绪 论 一、介绍 1.《环境工程学》课程的性质 《环境工程学》是高等院校环境类各有关专业的一门主要课程。它的主要内容是介绍环境工程学的基本理论，特别是水质净化与水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废物与城市垃圾的处置与管理以及其他公害（如噪声、电磁辐射、振动等）防治技术的基本原理和方法。通过本课程的学习，要求学生初步掌握污染控制工程和公害防治技术的基本原理和基本方法。 2.课程特点： 1）简明、概括地反映化学学科的一般原理、基本规律和研究方法； 2）用工程技术的观点分析、认识环境中的污染问题，起环境与工程技术间的桥梁作用； 3）体现了现代科学技术发展的特点和素质教育的需要； 4）体现了现代环境科学的成就与社会文明进步； 1)废水处理技术 2)废气处理技术 3) 固体废物和其他污染防治技术 5）环境工程学是一门边沿的、综合的、实用的和开发性强的科学。 3．《环境工程学》课程的任务 掌握环境污染物净化的基本理论、必要的基本知识和涉及工程设计方便的基本技能。 了解化学、物理化学、生物、自控和信息等其他高新技术在环境工程技术上的应用，能运用环境的观点来理解相关学科中涉及环境的有关问题。 学会正确的学习方法和研究问题的途径。 4．《环境工程学》课程的学习内容 水质净化与水污染控制工程（第一篇） 大气污染控制工程（第二篇） 固体废物污染控制工程及其它污染防治技术（第三篇） 4．《环境工程学》课程的学习方法 ·课前预习 ·作笔记 ·做复习，课外自学 ·做实验（单独一门课程）实验预习及报告 5．参考书 [1] 张自杰主编. 排水工程 (第三版). 北京: 中国建筑工业出版社, 1996 [2] 松本顺一郎编集. 水环境工学. 东京: 朝仓书店, 1994 [3] 林肇信，刘天齐，刘逸农主编，环境保护概论，修订版，北京：高等教育出版社，1999 [4] 郝吉明，马广大主编，大气污染控制工程，第二版，北京：高等教育出版社，2002 [5] 王建龙译，Mackenzie L. Daris David A. Cornwell，环境工程导论，第3版，北京：清华大学出版社，2002 [6]李金秀. 固体废物工程[M].北京：中国环境科学出版社.2003 二、关于环境科学 1.环境科学与环境工程学 1）环境的概念 环境（Environment）：从广义上来说，是指影响生物生存的外部世界（Everything that affects an organism during its lifetime）。这里的生物当然包括人类，且主要指的是人类。因此，按照人类中心说（Anthropocentric）的伦理，环境可以是指以人类为主体的外部世界，即人类赖于生存和发展的物质条件的整体，包括自然环境和社会环境，它既包括天然的自然因素，也包括经过人工改造的自然因素的总体，如大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等。 2）环境的变化 原始社会，地球上的森林面积占地球总面积的2/3，而今，还不到1/3。事实上，在一个现代的工业化社会中，人们往往会忽视人类生存与自然环境之间的依存关系。其主要原因就是人类通过工程的手段对环境的改造越来越多，所以人们直接接触原本的自然环境的机会越来越少，以至于忘记了一个根本的事实，就是我们所需的一切实际上都是来源于自然。我们生活的地球拥有丰富的资源，进入技术时代（Technological age）以来，工程学（Engineering）的发展在很多方面都是与资源的开发与利用有关的：矿业工程（Mining engineering）旨在勘探、开采、精选矿产资源，以获得人类所需的原料；石油化学工程（Petroleum and chemical engineering）旨在从石油和天然气资源中得到可用的燃油、燃气产品；机械电气工程（Mechanical and electrical engineering）旨在将天然资源或能量转换为能直接为人类服务的动力或电力；农业工程（Agricultural engineering）旨在为人类生产食粮，而其原料实际上是来源于太阳能、土壤和肥分中所含的营养物；土木与市政工程（Civil and municipal engineering）旨在提供人类居住和生活的服务，它也包含直接或间接的从天然资源或能源获取人类必需品的过程；而交通运输工程（Transportation engineering）则是将通过上述其它工程获得的产品从产地运送给用户，与天然资源或天然能源之间是一种间接的关系。