-1。,表1-1 水的物理、化学、生物处理法,影响大气环境质量的因素很多，仅考虑各个污染源的单项治理是不够的，必须考虑区域性的综合防治，从各个单元的治理过渡到区域的治理。空气中污染物的种类繁多，根据其存在的状态，可分为颗粒/气溶胶状态污染物和气态污染物（图1-2）。,1.2.2大气污染控制工程,图1-2 空气中的污染物分类,根据对主要大气污染物的分类统计表明，其主要来源有3大方面:,固定源,流动
7、源,燃料燃烧,工业生产过程,交通运输,统称为,近几十年，开始受到人们关注的几种其他空气污染问题简要概述如下：,酸沉降是指大气中的酸性物质以降水的形式或者在气流作用下迁移到地面的过程。酸沉降包括“湿沉降”和“干沉降”。湿沉降通常指pH值低于5.6的降水，包括雨、雪、雾、冰雹等各种降水形式。最常见的就是酸雨，这种降水过程称为湿沉降。干沉降是指大气中的酸性物质在气流的作用下直接迁移到地面的过程。,酸沉降,1990年的联邦清洁空气法修正案中有一部分内容明确指定了189种物质为有害空气污染物(HAPs)。这项法规要求那些每年排放某种有害空气污染物的量超过10t，或所有的有害空气污染物的量之和超过25t的
8、排放源，必须使用最大可达控制技术(MACT)来减少污染物的排放。,有害空气污染物,氯氟烃在低层大气中不起反应，一旦到达距地球表面1550千米的高空，受到紫外线的照射，就会生成新的物质和氯离子，氯离子可产生一系列破坏多达上千到十万个臭氧分子的反应，而本身不受损害。这样，臭氧层中的臭氧被消耗得越来越多，臭氧层变得越来越薄，局部区域如南极上空甚至出现臭氧层空洞。,臭氧损耗,在世界范围内，最大的空气污染问题可能是在发展中国家的农村地区，烹调用炉燃烧的排放物。通常情况下，没有烟道或通风口，燃烧后产生的副产物直接被排放到生活空间中。在做饭期间，室内空气中一氧化碳、悬浮颗粒物和苯并芘的浓度经测量要大大高于那
9、些受污染的城市空气。,生物质烹调用炉,大气污染控制技术可分为分离法和转化法两大类。,表1-2 空气净化与废气处理技术,常见的大气污染控制技术列于表1-2。,1.2.3 土壤污染控制工程,污染源主要是工业废水、城市生活废水和受污染的地面水体。经由水体污染所造成的土壤环境污染，其分布特点是：由于污染物质大多以污水灌溉形式从地表进入土体，所以污染物一般集中于土壤表层。但随着时间的延续，某些污染物可随水自上向土体下部迁移，一直到达地下水层。它的特点是沿已被污染的河流或干渠呈树枝状或呈片状分布。,大气污染型,在土壤表面处理处置固体废物、废渣，不仅占用大量耕地，而且会通过大气扩散或降水淋滤使周围地区的土壤
10、受到污染。其污染特征属电源性质，主要是造成土壤环境的重金属污染，以及油类、病原菌和某些有害有机物的污染。,农业污染型,农业污染型就是由于农业产生的需要而不断地使用化肥、农药、城市垃圾堆肥等引起的土壤环境污染。其中主要污染物质是化学农药和污泥中的重金属。污染物质主要集中于表层或耕层，其分布比较广泛，属于面源污染。,综合污染型,表1-3 土壤污染控制技术,由于土壤的物理结构和化学成分较复杂，污染土壤的净化比废水与废气处理困难得多。污染土壤的净化技术可分为物理法、化学法和生物法。表1-3列出了几种代表性的土壤净化方法。,1.2.4危险废物管理,危险废物又称为“有害废物”、“有毒废渣”。关于危险废物的
11、定义，各国、各组织有自己的提法，还没有在国际上形成统一的意见。,危险废物会引起危害主要是由于这些废物具有危害特性，主要包括可燃性、腐蚀性、急性毒性、浸出毒性、反应性、传染性、放射性等。,危险废物的管理包括两个主要目标。,表1-4 几种危险物的处理方法及原理,好氧生物处理是在有氧的情况下，利用好氧微生物（主要是好氧菌，包括兼性微生物）的作用来进行的。,1.3 生物过程 1.3.1好氧悬浮生长处理技术,来源广,易变异,易培养,繁殖快,对环境适应性强,微生物特性,微生物生存条件温和，新陈代谢过程中不需高温高压，它是不需投加催化剂的催化反应，用生化法促使污染物的转化过程与一般化学法相比优越得多。,除活
