PAGEv-目錄TOC\o"1-4"\h\z\u第一部分理論導引 1第一章概述 11.1環(huán)境工程學的定義 11.2環(huán)境工程學的研究范疇 21.2.1水環(huán)境工程學 21.2.2大氣環(huán)境工程學 41.2.3固體廢棄物工程學 5第二章相關概念和基礎理論 62.1環(huán)境污染控制 62.1.1環(huán)境污染及污染物 62.1.2污染物濃度及其度量 62.1.3環(huán)境質(zhì)量標準 72.2環(huán)境工程學的反應工程基礎 82.2.1物料平衡和物質(zhì)傳遞 82.2.2反應和混合 102.2.3反應動力學模型 132.3環(huán)境工程學的膠體化學基礎 242.3.1膠體和表面 242.3.2膠體的基本性質(zhì) 262.3.3膠體的凝聚 32第二部分水環(huán)境工程學 33第三章水環(huán)境和水污染 333.1水環(huán)境 333.1.1地球的水循環(huán) 333.1.2人類聚居區(qū)域的水環(huán)境代謝 353.2水污染 373.2.1污染指標 373.2.2污染源與污染負荷量 383.2.3水環(huán)境容量 393.3水體的自凈作用 403.3.1水體對污染物的自凈過程 403.3.2復氧過程 413.3.3Streeter-Phelps方程 413.3.4氧垂曲線 42第四章水處理系統(tǒng)概述 444.1水處理方法的分類 444.1.1污染物分類及其可處理性 444.1.2懸浮污染物的去除方法 444.1.3膠體污染物的去除方法 454.1.4溶解性有機物的去除方法 454.1.5溶解性無機物的去除方法 454.2給水處理系統(tǒng) 454.2.1常規(guī)給水處理系統(tǒng) 454.2.2預處理和深度給水處理 464.3城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng) 474.3.1污水處理系統(tǒng) 474.3.2污水深度處理和回用 474.4工業(yè)廢水處理系統(tǒng) 484.4.1工業(yè)廢水的分類和水質(zhì)特點 484.4.2工業(yè)廢水處理方法 48第五章物理處理法 505.1沉淀與氣浮 505.1.1基礎理論 505.1.2斜管斜板沉淀理論 535.1.3沉淀與氣浮設備概述 545.2過濾 565.2.1基礎理論 565.2.2濾池構造 585.2.3濾池沖洗 605.2.4過濾設備概述 61第六章物理化學處理法 646.1混凝 646.1.1基礎理論 646.1.2混凝劑 666.1.3混凝設備 696.2吸附 706.2.1基礎理論 706.2.2吸附設備 726.3離子交換法 736.3.1基礎理論 736.3.2離子交換工藝及設備 746.4膜分離 756.4.1基礎理論 756.4.2膜分離方法的應用 76第七章化學處理法 777.1中和 777.1.1基礎理論 777.1.2中和處理工藝 787.2化學沉淀 787.2.1基礎理論 787.2.2化學沉淀方法 797.3氧化還原 817.3.1基本理論 817.3.2氧化法 827.3.3還原法 837.4消毒 857.4.1消毒的基本原理 857.4.2消毒方法 86第八章生物處理法 898.1活性污泥法 898.1.1基礎理論 898.1.2活性污泥法的運行方式 928.1.3活性污泥處理系統(tǒng)的維護管理 948.2生物膜法 988.2.1基礎理論 988.2.2生物濾池 1008.2.3生物轉盤 1018.2.4生物接觸氧化 1028.3厭氧生物處理 1038.3.1基礎理論 1038.3.2厭氧消化工藝設備 1078.4生物脫氮除磷技術 1098.4.1生物脫氮技術 1098.4.2生物除磷技術 1138.4.3A2O法同步脫氮除磷工藝技術 114第三部分大氣環(huán)境工程學 115第九章空氣環(huán)境與空氣污染 1159.1空氣環(huán)境 1159.1.1空氣的組成 1159.1.2大氣圈垂直結構 1159.1.3主要氣象要素及空氣的物理性能 1179.2空氣污染 1209.2.1空氣污染含義 1209.2.2空氣污染的影響 1209.2.3空氣污染的類型 1219.2.4室內(nèi)空氣污染 122第十章空氣污染凈化系統(tǒng)概述 12410.1空氣污染凈化方法分類 12410.2空氣污染凈化裝置 12410.2.1除塵裝置 12410.2.2吸收裝置 12510.2.3吸附裝置 12510.2.4催化轉化裝置 12610.3空氣污染凈化裝置的性能 12610.3.1凈化裝置技術性能的一般表示方法 12610.3.2凈化效率的表示方法 12710.3.3排放濃度及排放速率 12910.4空氣污染凈化裝置的選擇 130第十一章顆粒狀污染物凈化裝置 13511.1機械式除塵器 13511.1.1重力沉降室 13511.1.2慣性除塵器 13611.1.3旋風除塵器的基本原理 13611.2過濾式除塵器 13811.2.1袋式除塵器的基本原理 13811.2.2袋式除塵器的濾料和結構型式 14011.3電除塵器 14111.3.1概述 14111.3.2電暈的發(fā)生 14211.3.3電場 14311.3.4粒子荷電 