正是由于这些工程所提供的产品和服务，人们已不大注意到作为这些产品和服务的基本来源的天然资源和能源，从而忘记了人与自然的依存关系。 从工业化开始，人们起初没有意识到，但却逐渐注意到的一个不争的事实是：上述各种工程学技术的发展导致了生产规模的扩大，而这些生产过程在为人们提供更多产品和服务的同时，也将大量的污染物排放到环境中。 3）环境问题与环境现状 工业革命（从农业占优势的经济向工业占优势的经济的迅速过渡称为工业革命）是世界史的一个新时期的起点，此后的环境问题也开始出现新的特点并日益复杂化和全球化。十八世纪后期欧洲的一系列发明和技术革新大大提高了人类社会的生产力，人类开始插上技术的翅膀，以空前的规模和速度开采和消耗能源和其他自然资源。新技术使英国、欧洲和美国等地在不到一个世纪的时间里先后进入工业化社会，并迅速向全世界蔓延，在世界范围内形成发达国家和发展中国家的差别。 工业化社会的特点是高度城市化。 在工业化的初期，由于生产规模小，排放的污染物量不大，自然界完全有能力通过自我净化（Self-purification）作用对污染物进行吸收和分解，所以对环境造成的影响并不显著。而随着工业化规模的扩大，排放的污染物量逐渐超过了环境的自我净化能力界限，对环境造成的负面影响就愈加凸现出来。 二战后，由于经济的快速发展，人类对环境作用的深度和广度加强，产生了大规模地球环境问题。这些问题由一国内的严重污染发展到区域性的大范围污染和生态破坏，甚至演化为全球性的环境问题，日益威胁到全人类的生存和发展，成为全世界所面临的重大危机之一。 当前，国际环境问题主要表现为： 1、气候变化 2、臭氧层破坏(耗损)(辐射) 3、酸雨污染(燃煤) 4、生物多样性锐减 5、淡水短缺 6、森林破坏 7、荒漠化 8、海洋污染和破坏 9、有毒化学品和危险废物越境转移 10、垃圾成灾，矿山垃圾、生活垃圾污染了人类生存的环境。 4）环境科学的发展与形成 环境科学是在现代社会经济和科学发展过程中形成的一门综合性科学。就世界范围来说，环境科学成为一门科学还是近二、三十年的事情。 环境科学是把环境作为一个整体进行综合研究的一门学科。环境科学的研究领域，在50～60年代侧重于自然科学和工程技术的方面，目前已扩大到社会学、经济学、法学等社会科学方面。对环境问题的系统研究，要运用地学、生物学、化学、物理学、医学、工程学、数学以及社会学、经济学、法学等多种学科的知识。所以，环境科学是一门综合性很强的学科。 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。环境总是不断地演化，环境变异也随时随地发生。在人类改造自然的过程中，为使环境向有利于人类的方向发展，避免向不利于人类的方向发展，就必须了解环境变化的过程，包括环境的基本特性、环境结构的形式和演化机理等。 　　第二，揭示人类活动同自然生态之间的关系。环境为人类提供生存条件，其中包括提供发展经济的物质资源。人类通过生产和消费活动，不断影响环境的质量。人类生产和消费系统中物质和能量的迁移、转化过程是异常复杂的。但必须使物质和能量的输入同输出之间保持相对平衡。这个平衡包括两项内容。一是排入环境的废弃物不能超过环境自净能力，以免造成环境污染，损害环境质量。二是从环境中获取可更新资源不能超过它的再生增殖能力，以保障永续利用；从环境中获取不可更新资源要做到合理开发和利用。因此，社会经济发展规划中必须列入环境保护的内容，有关社会经济发展的决策必须考虑生态学的要求，以求得人类和环境的协调发展。 　　第三，探索环境变化对人类生存的影响。环境变化是由物理的、化学的、生物的和社会的因素以及它们的相互作用所引起的。因此，必须研究污染物在环境中的物理、化学的变化过程，在生态系统中迁移转化的机理，以及进入人体后发生的各种作用，包括致畸作用、致突变作用和致癌作用。同时，必须研究环境退化同物质循环之间的关系。这些研究可为保护人类生存环境、制定各项环境标准、控制污染物的排放量提供依据。 　　第四，研究区域环境污染综合防治的技术措施和管理措施。工业发达国家防治污染经历了几个阶段：50年代主要是治理污染源；60年代转向区域性污染的综合治理；70年代侧重预防，强调区域规划和合理布局。引起环境问题的因素很多，实践证明需要综合运用多种工程技术措施和管理手段，从区域环境的整体出发，调节并控制人类和环境之间的相互关系，利用系统分析和系统工程的方法寻找解决环境问题的最优方案。 在现阶段，环境科学主要是运用自然科学和社会科学的有关学科的理论、技术和方法来研究环境问题，形成与有关学科相互渗透、交叉的许多分支学科。属于自然科学方面的有环境地学、环境生物学、环境物理学、环境医学、环境工程学（还有环境地球化学、环境地质学、环境海洋学、环境化学、环境声学、环境土壤学）；属于社会科学方面的有环境管理学、环境经济学、环境法学等。 　　环境地学　以人-地系统为对象,研究它的发生和发展,组成和结构，调节和控制,改造和利用。主要研究内容有：地理环境和地质环境等的组成、结构、性质和演化,环境质量调查、评价和预测,以及环境质量变化对人类的影响等。环境地学的学科体系尚未完全定型，目前较成熟的分支学科有环境地质学、环境地球化学、环境海洋学、环境土壤学、污染气象学等。 　　环境生物学　研究生物与受人类干预的环境之间的相互作用的机理和规律。它有两个研究领域：一个是针对环境污染问题的污染生态学；一个是针对环境破坏问题的自然保护。环境生物学以研究生态系统为核心，向两个方向发展：从宏观上研究环境中污染物在生态系统中的迁移、转化、富集和归宿，以及对生态系统结构和功能的影响；从微观上研究污染物对生物的毒理作用和遗传变异影响的机理和规律。环境化学　主要是鉴定和测量化学污染物在环境中的含量，研究它们的存在形态和迁移、转化规律，探讨污染物的回收利用和分解成为无害的简单化合物的机理。它有两个分支：环境污染化学和环境分析化学。 　　环境物理学　研究物理环境和人类之间的相互作用。主要研究声、光、热、电磁场和射线对人类的影响，以及消除其不良影响的技术途径和措施。声、光、热、电、射线，为人类生存和发展所必需。但是，它们在环境中的量过高或过低,就会造成污染和危害。因此,环境物理学研究的目的是要为人类创造一个适宜的物理环境。根据研究对象的不同，分为环境声学、环境光学、环境热学、环境电磁学、环境空气动力学等分支学科。其中环境声学有较长的研究历史和较多的研究成果。 　　环境医学　研究环境与人群健康的关系，特别是研究环境污染对人群健康的有害影响及其预防措施，包括探索污染物在人体内的动态和作用机理，查明环境致病因素和致病条件，阐明污染物对健康损害的早期反应和潜在的远期效应，以便为制定环境卫生标准和预防措施提供科学依据。环境医学的研究领域有环境流行病学、环境毒理学、环境医学监测等。 　　环境工程学　运用工程技术的原理和方法，防治环境污染，合理利用自然资源，保护和改善环境质量。主要研究内容有大气污染防治工程、水污染防治工程、固体废物的处理和利用、噪声控制等，并研究环境污染综合防治，以及运用系统分析和系统工程的方法，从区域环境的整体上寻求解决环境问题的最佳方案。此外，环境工程学还研究控制污染的技术经济问题，开展技术发展的环境影响评价工作。 　　环境管理学　研究采用行政的、法律的、经济的、教育的和科学技术的各种手段调整社会经济发展同环境保护之间的关系，处理国民经济各部门、各社会集团和个人有关环境问题的相互关系，通过全面规划和合理利用自然资源，达到保护环境和促进经济发展的目的。 　　环境经济学　研究经济发展和环境保护之间的相互关系，探索合理调节人类经济活动和环境之间的物质交换的基本规律，其目的是使经济活动能取得最佳的经济效益和环境效益。 　　环境法学　研究关于保护自然资源和防治环境污染的立法体系、法律制度和法律措施，目的在于调整因保护环境而产生的社会关系。 环境科学现有的各分支学科，正处于蓬勃发展时期。这些分支学科在深入探讨环境科学的基础理论和解决环境问题的途径和方法的过程中，还将出现更多的新的分支学科。 　　环境是一个有机的整体，环境污染又是极其复杂的、涉及面相当广泛的问题。因此，在环境科学发展过程中，环境科学的各个分支学科虽然各有特点，但又互相渗透，互相依存，它们是环境科学这个整体的不可分割的组成部分。 人类是环境的主人，人类在同自然界的斗争中总是不断总结经验，有所发现，有所前进。环境问题是随着人类社会发展而发展，同时也是随着社会进步和科学技术发展而必然要被认识和解决的。 2.环境工程学的形成与发展 概念：为了削弱工业化生产过程（当然也包括人类的生活过程）对环境的影响，人类试图通过工程的手段进行污染治理，这就形成了一门新的工程学，即环境工程学（Environmental engineering）。 环境工程是环境科学的一个分支：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。主要研究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以及噪声控制等。环境工程学还研究环境污染综合防治的方法和措施，以及利用系统工程方法，从区域的整体上寻求解决环境问题的最佳方案。 　　形成过程：环境工程学是在人类同环境污染作斗争、保护和改善生存环境的过程中形成的。 从开发和保护水源来说，中国早在公元前2300年前后就创造了凿井技术，促进了村落和集市的形成。后来为了保护水源，又建立了持刀守卫水井的制度。从给排水工程来说，中国在公元前2000多年以前就用陶土管修建了地下排水道。古代罗马大约在公元前 6世纪开始修建地下排水道。中国在明朝以前就开始采用明矾净水。英国在19世纪初开始用砂滤法净化自来水；在19世纪末采用漂白粉消毒。在污水处理方面，英国在19世纪中叶开始建立污水处理厂；20世纪初开始采用活性污泥法处理污水。此后，卫生工程、给水排水工程等逐渐发展起来，形成一门技术学科。 　　在大气污染控制方面，为消除工业生产造成的粉尘污染，美国在1885年发明了离心除尘器。进入20世纪以后，除尘、空气调节、燃烧装置改造、工业气体净化等工程技术逐渐得到推广应用。 　　在固体废物处理方面，历史更为悠久。约在公元前3000～1000年，古希腊即开始对城市垃圾采用了填埋的处置方法。在20世纪，固体废物处理和利用的研究工作不断取得成就，出现了利用工业废渣制造建筑材料等工程技术。 　　在噪声控制方面，中国和欧洲一些国家的古建筑中，墙壁和门窗位置的安排都考虑到了隔声的问题。在20世纪，人们对控制噪声问题进行了广泛的研究。从50年代起，建立了噪声控制的基础理论，形成了环境声学。 　　20 世纪以来，根据化学、物理学、生物学、地学、医学等基础理论，运用卫生工程、给排水工程、化学工程、机械工程等技术原理和手段，解决废气、废水、固体废物、噪声污染等问题，使单项治理技术有了较大的发展，逐渐形成了治理技术的单元操作、单元过程、以及某些水体和大气污染治理工艺系统。50年代末，中国提出了资源综合利用的观点。60年代中期，美国开始了技术评价活动，并在1969年的《国家环境政策法》(NEPA)中,规定了环境影响评价的制度。至此,人们认识到控制环境污染不仅要采用单项治理技术，而且还要采取综合防治措施和对控制环境污染的措施进行综合的技术经济分析，以防止在采取局部措施时与整体发生矛盾而影响清除污染的效果。在这种情况下，环境系统工程和环境污染综合防治的研究工作迅速发展起来。随后，陆续出现了环境工程学的专门著作，形成了一门新的学科。但是,迄今为止,人们对这门学科还存在着不同的认识。有人认为，环境工程学是研究环境污染防治技术的原理和方法的学科，主要是研究对废气、废水、固体废物、噪声，以及对造成污染的放射性物质、热、电磁波等的防治技术；有人则认为环境工程学除研究污染防治技术外，还应包括环境系统工程、环境影响评价、环境工程经济和环境监测技术等方面的研究。 3.环境工程学的主要内容 　　尽管对环境工程学的研究内容有不同的看法，但是从环境工程学发展的现状来看，其基本内容主要有下列几个方面： 　　大气污染防治工程　每个人都通过呼吸作用，不停地同大气进行气体交换。一个成年人一天内同大气之间的气体交换量约 10～12立方米。通常，一个人5星期不吃东西，或5天不喝水，尚能活命，但是5分钟不呼吸就会丧生。所以说，空气尤其是清洁的空气是人的生命须臾不可缺少的。然而，20世纪中叶以来，进入大气中的污染物的种类和数量不断增多。已经对大气造成污染的污染物和可能对大气造成污染而引起人们注意的物质就有100种左右，其中影响面广,对环境危害严重的主要有硫氧化物、氮氧化物、氟化物、碳氢化合物、碳氧化物等有害气体，以及飘浮在大气中含有多种有害物质的颗粒物和气溶胶等。 　　大气中的污染物有的来自自然界本身的物质运动和变化，有的来自人类的生产和消费活动。人类生产活动排放的有害气体治理和工业废气中颗粒物的去除的原理和方法是大气污染防治工程的主要任务。 　　水污染防治工程　水是一切生物生存和发展不可缺少的。水体中所含的物质非常复杂，元素周期表中的元素几乎都可在水体中找到。人类生产和生活消费活动排出的废水，尤其是工业废水、城市污水等大量进入水体，造成水体污染。因此，采用废水物理处理法、废水化学处理法、废水生物处理法和废水物理化学处理法等方法进行治理，以及充分利用环境自净能力，以防止、减轻直至消除水体污染，改善和保持水环境质量，并要制定废水排放标准，合理地利用水资源,加强水资源管理,就成为水污染防治工程的主要任务。 　　固体废物的处理和利用　人类在开发资源、制造产品和改进环境的过程中都会产生固体废物，而且任何产品经过消费也会变成废弃物质，最终排入环境中。随着人类生产的发展和生活水平的提高，固体废物的排放量日益增加，污染水体、土壤和大气。然而，固体废物具有两重性，对于某一生产或消费过程来说是废弃物，但对于另一过程来说往往是有使用价值的原料。因此，固体废物处理和利用既要对暂时不能利用的废弃物进行无害化处理，如对城市垃圾采取填埋、焚化等方法予以处置；又要对固体废物采取管理或工艺措施，实现固体废物资源化，如利用矿业固体废物、工业固体废物制造建筑材料，利用农业废弃物制取沼气等。 　　环境污染综合防治　废气、废水和固体废物的污染，是各种自然因素和社会因素共同作用的结果。控制环境污染必须根据当地的自然条件，弄清污染物产生、迁移和转化的规律,对环境问题进行系统分析,采取经济手段、管理手段和工程技术手段相结合的综合防治措施，改革生产工艺和设备，开发和利用无污染能源，利用自然净化能力等，以便取得环境污染防治的最佳效果。环境污染综合防治是在对废水、废气、固体废物单项治理的基础上发展起来的。 　　环境规划、管理和系统工程　环境问题往往具有区域性特点。利用系统工程的原理和方法，对区域性的环境问题和防治技术措施进行整体的系统分析,以求取得最优化方案,是环境系统工程的主要任务。环境系统工程方法还可应用于不同的规模、等级、剖面的系统，如大气系统（大气污染模型、大气扩散等）、地面水系统（河流污染、湖泊污染的分析和城市污水再生利用）、地下水系统、海洋系统以及某一环境工程单元过程系统等。 环境监测与环境评价：间断或连续地测定环境中污染物的浓度，观察、分析其变化和对环境影响的过程。由于污染源强度、地理条件、气象因素的不同，排放有害物质的分散性、扩散性、化学活性等的差异，污染的范围和影响也就不同。污染的范围有局部性的、区域性的甚至全球性的；污染的影响有些是短期、急性的，有些是长期、慢性的或者潜在性的。因此，要在一定范围内设置若干监测点，组成监测网络，监测污染物浓度变化及其影响，并据此制定防治对策。 4.发展趋势 　　环境工程学是一个庞大而复杂的技术体系。它不仅研究防治环境污染和公害的措施，而且研究自然资源的保护和合理利用，探讨废物资源化技术、改革生产工艺、发展少害或无害的闭路生产系统，以及按区域环境进行运筹学管理，以获得较大的环境效果和经济效益，这些都成为环境工程学的重要发展方向。 　　自然资源的有限和对自然资源需求的不断增长，特别是环境污染的控制目标和对能源需求之间的矛盾，促使环境工程学对现有技术和未来技术发展进行技术发展的环境影响评价和环境影响评价，为保护自然资源和社会资源提供依据。有人认为预测科学技术进步所产生的副作用，实质上就是预测未来的环境问题。美国从60年代中期开始探讨一些科学技术革命带来的二次影响。如建设原子能电站，虽然与传统的能源工业相比，二氧化碳和二氧化硫的污染大约减少了一半，但是增加了放射性污染。因此，资源、生态、经济三者发展的动态平衡，决定着环境工程未来的发展趋势。