12、性污泥法外，生物滤池、生物转盘、污水灌溉和生物塘等也都是废水好氧处理的方法。,向生活污水注入空气进行曝气，并持续一段时间以后，污水中即生成一种絮凝体。,主要部分,吸附在活性污泥上不能被生物降解的有机物,微生物自身氧化残留物,无机物,活性的微生物,活性污泥组成,活性污泥中的微生物是由细菌、真菌、原生动物、后生动物等多种微生物群体相结合所组成的一个生态系。,活性污泥在运行中最常见的故障是在二次沉淀池中泥水的分离问题。,造成污泥沉降问题的原因从效果上分类有污泥膨胀、微小絮体、不絮凝、起泡沫和反硝化。,所有的活性污泥沉降性问题，皆因污泥絮体的结构不正常造成的。,活性污泥颗粒的尺寸的差别很大，其幅度从游
13、离的个体细菌的0.55.0m，直到直径超过1000m（1mm）的絮体。,污泥絮体最大尺寸取决于它的粘聚强度和曝气池中紊流剪切作用的大小。,它引起了污水与活性污泥接触后很短的时间内就出现了很高的有机物(COD)去除率的现象。由于污泥表面积很大且表面具有多糖类粘质层，因此，污水中悬浮的和胶体的物质是被絮凝和吸附去除的。,初期去除与吸附作用,微生物的代谢作用,絮凝体的形成与凝聚沉降,活性污泥的净化过程与机理分为三个部分：初期去除与吸附作用、微生物的代谢作用和絮凝体的形成与凝聚沉降。,在有氧的条件下，活性污泥中的微生物以污水中各种有机物作为营养，将一部分有机物合成新的细胞物质，将另一部分有机物则进行分
14、解代谢，最终形成CO2和H2O等稳定物质。,为了使菌体从水中分离出来，现多采用重力沉降法。如果每个菌体都处于松散状态，由于其大小与胶体颗粒大体相同，它们将保持稳定悬浮状态，沉降分离是不可能的。为此，必须使菌体凝聚成为易于沉降的絮凝体。絮凝体的形成是通过丝状细菌来实现的。,活性污泥法一直是我国城市污水处理厂的主体工艺,它具有处理效率高、出水水质好的特点,但它也存在能耗高、运行费用大、剩余污泥产量多等缺点,1.3.2厌氧生物处理技术,厌氧生物处理技术具有能耗低、污泥产量少的特点。厌氧生物处理工艺传统上称之为厌氧消化，也称污泥消化。过去它多用于城市污水处理厂的污泥、有机废料及部分高浓度有机废水的处理
15、。 20世纪70年代以来，生物相分离技术提出以后，第二代厌氧生物处理工艺和装置，使废水厌氧生物处理系统的有机负荷率和处理效率大大提高。厌氧生物处理方法和基本功能有酸发酵和甲烷发酵。,水解产酸细菌,厌氧生物处理依靠三大主要类群的细菌的联合作用完成，即,产氢产乙酸细菌,产甲烷细菌,厌氧微生物处理,1.3.3 生物脱氮除磷技术,1.3.3.1 生物脱氮,生物脱氮的定义：,生物脱氮就是利用适当的运行方式，将自然界中的氮循环现象运用到废水生物处理系统中，从而取得废水中脱氮的效果。生物处理过程中，废水中的含氮有机物首先被异氧型微生物氧化分解为氨氮，然后由自养型硝化细菌将氨氮转化为NO3-，最后再由反硝化细
16、菌将NO3-还原转化为N2和NO2，从而达到脱氮的目的。,含氮有机物经微生物降解释放出氨的过程，被称为氨化作用。在未处理的废水中，含氮化合物主要以有机氮的形式存在。它们在氨化菌的作用下，发生氨化反应，其反应式为：,硝化作用是由氨到NO3-的生物氧化过程，而NO2-为反应过程中的主要的中间产物。首先，在亚硝酸菌的作用下，氨转化为NO2- ，称为氨化作用（矿化作用），这是有机氮转化为氨的生物转化形式；在硝酸菌的作用下， NO2-进一步转化为NO3- 。反应式如下：,亚硝酸菌和硝酸菌为好氧自养菌，以无机碳化合物为碳源，从NH4+或NO2-氧化反应中获取能量。,反硝化是异养型兼性厌氧菌，在缺氧的条件下，以硝酸盐氮为电子受体，以有机物为电子供体进行厌氧呼吸，将硝酸盐氮还原为N2或N2O，同时降解有机物。参与这一反应的微生物是反硝化细菌。反应如下：,1.3.3.2生物除磷的原理,生物除磷就是利用聚磷菌一类的