14411.3.5粒子的捕集 14511.3.6粉塵比電阻對電除塵器運行的影響 14611.3.7電除塵器的應用 14611.4濕式氣體洗滌器 14611.4.1概述 14711.4.2重力噴霧洗滌器 14911.4.3旋風洗滌器 14911.4.4自激噴霧洗滌器 14911.4.5文丘里洗滌器 150第十二章氣態(tài)污染物凈化方法 15312.1二氧化硫污染控制方法 15312.1.1燃燒前燃料脫硫 15312.1.2流化床燃燒脫硫 15412.1.3低濃度二氧化硫煙氣脫硫 15412.2氮氧化物污染控制方法 16012.2.1低氮氧化物燃燒技術 16012.2.2煙氣脫硝技術 16312.3含氟化物煙氣的凈化方法 16412.4惡臭物質(zhì)凈化方法 16512.4.1吸收法脫臭 16512.4.2吸附法脫臭 16512.4.3燃燒法 16612.5溫室氣體的凈化方法 16612.5.1采用清潔燃料降低二氧化碳的排放量 16612.5.2煙氣中CO2的回收 167第十三章機動車污染的控制 16913.1機動車排氣中主要污染物 16913.2汽油車排氣中污染物的控制方法 17013.3我國在用汽車排氣污染的控制措施 174第十四章城市揚塵污染控制 17514.1城市揚塵來源與污染 17514.1.1城市揚塵的含義與分類 17514.1.2城市揚塵的來源 17514.1.3城市揚塵污染現(xiàn)狀 17714.2城市揚塵控制原理與方法 17814.2.1城市揚塵的影響因子 17814.2.2城市揚塵控制原理 17914.2.3城市揚塵的控制方法 179第四部分固體廢棄物工程學 183第十五章概述 18315.1固體廢棄物的來源及分類 18315.1.1固體廢棄物的來源 18315.1.2固體廢棄物的分類 18315.2固體廢棄物的性質(zhì) 18515.2.1固體廢棄物的物理和化學性質(zhì) 18515.2.2固體廢物的環(huán)境污染途徑和危害 18715.3固體廢物管理措施與技術政策 18815.3.1固體廢物管理措施 18815.3.2固體廢物管理技術政策 189第十六章固體廢物處理技術 19116.1固體廢物的收集和運輸 19116.1.1城市垃圾的收集與運輸 19116.1.2工業(yè)固體廢物的收集、運輸 19316.2固體廢物的壓實技術 19316.2.1固體廢物壓實的原理 19316.2.2固體廢物壓實設備 19416.3固體廢棄物的破碎 19516.3.1固體廢棄物破碎原理 19516.3.2破碎工藝與設備 19616.4固體廢物的分選技術 19716.4.1分選原理 19716.4.2分選方法 19816.5固體廢物的固化 20416.5.1固化原理和方法 20416.5.2固化產(chǎn)物性能的評價 207第十七章固體廢物資源化利用與最終處理 21017.1概述 21017.1.1固體廢棄物的資源化利用價值 21017.1.2固體廢棄物資源化系統(tǒng) 21017.2固體廢物的生物轉化技術 21117.2.1固體廢物的好氧堆肥處理 21217.2.2固體廢物的厭氧發(fā)酵處理 21517.3固體廢物的焚燒技術 21717.3.1焚燒原理 21717.3.2焚燒工藝系統(tǒng)與設備 21917.4固體廢物的土地填埋技術 22017.4.1填埋處置概述 22017.4.2填埋場選址及利用計劃 22017.4.3填埋操作管理 222主要參考文獻 225第一部分理論導引第一章概述1.1環(huán)境工程學的定義通過《環(huán)境學》及其它課程的學習，我們已經(jīng)了解了“環(huán)境”的定義。所謂環(huán)境（Environment），從廣義上來說，是指影響生物生存的外部世界（Everythingthataffectsanorganismduringitslifetime）。這里的生物當然包括人類，且主要指的是人類。因此，按照人類中心說（Anthropocentric）的倫理，環(huán)境可以是指以人類為主體的外部世界，即人類賴于生存和發(fā)展的物質(zhì)條件的整體，包括自然環(huán)境和社會環(huán)境，它既包括天然的自然因素，也包括經(jīng)過人工改造的自然因素的總體，如大氣、水、海洋、土地、礦藏、森林、草原、野生生物、自然遺跡、人文遺跡、自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)、城市和鄉(xiāng)村等。然而，在一個現(xiàn)代的工業(yè)化社會中，人們往往會忽視人類生存與自然環(huán)境之間的依存關系。其主要原因就是人類通過工程的手段對環(huán)境的改造越來越多，所以人們直接接觸原本的自然環(huán)境的機會越來越少，以至于忘記了一個根本的事實，就是我們所需的一切實際上都是來源于自然。我們生活的地球擁有豐富的資源，進入技術時代（Technologicalage）以來，工程學（Engineering）的發(fā)展在很多方面都是與資源的開發(fā)與利用有關的：礦業(yè)工程（Miningengineering）旨在勘探、開采、精選礦產(chǎn)資源，以獲得人類所需的原料；石油化學工程（Petroleumandchemicalengineering）旨在從石油和天然氣資源中得到可用的燃油、燃氣產(chǎn)品；機械電氣工程（Mechanicalandelectricalengineering）旨在將天然資源或能量轉換為能直接為人類服務的動力或電力；農(nóng)業(yè)工程（Agriculturalengineering）旨在為人類生產(chǎn)食糧，而其原料實際上是來源于太陽能、土壤和肥分中所含的營養(yǎng)物；土木與市政工程（Civilandmunicipalengineering）旨在提供人類居住和生活的服務，它也包含直接或間接的從天然資源或能源獲取人類必需品的過程；而交通運輸工程（Transportationengineering）則是將通過上述其它工程獲得的產(chǎn)品從產(chǎn)地運送給用戶，與天然資源或天然能源之間是一種間接的關系。正是由于這些工程所提供的產(chǎn)品和服務，人們已不大注意到作為這些產(chǎn)品和服務的基本來源的天然資源和能源，從而忘記了人與自然的依存關系。從工業(yè)化開始，人們起初沒有意識到，但卻逐漸注意到的一個不爭的事實是：上述各種工程學技術的發(fā)展導致了生產(chǎn)規(guī)模的擴大，而這些生產(chǎn)過程在為人們提供更多產(chǎn)品和服務的同時，也將大量的污染物排放到環(huán)境中。在工業(yè)化的初期，由于生產(chǎn)規(guī)模小，排放的污染物量不大，自然界完全有能力通過自我凈化（Self-purification）作用對污染物進行吸收和分解，所以對環(huán)境造成的影響并不顯著。而隨著工業(yè)化規(guī)模的擴大，排放的污染物量逐漸超過了環(huán)境的自我凈化能力界限，對環(huán)境造成的負面影響就愈加凸現(xiàn)出來。為了削弱工業(yè)化生產(chǎn)過程（當然也包括人類的生活過程）對環(huán)境的影響，人類試圖通過工程的手段進行污染治理，這就形成了一門新的工程學，即環(huán)境工程學（Environmentalengineering）。因此，環(huán)境工程學是研究控制和防治環(huán)境污染的工程學方法的學科。環(huán)境工程學作為一門學科的歷史不算很長，但在人類漫長的發(fā)展過程中，人們很早就認識到了生存環(huán)境質(zhì)量的重要性，并自覺或不自覺地通過工程方法來維護或保障生存環(huán)境質(zhì)量。以水環(huán)境為例，飲用水的取用可能是人類最早進行的環(huán)境工程學實踐。早在公元前2300年前后，我國就發(fā)明了鑿井取水技術，這是人類最早的水資源開發(fā)活動。水的清澈透明度和味道（咸水還是淡水）是人們通過直覺感受到的水質(zhì)指標，發(fā)掘到好的水源后人們就想到了要進行保護，例如同樣在公元前2300年前后的持刀守衛(wèi)水井的制度恐怕是人類最早的水資源保護措施。生活排出的污水會影響人的生活環(huán)境，最簡單的方法就是將污水送到遠離人群的地方，我國在公元前2000多年已有用陶土管修建地下排水道的記載，這也可能是人類最早的排水工程之一。在國外，美索布達米亞帝國（公元前3500～2500年）也有過污水和雨水混合排放的記載。羅馬人則在公元前800年左右修建了渠道集中供水和敞開式排水系統(tǒng)。我國在明朝以前就開始用明礬凈化飲用水。在大氣環(huán)境方面，早在公元61年，羅馬哲學家色那卡（Seneca）就指出過燃燒引起的空氣污染問題，并稱之為“煙囪劣行”。我國宋朝的沈括在其名著《夢溪筆談》中也描述過炭黑生產(chǎn)所造成的煙塵污染。這都是早期人們對大氣污染的認識，但人類真正認識大氣污染是在十八世紀中葉產(chǎn)業(yè)革命之后。隨著生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，煤和石油逐漸成為為主要能源，燃料燃燒造成的大氣污染也隨之日益加劇，嚴重的大氣污染事件接連發(fā)生。恩格斯在《英國工人階級狀況》一書中，曾詳細地描述了當時英國工業(yè)發(fā)源地曼徹斯特市的污染狀況，他指出：“從煙囪里噴出的濃煙，彌漫于城市上空，使大氣混濁?！庇膫惗卦谑止I(yè)時期就曾出現(xiàn)過燃煤造成的大氣污染，1873年、1880年、1892年、直至1952年先后多次發(fā)生由于燃煤造成的煙霧中毒事件。倫敦成為世界知名的“霧都”的原因實際上就是燃煤引起的大氣污染。污染的頻繁發(fā)生及其造成的危害引起了人們的廣泛關注，使人們認識到社會發(fā)展和環(huán)境污染治理并重的必要性和重要性，從而環(huán)境工程學作為一門學科的發(fā)展也獲得了原動力。1.2環(huán)境工程學的研究范疇如上所述，環(huán)境工程學是研究控制和防治環(huán)境污染的工程學方法的學科。因此，它的研究范疇將涉及所有環(huán)境污染問題及其污染控制與防治，關聯(lián)的環(huán)境要素包括水環(huán)境、大氣環(huán)境、土壤環(huán)境、噪聲與振動等其它物理環(huán)境。在這本教材里，針對以城市為中心的人類聚居區(qū)域的主要環(huán)境問題，我們將主要研究水環(huán)境工程學、大氣環(huán)境工程學和固體廢棄物工程學的相關問題。1.2.1水環(huán)境工程學水是人類生活的必需品，與其相關的工程學問題非常多，涉及從水資源、取水、給水處理、輸配水、室內(nèi)給排水、排水管網(wǎng)、污水處理和排放等所有與用水有關的工程環(huán)節(jié)。然而對于水環(huán)境工程學，研究的問題主要是以水質(zhì)為中心，通常包括從水源到給水的水質(zhì)控制（Waterqualitycontrol），以及與排水有關的水污染控制（Waterpollutioncontrol）問題。水質(zhì)控制的核心是給水處理（Watertreatment），水污染控制的核心是污水或廢水處理（Wastewatertreatment）。人類生活以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的水源通常為地表水（Surfacewater）或地下水（Groundwater），這樣的原水是否需要處理？怎樣處理？其答案一方面取決于原水的水質(zhì)，另一方面取決于用水的目的，因為城市生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等目的對水質(zhì)的要求是有差別的。使用過的水將作為污水或廢水排放，其最終的排放地仍然是天然水體，包括地表水體（直接排入河流或湖泊等）和地下水體（通過土壤滲透等途徑排入）。由于污水或廢水中含有大量污染物，過量排入水體必然造成水體污染，從而對生活和工農(nóng)業(yè)用水的水源的水質(zhì)造成影響，所以，對使用后排出的污水或廢水必須進行處理。由此可見，給水處理和污水或廢水處理是人類用水這樣一個循環(huán)鏈接中的兩個重要的“質(zhì)”的控制環(huán)節(jié)。在實際工程中，給水處理和污水或廢水處理往往被認為是兩個獨立的行業(yè)，但近年來逐漸出現(xiàn)了兩個行業(yè)融合的趨勢。其原因一是在于從水環(huán)境的角度，二者本來就是密切相關的兩個環(huán)節(jié)；二是在于給水處理和污水或廢水處理在方法上有很多相同之處；三是在于由于在很多國家和地區(qū)，水資源短缺問題越來越嚴重，污水和廢水再生利用問題已受到廣泛關注，所以從污水資源化的角度，給水處理和污水或廢水處理已很難認為是兩個獨立的行業(yè)。近年來，人們對以天然水體為中心的水環(huán)境已不僅僅作為水源來對待，而是作為與人類生活環(huán)境關系最密切的生態(tài)系統(tǒng)來考慮。除給水處理和污水或廢水處理以外，污染物在水環(huán)境中的代謝和遷移問題，水生生態(tài)問題等也受到廣泛關注。因此，環(huán)境工程學所研究的問題也在不斷擴大。在歷史上，由于給水和污水或廢水排放問題與人的生活衛(wèi)生條件以及人體健康密切相關，我們現(xiàn)在所討論的環(huán)境工程學問題長期屬于衛(wèi)生工程（Sanitaryengineering）或公共衛(wèi)生（Publichealth）的范疇，這種學科劃分是從19世紀開始的。當時的歐洲是工業(yè)革命的中心，工業(yè)化的一個重要結果是城市化和人口的集中，而落后的城市衛(wèi)生設施帶來的一個主要問題就是飲用水的污染和水媒性疾病的蔓延，如當時的歐洲不斷爆發(fā)霍亂、傷寒、痢疾等流行性疾病。19世紀中葉歐洲三位科學家的工作為衛(wèi)生工程奠定了重要基礎。一位科學家是EdwinChardwick爵士，他在對英國城市疾病情況進行普查的基礎上，指出疾病問題主要起因于落后的城市衛(wèi)生設施，而清潔的飲用水供應和適當?shù)某鞘信盼墼O施是保障城市衛(wèi)生條件的關鍵。然而，Chardwick爵士的建議并沒有得到政府重視，在1854年，倫敦大規(guī)模地爆發(fā)了霍亂，導致一萬多人死亡。另一位科學家是JohnSnow博士，他在霍亂爆發(fā)之后，調(diào)查繪制了受害者的住址分布圖，發(fā)現(xiàn)多數(shù)受害者集中倫敦BroadStreet的某一供水點附近。在他的建議下，政府強行封閉了該供水點，命令居民從其它供水點取水。這一措施有力地阻止了新的霍亂蔓延。第三位科學家是RobertKoch博士，他于19世紀70年代發(fā)現(xiàn)微生物是許多疾病的感染源。到這個時候，Chardwick爵士才終于被采納，英國以及歐洲、北美的一些城市開始采取有效措施，改善城市供水和排污系統(tǒng)。水處理的工程措施首先是從給水開始的，1804年第一座慢濾池（Slowsandfilter）在蘇格蘭Paisley投入使用可認為是近代水處理的一個里程碑。慢濾池的特點是用作濾料的砂粒很細，因此過濾速度很慢（僅為2～5m/d），對水中懸浮物、膠體、以及細菌等的去除率非常高。更重要的是由于濾速低，表層濾料會形成稱之為Schmutzdecke（Dirtcovering）的“污物層”，其中繁殖有大量的微生物。盡管初期使用慢濾池所考慮的僅僅是濾料層的過濾作用，但后來的研究表明，慢濾池濾料表層的污物層對獲得優(yōu)質(zhì)的處理水起到了關鍵作用。由于大量繁殖的微生物的作用，水中的有機物、色度、甚至病毒都能得到有效去除。整個19世紀，尤其是19世紀中下葉，慢濾池在歐洲得到普及，并在北美和世界其它地區(qū)開始得到應用。我國上海、天津等地也有過運用慢濾池進行給水處理的歷史。19世紀末期，快濾池（Rapidsandfilter）在美國誕生，隨之而來的是硫酸鋁作為混凝劑的使用，從而奠定了現(xiàn)代給水處理的技術基礎。與慢濾池相比，快濾池的濾速可達到8～10m/h或更高，其處理效率顯然大大提高。但由于沒有慢濾池那樣的表面污物層的作用，混凝或者混凝加沉淀的前處理過程必不可少。給水處理技術的另一個里程碑是氯消毒技術的發(fā)明及其于1908年在美國Jersey市水廠的應用，至此，以混凝-沉淀-過濾-氯消毒為中心的現(xiàn)代給水處理技術已經(jīng)形成。近代污水處理技術的發(fā)展是在19世紀中葉之后，其初期的代表性設施是水洗便器（Flushtoilet）及排水管渠以將糞便等污物排入河流等水體。在此之前，歐洲城市的主要衛(wèi)生器具則是“馬桶”。水洗便器及簡單排水系統(tǒng)所帶來的主要問題就是水體的污染，并引起流行病的蔓延。真正意義上的污水處理的出現(xiàn)則是在19世紀末期，且以一級沉淀（Primarysettling）處理為其主要特征。一級沉淀處理的基礎實際上是土地處理法（Landtreatment），該方法可以追溯到羅馬時代甚至到史前時代，我國農(nóng)村歷史上廣泛采用（目前仍有部分地區(qū)還在采用）的糞便施肥，實際上也就是土地處理。當土地處理法用于城市時，需要挖掘溝渠或水坑，污水流過時水中的重質(zhì)固體污物可得到去除，從而減輕后續(xù)土地處理的負荷。當污物填滿后，就將其掩埋，再挖掘新的溝渠或水坑，這種方法就是一級沉淀處理的雛形。繼而出現(xiàn)的是用黏土覆面的平底沉淀池，這種沉淀池按“注水-排放”交替進行的形式工作，通過虹吸作用排放上清液。石灰則被用做化學藥劑促進沉淀，并促進污染負荷的降低。土地處理進一步發(fā)展的另一種形式是生物濾池（Biologicalfilter），它所利用的是土壤過濾的基本原理，采用的是滲透性良好的粗砂礫作為濾料。由于濾料表面繁殖的微生物的作用，濾床具有必普通土壤更強的氧化降解能力，從而起到了我們現(xiàn)在所說的二級處理（Secondarytreatment）的作用?；趯ι镅趸饔玫恼J識，大約從1882年開始，人們在污水的曝氣方面開展了試驗工作。1913年，英國曼徹斯特大學首次進行了活性污泥法處理試驗，而世界第一例活性污泥法污水處理系統(tǒng)是1916年在美國休斯頓投入運行，從而奠定了現(xiàn)代二級生物處理技術的基礎。上述以混凝-沉淀-過濾-氯消毒為代表的給水處理和以活性污泥法為代表的污水二級處理技術通常稱之為“常規(guī)水處理技術”（Conventionalwatertreatmenttechnologies）。這些技術的應用基本上解決了現(xiàn)代化城市的給水和排水問題，保障了供水的水質(zhì)安全和城市的衛(wèi)生條件。由于城市污水經(jīng)二級生物處理后基本上可以保障安全排水，即排入水體后不造成水質(zhì)污染的要求，城市水源和水環(huán)境的質(zhì)量也能得到保證。因此，從20世紀初到現(xiàn)在，在長達一個世紀的漫長歲月中，常規(guī)水處理系統(tǒng)一直是，且迄今仍是城市給水和排水處理的基本系統(tǒng)。隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增加，可能進入水體，對水環(huán)境和水源水質(zhì)造成影響的污染物種類和污染負荷量也日趨增加。溶解性天然有機物、人工合成有機物、營養(yǎng)鹽、重金屬、表面活性劑等污染物對水環(huán)境造成的危害越來越引起人們關注。這些污染物往往很難通過常規(guī)水處理流程得以有效去除，從而供水和排水的安全受到新的威脅。從20世紀中葉起，尤其是20世紀70年代之后，各種給水和污水或廢水“深度處理”（Advancedtreatment）技術不斷得到開發(fā)和應用。此外，人們對水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量也越來越重視，廣域的水環(huán)境保護問題也列入了議事日程。在水環(huán)境工程學領域，人們還有很多問題有待于認識和研究。1.2.2大氣環(huán)境工程學和水環(huán)境工程學相類似，大氣環(huán)境工程學的中心問題是大氣質(zhì)量控制（Airqualitycontrol）。歷史上人們首先關注的大氣質(zhì)量問題就是燃料燃燒所產(chǎn)生的煙霧，這當然是因為人類發(fā)展的一個重要標志就是火的使用。在缺乏通風措施的情況下，木材等燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，如一氧化碳、醛類、多環(huán)芳烴氣體等，都帶有刺激性并會造成對人體的危害。然而，在史前時代，人們能做出的唯一反應就是離開現(xiàn)場。與威脅人類的眾多因素相比，大氣質(zhì)量問題并未引起人們的重視。近代社會大氣污染所產(chǎn)生的危害最集中的可能也是英國。由燃煤引起的大氣污染實際上在工業(yè)革命之前就嚴重發(fā)生。在13世紀，愛德華一世國王就曾下令禁止使用一種稱之為“海煤”（Seacoal）的燃煤，以減少彌漫于倫敦的煙霧。工業(yè)革命帶來的一個嚴重問題就是大氣污染，而這一問題迄今仍然存在。燃煤集中使用引起大氣污染的危害是多方面的，首先是懸浮顆粒物和二氧化硫，直接影響空氣的能見度，造成嚴重的塵暴，引起呼吸道疾病，甚至導致死亡。鋼廠等工業(yè)企業(yè)也同樣會造成大氣污染。然而，直到20世紀50年代，人們對于大氣的工業(yè)污染基本上是束手無策。此間在歐洲不斷發(fā)生大氣污染造成的嚴重危害，例如1930年12月，比利時的Meuse峽谷連續(xù)三天煙霧彌漫，數(shù)百人受害，60多人死亡。幾個月后，同樣事件也發(fā)生在英國曼徹斯特近郊，導致數(shù)百人喪生。美國賓夕法尼亞州Donora鎮(zhèn)1948年發(fā)生持續(xù)多日的大氣污染，約14000居民中受害者多達6000余人。最嚴重的一次大氣污染發(fā)生在1952年12月的倫敦，連續(xù)4日城市被“霧毯”（Fogblanket）所覆蓋，各種死亡人數(shù)達到4000以上。也就是這一時間迫使英國議會通過了“清潔空氣法案”（Cleanairlegislation），開始采取有力措施降低燃煤造成的大氣污染。最初的大氣污染防治措施一是限制多煙煤的使用，二是修建高聳的煙囪，利用空中氣流促使煙霧擴散。這種措施在非稠密工業(yè)區(qū)還是有效的，但在高度集中的工業(yè)區(qū)內(nèi)，其效果并不明顯。上述煙霧引起的大氣污染多發(fā)生大量取暖而大氣流通條件差的冬季，其特征是高二氧化硫和高懸浮顆粒物濃度。但20世紀40年代美國洛杉嘰在夏日發(fā)生的大氣污染卻完全是另一種情況：影響人的呼吸和空氣能見度的是一種催人流淚且令人窒息的光化學煙霧（Smog）。其原因直到1952年才真正搞清楚，原來產(chǎn)生強烈刺激作用的氣體是臭氧和二氧化氮，它們并非直接來自污染源，而是產(chǎn)生于大氣中的光化學反應（Photochemicalreaction）。來自汽車尾氣、工廠等的碳氫化合物和一氧化氮與南加州充足陽光相結合，導致了上述問題的發(fā)生。從20世紀50年代起，歐洲和美國均在大氣污染治理方面花了大力氣，通過燃料替代、生產(chǎn)革新、工業(yè)廢氣處理、汽車尾氣處理等措施有效地降低了大氣污染。昔日的霧都倫敦已基本上不復存在。但是，在包括我國在內(nèi)的許多發(fā)展中國家，甚至包括一些發(fā)達國家，煤炭仍然是主要燃料之一，大氣污染治理的任務還相當繁重。此外，大氣中含硫物質(zhì)引起的酸沉降（Aciddeposition）和酸雨（Acidrain）問題，氟利昂（CFCs）等制冷介質(zhì)的使用所引起的大氣臭氧層破壞（Stratosphericozonedepletion）問題，數(shù)以百計的有害氣態(tài)污染物所造成的大氣污染問題等，也隨著工業(yè)的發(fā)展越來越凸現(xiàn)出來。以大氣質(zhì)量保障為中心的大氣環(huán)境工程學的研究仍然任重道遠。1.2.3固體廢棄物工程學固體廢棄物工程學主要研究城市垃圾、工業(yè)廢渣、危險固體廢棄物的處理、處置與資源化的技術途徑和措施。與水環(huán)境工程學和大氣環(huán)境工程學相比，固體廢棄物工程學作為一門學科的歷史更短，但是固體廢棄物與人類生活之間的關系卻是源遠流長。從原始時代起，人類的生活活動就伴隨著固體廢棄物的產(chǎn)生，食品殘渣等生活垃圾、簡單加工過程產(chǎn)生的廢渣等，都需要從生活或生產(chǎn)場所排除。從這個意義上，固體廢棄物處理（Solidwastemanagement）從人類誕生起就已經(jīng)開始了。只不過在漫長的人類發(fā)展過程中，對固體廢棄物的處理僅僅限于堆積和填埋而已，完全是靠自然的作用對其進行消解。實際上，堆積和填埋至今也仍然是固體廢棄物處理的方法之一。固體廢棄物處理真正作為工程措施來考慮是在工業(yè)化之后。大規(guī)模生產(chǎn)所產(chǎn)生的大量廢棄物必須集中處置，城市產(chǎn)生的大量生活垃圾必須排到遠離生活區(qū)的地點，這是固體廢棄物工程學發(fā)展的動因。進入20世紀以后，隨著人口進一步向城市集中，工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，城市垃圾和工業(yè)廢棄物數(shù)量劇增，對其進行管理、處置和回收利用技術也不斷取得成就，逐步形成環(huán)境工程學的一個重要組成部分。思考題和習題1.什么是環(huán)境工程學？它與我們以前所學的其它專業(yè)基礎和專業(yè)課程有何關系？2.環(huán)境工程學的研究內(nèi)容主要有哪些？3.說明環(huán)境污染與人類生活和生產(chǎn)活動之間的關系。4.舉例說明一個水污染、大氣污染、或固體廢棄物污染所帶來的環(huán)境問題，并分析其原因。第二章相關概念和基礎理論2.1環(huán)境污染控制2.1.1環(huán)境污染及污染物所謂環(huán)境污染（Environmentalpollution）是指，由于某種或多種化學物質(zhì)進入環(huán)境，影響環(huán)境系統(tǒng)的正常功能，造成對環(huán)境和人體健康的不良影響。這種影響往往取決于這些化學物質(zhì)本身的性質(zhì)及其進入環(huán)境的量。而這些化學物質(zhì)通常是來源于人類生活和生產(chǎn)過程，其影響可波及環(huán)境系統(tǒng)的物理、化學、生物、生態(tài)過程。可能對環(huán)境系統(tǒng)造成影響的化學物質(zhì)則稱之為污染物（Pollutants）。一個環(huán)境系統(tǒng)（Environmentalsystem）并非不能容納任何污染物，如同我們?nèi)梭w系統(tǒng)一樣，很難避免從外界攝入某些我們?nèi)梭w并不需要的，甚至對人體可能產(chǎn)生危害的物質(zhì)，但這并不意味著立即就會產(chǎn)生病變。因為人體具有一定的免疫力，以及對某些有害物質(zhì)進行分解、同化、排除的能力，只要這些物質(zhì)的量沒有超過某一界限。環(huán)境系統(tǒng)也是這樣，不論是水體、大氣、還是土壤，都具備這種稱之為“自凈”（Selfpurification）的能力。如第一章所述，環(huán)境工程學是伴隨著工業(yè)化和城市化進程而發(fā)展起來的，其動因是日益嚴重的環(huán)境污染問題。人類有記載的歷史已有數(shù)千年，而環(huán)境工程學作為一門學科的歷史充其量是一個多世紀。在此之前，人的生活和生產(chǎn)活動雖然比現(xiàn)在要簡單的多，但也并非沒有任何污染物產(chǎn)生。環(huán)境問題在過去不突出的原因就在于污染物產(chǎn)生的量小，且分散，很少達到嚴重超過環(huán)境自凈能力的程度。因此，研究環(huán)境污染問題不僅僅是研究污染物的問題，還有一個研究環(huán)境系統(tǒng)納污能力的問題。20世紀90年代以來，在環(huán)境領域派生出一個新的研究方向，即生態(tài)系統(tǒng)健康（Ecosystemhealth）。其要點是將環(huán)境系統(tǒng)作為一個生態(tài)系統(tǒng)來研究，強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)本身的健康機能，包括其活力（Vigor）、組織（Organization）和恢復力（Resilience）等三方面的要素。2.1.2污染物濃度及其度量環(huán)境工程學對環(huán)境污染和污染物的研究首先要涉及到污染物的量。進入環(huán)境的污染物總是存在于一定的介質(zhì)之中，例如流體介質(zhì)（液體或氣體）和分散固體介質(zhì)（土壤等）。對于某一環(huán)境系統(tǒng)，重要的不是其接納某種污染物的絕對量，而是與其系統(tǒng)規(guī)模有關的相對量，通常是用濃度（Concentration）來表示。從定義上來說，所謂濃度，就是某一物質(zhì)在另一物質(zhì)（介質(zhì)）中的相對量。（1）液體的污染物濃度及其度量環(huán)境工程學中遇到最多的環(huán)境介質(zhì)是液體，以液體介質(zhì)的容積或質(zhì)量為基準，其污染物濃度的表示方法有以下幾種：=1\*GB3①質(zhì)量濃度（Massconcentration）：液體介質(zhì)的量以容積為基準，通常以升（Liter，簡寫為L）來表示，而污染物的量以其質(zhì)量，即克（g）、毫克（mg）、微克（μg）等來表示，對應的濃度單位為g/L、mg/L和μg/L等。對于某些高濃度的體系，如高濁度懸濁液，也有用kg/m3作為質(zhì)量濃度單位的情況。=2\*GB3②質(zhì)量比（Massfraction）：液體介質(zhì)和污染物的量均已同一單位的質(zhì)量來度量，則其濃度為一無量綱的比值，常用的有：－百分比（%），以百分之一為單位，即10-2－千分比（‰），以千分之一為單位，即10-3－百萬分比（ppm），以百萬分之一為單位，即10-6－十億分比（ppb），以十億分之一為單位，即10-9－萬億分比（ppt），以萬億分之一為單位，即10-12由于常見的液體通常是水，若考慮1L純水的質(zhì)量為1千克（kg），則上述質(zhì)量比單位中，ppm等價于質(zhì)量濃度mg/L，ppb等價于μg/L，依此類推。=3\*GB3③摩爾濃度（Molarconcentration）：化學中所用的摩爾濃度等單位也有用于表示液體的污染物濃度的情況，但在工程中用的不多。（2）氣體的污染物濃度及其度量在環(huán)境介質(zhì)為氣體的情況下，通常以常溫常壓下氣體的體積作為基準，污染物的量仍以質(zhì)量來度量，則污染物濃度通常表示為g/m3、mg/m3等。（3）固體介質(zhì)中的污染物濃度及其度量當環(huán)境介質(zhì)為分散固體時，固體介質(zhì)和污染物量一般均以質(zhì)量來表示，前者通常用kg，后者通常用g、mg或μg，因此污染物濃度通常表示為g/kg、mg/kg或μg/kg。2.1.3環(huán)境質(zhì)量標準對于一個國家或地區(qū)，環(huán)境質(zhì)量標準（Environmentalqualitystandards）的制定和實施是環(huán)境保護的前提，保證環(huán)境質(zhì)量達標則是環(huán)境質(zhì)量控制和環(huán)境污染治理的目標。環(huán)境質(zhì)量標準的制定是依據(jù)國家法律，由政府實施的決策行為，但它離不開科學與技術的支撐。其制定過程一是要充分考慮環(huán)境污染對人體健康的影響，二是要考慮污染帶來的環(huán)境后果，三是要考慮污染治理的技術和經(jīng)濟可行性。環(huán)境風險評價（Environmentalriskassessment）和成本效益分析（Cost-benefitanalysis）通常是環(huán)境質(zhì)量標準制定的重要前期工作。我國近年來在環(huán)境立法和環(huán)境質(zhì)量標準制定方面進展很快，其基本法律基礎是《中華人民共和國環(huán)境保護法》，相關法律還包括《中華人民共和國水污染防治法》、《中華人民共和國大氣污染防治法》、《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》等。在這些法律的框架下，在水環(huán)境、大氣環(huán)境、固體廢棄物環(huán)境等方面制定的主要環(huán)境質(zhì)量標準有：（1）水環(huán)境質(zhì)量標準（現(xiàn)行標準）－地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB3838-2002），2002年頒布－地下水質(zhì)量標準 （GB/T14848-93），1994年頒布－海水水質(zhì)標準（GB3097-1997），1998年頒布（2）大氣環(huán)境質(zhì)量標準（現(xiàn)行標準）－環(huán)境空氣質(zhì)量標準（GB3095-1996），1996年頒布－室內(nèi)空氣質(zhì)量標準（GB/T18883-2002），2003年頒布－保護農(nóng)作物的大氣污染物最高允許濃度（GB9137-88），1988年頒布（3）固體廢棄物環(huán)境標準（現(xiàn)行標準）－生活垃圾填埋污染控制標準（GB16889-1997），1997年頒布－生活垃圾焚燒污染控制標準（GB18485-2001），2002年頒布－一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標準（GB18599-2001），2002年頒布－危險廢物填埋污染控制標準（GB18598-2001），2002年頒布－危險廢物貯存污染控制標準（GB18597-2001），2002年頒布－危險廢物焚燒污染控制標準（GB18484-2001），2002年頒布除上述環(huán)境質(zhì)量標準外，國家還頒布了一系列污染排放標準和相關監(jiān)測規(guī)范和方法標準，形成了一整套標準和技術體系。環(huán)境質(zhì)量標準所規(guī)定的主要是環(huán)境中各種污染物的最高限值，這些限值一是從保障人體健康的基本要求，二是從環(huán)境的功能出發(fā)設定的。以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》為例，根據(jù)水體的功能，標準中將水質(zhì)分為I類到V類的5個類別，其中I類是源頭水和國家自然保護區(qū)的水質(zhì)限值，II類是集中式生活飲用水地表水源地一級保護區(qū)和珍稀水生生物棲息地的水質(zhì)限值，III類是集中式生活飲用水地表水源地二級保護區(qū)、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)及游泳區(qū)的水質(zhì)限值IV類和V類則分別是工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水的水質(zhì)限值。對于一條河流，根據(jù)其上、中、下游或不同河段提供用水的要求，可以將其分為不同的水環(huán)境功能區(qū)域，從而水污染控制的目標水質(zhì)也各不相同。關于各種環(huán)境質(zhì)量標準的具體要求，可參照本教材相關章節(jié)及附錄，也可參照各標準的原文。2.2環(huán)境工程學的反應工程基礎2.2.1物料平衡和物質(zhì)傳遞2.2.1.1物料平衡物料衡算的依據(jù)是物質(zhì)守恒定律和化學計量方程式。物質(zhì)守恒定律認為物質(zhì)既不能被創(chuàng)造也不能被消滅。這歷來是一條被人們所確認的，不可違背的自然法則。雖然20世紀30年代愛因斯坦提出的質(zhì)能關系式中指出，物質(zhì)的質(zhì)量和能量之間是可以相互轉化的。但就化學反應而言，除熱核反應以外，一般化學反應由于能量變化而引起的物質(zhì)質(zhì)量的變化極其微小，無法用常規(guī)的方法測定。因此，可以認為，物質(zhì)守恒定律對于一般的化學反應仍然是適用的。(1)物料衡算的基本方程式在進行物料衡算以前，首先要確定研究的對象。這一人為確定的研究對象的全部或部分就稱作體系或系統(tǒng)；而系統(tǒng)以外的所有物質(zhì)都稱作環(huán)境。如果系統(tǒng)和環(huán)境之間沒有質(zhì)量交換，則這一系統(tǒng)稱作閉合系統(tǒng)。間歇操作的系統(tǒng)可能認為是閉合系統(tǒng)。凡系統(tǒng)和環(huán)境之間有質(zhì)量交換的則稱作開放系統(tǒng)或稱作流動系統(tǒng)。在流動和變化條件下體系中物質(zhì)的守恒可用下列物料衡算的普遍式表述：輸入系統(tǒng)的物料+系統(tǒng)中生成的物料=離開系統(tǒng)的物料+系統(tǒng)中消耗的物料+系統(tǒng)中積累的物料（2-1）物料衡算的普遍式的對象可以是系統(tǒng)的總體，也可以是系統(tǒng)中的某一個部分。在任何系統(tