大气与水污染控制工程讲义

环境工程专业研究方向

环境工程（Environmental Engineering）是研究和从事防治环境污染和提高环境质量的科学技术。环境工程同生物学中的生态学、医学中的环境卫生学和环境医学，以及环境物理学和环境化学有关。由于环境工程处在初创阶段，学科的领域还在发展，但其核心是环境污染源的治理。

本专业学生主要学习普通化学、工程力学、测量学、工程制图、微生物学、水力学、电工学、环境监测、环境工程学科的基本理论和基本知识，受到外语、计算机技术及绘图、污染物监测和分析、工程设计、管理及规划方面的基本训练，具有环境科学技术和给水排水工程领域的科学研究、工程设计和管理规划方面的基本能力。

培养目标

本专业培养具备城市和城镇水、气、声、固体废物等污染防治、给排水工程、污染控制规划和水资源保护等方面的知识与较强专业实践技能，有创新思维能力，能在政府部门、规划部门、经济管理部门、环保部门、设计单位、工矿企业、科研单位、学校等从事规划、设计、施工、管理、教育和研究开发方面工作的环境工程学科高级工程技术人才。

培养要求

本专业学生主要学习普通化学、工程力学、测量学、工程制图、微生物学、水力学、电工学、环境监测、环境工程学科的基本理论和基本知识，受到外语、计算机技术及绘图、污染物监测和分析、工程设计、管理及规划方面的基本训练，具有环境科学技术和给水排水工程领域的科学研究、工程设计和管理规划方面的基本能力。

知识技能

毕业生应获得以下几方面的知识和能力：1．掌握普通化学、分析化学、物理化学、工程力学、测量学、工程制图、微生物学、水力学、电工学、环境监测与评价、环境工程学科的基本理论、基本知识；

2．掌握水污染控制工程、空气污染控制工程、噪声污染控制工程、固体废物处理处置与资源化工程的基本原理和设计方法；

3．具有污染物监测和分析、环境监测、环境质量评价、环境规划与管理的初步能力；

4．了解环境科学与技术的理论前沿和发展动态；

5．掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有初步的科学研究和实际工作能力。

第一部分大气污染控制工程

1、基本知识和大气扩散

大气污染：国际标准组织定义（ISO）定义：大气污染通常系指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境的现象。

发生机制：有自然因素（如森林火灾、火山爆发等）和人为因素（如工业废气、生活燃煤、汽车尾气等）两种，并且以后者为主要因素，尤其是工业生产和交通运输所造成的。主要过程由污染源排放、大气传播、人与物受害这三个环节所构成。

综合防治：（1）加强城市与工业区的环境规划；（2）严格环境管理；（3）合理利用能源；（4）控制大气污染物的排放；（5）提倡清洁生产；（6）绿化造林；（7）安装废气净化装置。

风速指数律：

PaSqill稳定度划分方法：帕斯奎尔—特纳大气稳定度分类是利用常规气象观测资料将大气稳定度划分为A～F6个级别的分类法。A：强不稳定；B：不稳定；C：弱不稳定；D：中性；E：较稳定；F：稳定

通过高斯方程计算，能估算出各种污染气象条件下高架点源的污染物着地浓度

地方性风场对大气扩散的影响：

2、颗粒污染物控制

颗粒当量直径：

颗粒群粒径分布：

树立去除对象的直径为微米级概念；熟悉除尘设备的三个技术、三个经济指标

掌握串级除尘总效率的计算法；牢固建立分级除尘效率、临界分割直径的概念，并能自觉运用到六大类除尘器（重力、慢性、旋风、湿式、袋式和静电）的除尘效率计算中；针对作用对象，能较熟练做到选用（或设计）何种除尘设备或它们的联用。

3、气态污染物控制

掌握冷凝、三种燃烧、吸收和吸附、催化转换的方法及其适用性；掌握含气态污染物的废气特异性，充分认识到它与传统化工上的吸收所处理对象的不同；掌握吸附处理的希洛夫方程，了解催化处理的基本知识。

4、系统设计

除掌握以上净化技术和排放扩散着地浓度估算外，还能较熟练进行系统设计全局操作

第二部分水污染控制工程

1、污水水质和出路

水质污染指标是评价水质污染程度、进行污水处理工程设计、反映污水处理厂处理效果、开展水污染控制的基本依据。

污水的水质污染指标一般可分为物理指标、化学指标、生物指标。

物理指标包括：（1）水温（2）色度（3）臭味（4）固体含量

化学指标包括：

其中，有机指标包括：

(1)BOD：在水温为20度的条件下,水中有机物被好养微生物分解时所需的氧量。

(2)COD：用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所消耗的氧化剂量。

(3)TOD：由于有机物的主要元素是C、H、O、N、S等。被氧化后，分别产生

CO2、H2O、NO2和SO2，所消耗的氧量称为总需氧量。

(4)TOC：表示有机物浓度的综合指标。水样中所有有机物的含碳量。

（5）油类污染物

（6）酚类污染物

（7）表面活性剂

（8）有机酸碱

（9）有机农药

（10）苯类化合物

无机物及其指标包括：（1）酸碱度（2）氮、磷（3）重金属（4）无机性非金属有害毒物

生物指标包括：（1）细菌总数（2）大肠菌群（3）病毒

2、污水的物理处理

物理处理的去除对象：漂浮物、悬浮物。

物理处理方法：筛滤、重力分离、离心分离。

筛滤: 筛网、格栅(去除漂浮物、纤维状物和大块悬浮物)

滤池、微滤机（去除中细颗粒悬浮物）。

重力分离：沉砂池、沉淀池（去除不同密度、不同粒径悬浮物）、隔油池与气浮池(去除密度小于1或接近1的悬浮物)。

格栅：是一组平行的金属栅条、带钩的塑料栅条或金属筛网组成。

?安装地点：污水沟渠、泵房集水井进口、污水处理厂进水口及沉砂池前。

?设置目的：根据栅条间距，截留不同粒径的悬浮物和漂浮物，以减轻后续构筑物的处理负荷,保证设备的正常运行。

?栅渣：被截留的污染物,其含水率70～80％,容重750kg/m3。

?分类：平面格栅和曲面格栅（又称回转式格栅）。

筛网：筛网的去除效果，可相当于初次沉淀池的作用。目前，应用于废水处理或短小纤维回收的筛网主要有两种型式，即振动筛网和水力筛网。

沉淀类型：

沉淀是实现固液分离或泥水分离的重要环节，由于沉淀的对象和空间不同，其沉淀形式也各异—自由沉淀、絮凝沉淀、区域沉淀、压缩沉淀。

自由沉淀：指SS浓度不高,沉淀过程中颗粒间互不碰、呈单颗粒状态,各自独立地完成沉淀过程。

絮凝沉淀(干涉沉淀)：当SS浓度较高(50～500mg/L)，沉淀过程中颗粒间可能互相碰撞产生絮凝作用，颗粒径与质量逐渐加大,沉速加快。

区域沉淀（成层、拥挤沉淀）：因SS过大，沉淀过程中相邻颗粒间互相妨碍、干扰，

沉速大的颗粒也无法超越沉速小的颗粒，各自保持相对位置不变，颗粒群以整体向下速度沉降，并与上清液形成清晰的固液界面。

压缩沉淀：颗粒间相互支撑，上层颗粒在重力作用下挤压下层颗粒间的间隙水，使污泥得到浓缩。

沉淀池的种类：

?按工艺布置分：初沉池和二沉池。

（1）初沉池是一级污水处理的主体构筑物，或作为二级处理的预处理，可去除40～55％的SS、20～30％的BOD，降低后续构筑物负荷。

（2）二沉池位于生物处理装置后，用于泥水分离，它是生物处理的重要组成部分。经生物处理＋二沉池沉淀后，一般可去除70～90％的SS和65～95％的BOD。

?按池内水流流态分：平流式、辐流式和竖流式。

?结构：各种沉淀池均含有五个区：进水、沉淀、缓冲、污泥与出水区。

隔油：

破乳：破乳的方法有多种，但基本原理一样，即破坏液滴界面上的稳定薄膜，使油、水得以分离。

气浮：气浮是气浮机的一种简称，也可以作为一种专有名词使用，即水处理中的气浮法，是在水中形成高度分散的微小气泡，粘附废水中疏水基的固体或液体颗粒，形成水-气-颗粒三相混合体系，颗粒粘附气泡后，形成表观密度小于水的絮体而上浮到水面，形成浮渣层被刮除，从而实现固液或者液液分离的过程。

3、污水的化学处理

化学混凝的机理至今仍未完全清楚。因为它涉及的因素很多，如水中杂质的成分和浓度、水温、水的pH值、碱度，以及混凝剂的性质和混凝条件等。但归结起来，可以认为主要是三方面的作用：(1)压缩双电层作用；(2)吸附架桥作用；(3)网捕作用。上述三种作用产生的微粒凝结理象——凝聚和絮凝总称为混凝。影响混凝效果的因素较复杂，主要有水温、水质（PH值、水中杂质的成分性质和浓度）和水力条件等。

废水中和处理法是利用中和作用处理废水，使之净化的方法。其基本原理是，使酸性废水中的H+与外加OH-，或使碱性废水中的OH-与外加的H+相互作用，生成弱解离的水分子，同时生成可溶解或难溶解的其他盐类，从而消除它们的有害作用。反应服从当量定律。采用此法可以处理并回收利用酸性废水和碱性废水，可以调节酸性或碱性废水的pH值。

废水氧化处理法是利用强氧化剂氧化分解废水中污染物，以净化废水的方法。强氧化剂能将废水中的有机物逐步降解成为简单的无机物，也能把溶解于水中的污染物氧化为不溶于水、而易于从水中分离出来的物质。氧化处理法几乎可处理一切工业废水，特别适用于处理废水中难以被生物降解的有机物，如绝大部分农药和杀虫剂，酚、氰化物，以及引起色度、臭味的物质等。

4、污水的物理化学处理

吸附：固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能力，比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力，可用作吸附剂。吸附可分为物理吸附和化学吸附。如果吸附剂与被吸附物质之间是通过分子间引力(即范德华力)而产生吸附，称为物理吸附；如果吸附剂与被吸附物质之间产生化学作用，生成化学键引起吸附，称为化学吸附。

影响吸附的因素：吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标；吸附速度主要取决于外部扩散速度和孔隙扩散速度。吸附剂的物理化学性质和吸附质的物理化学性质

对吸附有很大影响。污水的pH值对吸附也有影响。

离子交换：离子交换法是水处理中软化和除盐的主要方法之一。在废水处理中，主要用于去除废水中的金属离子。离子交换的实质是不溶性离子化合物(离子交换剂)上的可交换离子与溶液中的其它同性离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆性化学吸附。

萃取：在化工上，用适当的溶剂分离混合物的过程叫萃取。当混合物为溶液时叫液—液萃取，当混合物为固体时叫固—液萃取；使用的溶剂叫萃取剂，提出的物质叫萃取物，在废水处理上，利用废水中的杂质在水中和有机萃取剂中溶解度的不同，可以采用萃取的方法，将杂质提取出来。

膜分离：膜析法是利用薄膜以分离水溶液中某些物质的方法的统称。目前有扩散渗析法(渗析法)、电渗析法、反渗透法和超过滤法等。

5、污水的生物处理基础知识

微生物的生长规律：微生物的生长规律一般是以生长曲线来反映。按为微生物生长速率，其生长可分为四个生长期：停滞期（调整期）、对数期（生长旺盛期）、静止期（平衡期）、衰老期（衰亡期）。

生化反应动力学基础，以及废水生物处理的基本模式。

6、污水的好氧生物处理

好氧生物处理是在有游离氧（分子氧）存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用废水中存在的有机污染物（以溶解状与胶体状的为主），作为营养源进行好氧代谢。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无害化的要求，以便返回自然环境或进一步处置。

在废水处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法和生物膜法两大类。

活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法。活性污泥法是向废水中连续通入空气，活性污泥法经一定时间后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥状絮凝物。其上栖息着以菌胶团为主的微生物群，具有很强的吸附与氧化有机物的能力。

生物膜法是利用附着生长于某些固体物表面的微生物（即生物膜）进行有机污水处理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统，其附着的固体介质称为滤料或载体。生物膜自滤料向外可分为厌气层、好气层、附着水层、运动水层。生物膜法的原理是，生物膜首先吸附附着水层有机物，由好气层的好气菌将其分解，再进入厌气层进行厌气分解，流动水层则将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜，如此往复以达到净化污水的目的。

7、污水的厌氧生物处理

废水的厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处理方法。在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解、转化为简单的化合物，同时释放能量。

分类：（1）化粪池；（2）厌氧生物滤池；（3）厌氧接触法；（4）上流式厌氧污泥床反应器；（5）分段厌氧处理法

厌氧生物处理系统的设计包括；流程和设备的选择；反应器和构筑物的构造和容积的确定；需热量的计算和搅拌设备的设计等。

8、污水的生态处理

稳定塘又名氧化塘或生物塘，其对污水的净化过程与自然水体的自净过程相似，是一种利用天然净化能力处理污水的生物处理设施。

污水土地处理是在人工调控下利用土壤—微生物—植物组成的生态系统使污水中的污染物净化的处理方法。在污染物得以净化的同时，水中的营养物质和水分也得以循环利用。因此，土地处理是使污水资源化、无害化和稳定化的处理利用系统。

土地处理技术有五种类型：慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流、湿地和地下渗滤系统。

土地处理系统是由污水预处理设施，污水调节和储存设施，污水的输送、布水及控制系统，土地净化田，净化出水的收集和利用系统等五部分组成。

污水土地处理系统的净化机理十分复杂，它包含了物理过滤、物理吸附、物理沉积、物理化学吸附、化学反应和化学沉淀、微生物对有机物的降解等过程。因此，污水在土地处理系统中的净化是一个综合净化过程。

9、污水的深度处理

废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四种形式存在。脱氮的方法有化学法和生物法两大类：化学法除氮常用于去除氨氮的方法有吹脱法、折点加氯法和离子交换法；生物法脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N2和N20气体的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程。

污水的三级处理：当城市污水厂的出水水质要求进一步提高或要求满足回用时，可在生物处理法之后增加混凝过滤工序；若处理要求着眼于去除难降解的有机物时，可在生物处理法之后增加活性炭吸附工序，或在活性污泥法中投加粉末活性炭；也可采用化学氧化法。

10、污泥的处理和处置

城市污水厂的污泥主要有：栅渣、沉砂池沉渣、初沉池污泥和二沉池生物污泥等。

表征污泥性质的主要参数或项目有：含水率与含固率、挥发性固体、有毒有害物含量以及脱水性能等。

常用的污泥处置方法有：农业利用、填埋、焚烧和投放海洋或废矿等。

11、污水处理设施和处理厂的设计

污水处理站设计中需注意的问题：

(1)厂址应选在地质条件较好的地方。地基较好，承载力较大，地下水位较低，便于施工。

(2)处理厂应尽量少占土地和不占良田。同时，要考虑今后有适当的发展余地。

(3)要考虑周围环境卫生条件。污水处理厂应设置在城镇集中给水水源的下游并尽可能在夏季主风向的下方，距离城镇或生活区在300m以上，并便于处理后的污水用于农田灌溉等。在工厂企业内的废水处理设备、处理站，对环境若没有显著影响，最好设置在紧靠废水发生处；如对环境有较大影响且规模较大，则应在厂区或厂外单独划区设置，并应设在居住区和生产区的下风向，与居住区保持一定距离并用绿化带隔离。

(4)处理厂应设在靠近电源的地方，并考虑排水、排泥的方便。

(5)处理厂应选择在不受洪水威胁的地方，否则应考虑防洪措施。

第三部分固体废弃物处理及资源化利用

1、固体废物与处理

固体废物的预处理通常是指通过物理、化学或生物方法，将固体废物转变成便

于运输、贮存、回收利用和处置的形态。常用的固体废物的预处理技术有压实、

破碎、分选、脱水和干燥等。

压实：又称压缩，即利用机械的方法增加物料的容重和减少其体积，以增加物料的聚集程度。

破碎：是指利用人力或机械等外力的作用，破坏固体废物质点间的内聚力和分子间作用力而使大块固体废物破碎成小块的过程。

分选：根据固体废物中各种组分物理性质和物理化学性质的差异而进行分离的作业。

2、污泥处理技术

污泥的性质包括养分（有机质、氮、磷、钾）、有害物质（病原体、有机污染物、重金属）

处理方法：

1）污泥浓缩：污泥浓缩是降低污泥含水率、减少污泥体积的有效方法。污泥浓缩主要减缩污泥的间隙水。经浓缩后的污泥近似糊状，仍保持流动性。

污泥浓缩的方法有沉降法、气浮法和离心法。

2）污泥消化：通常指废水处理中所产生污泥的厌氧生物处理。即污泥中的有机物在无氧条件下，被细菌降解为以甲烷为主的污泥气和稳定的污泥（称消化污泥）。但也有采用需氧生物处理以降解和稳定污泥中的有机物的，称需氧消化，常用于处理剩余活性污泥，曝气时间随温度而异，20°C时约需10天，10°C时约需15天，需氧消化的余泥不易浓缩。

3）污泥脱水与干化：将流态的原生、浓缩或消化污泥脱除水分，转化为半固态或固态泥块的一种污泥处理方法。经过脱水后，污泥含水率可降低到百分之五十五至百分之八十，视污泥和沉渣的性质和脱水设备的效能而定。污泥的进一步脱水则称污泥干化，干化污泥的含水率低于百分之十。脱水的方法，主要有自然干化法、机械脱水法和造粒法。自然干化法和机械脱水法适用于污水污泥。造粒法适用于混凝沉淀的污泥。

污泥干化通过渗滤或蒸发等作用，从污泥中去除大部分含水量的过程，一般指采用污泥干化场（床）等自蒸发设施。

3、固体废物能的利用

了解焚烧，热解，沼气化（发酵），湿式燃烧等多种回收固体废物能的方法及工

艺。

4、固体废物的建材利用

人们早就把工业废渣直接用作建筑材料和制造建筑材料,例如用矿渣垫基、铺路,用煤渣拌制三合土等。根据工业废渣的化学成分、物理状态和矿物组成的不同，可以制做各种不同性能的建筑材料。例如高炉渣具有足够的强度，经水淬或破碎后可直接作为水泥混凝土的骨料；并可按不同工艺制成膨珠、浮石等轻质骨料。钢渣破碎为碎块，质重而表面粗糙，与沥青粘结牢固，强度高，耐磨性能好，是优良的路面沥青混凝土的骨料。

5、固体废物的农业利用

固废堆肥化是在人工控制下，在一定的水分、C/N比和供氧条件下通过微生物

作用，将有机物转化为稳定的、无害化的腐殖质样物质过程。

堆肥过程可划分为2个阶段，第一阶段为高速阶段，第二阶段是熟化阶段

影响因素：含水率（40-80%）、有机质含量（20-80%）、C/N比（25+-5）、PH值（6-9）、通气量（0.04-0.08）、堆体温度（小于60度）

6、危险固废的固化处理技术

了解危险固废的固化处理技术，药剂稳定化处理技术及固化稳定化产物性能的评价。

7、固体废物的最终处置

1)海洋处置海洋处置主要分为海洋倾倒与远洋焚烧两种方法。海洋倾倒是将固体废弃物直接投入海洋的一种处置方法。它的根据是海洋是一个庞大的废弃物接受体，对污染物质能有极大地稀释能力。进行海洋倾倒时，首先要根据有关法律规定，选择处置场地，然后再根据处置区的海洋学特性、海洋保护水质标准、处置废弃物的种类及倾倒方式进行技术可行性研究和经济分析，最后按照设计的倾倒方案进行投弃。远洋焚烧，是利用焚烧船将固体废弃物进行船上焚烧的处置方法。废物焚烧后产生的废气通过净化装置与冷凝器，冷凝液排入海中，气体排入大气，残渣倾入海洋。这种技术适于处置易燃性废物，如含氯的有机废弃物。

(2)陆地处置陆地处置的方法有多种，包括土地填埋、土地耕作、深井灌注等。土地填埋是从传统的堆放和填地处置发展起来的一项处置技术，它是目前处置固体废弃物的主要方法。按法律可分为卫生填埋和安全填埋。卫生土地填埋是处置一般固体废弃物使之不会对公众健康及安全造成危害的一种处置方法，主要用来处置城市垃圾。通常把运到土地填埋场的废弃物在限定的区域内铺撒成一定厚度的薄层，然后压实以减少废弃物的体积，每层操作之后用土壤覆盖，并压实。压实的废弃物和土壤覆盖层共同构成一个单元。具有同样高度的一系列相互衔接的单元构成一个升层。完整的卫生土地填埋场是由一个或多个升层组成的。在进行卫生填埋场地选择、设计、建造、操作和封场过程中，应该考虑防止浸出液的渗漏、降解气体的释出控制、臭味和病原菌的消除、场地的开发利用等问题。安全土地填埋法是卫生土地填埋方法的进一步改进，对场地的建造技术要求更为严格。对土地填埋场必须设置人造成或天然衬里；最下层的土地填埋物要位于地下水位之上；要采取适当的措施控制和引出地表水；要配备浸出液收集、处理及监测系统，采用覆盖材料或衬里控制可能产生的气体，以防止气体释出；要记录所处置的废弃物的来源、性质和数量，把不相容的废弃物分开处置。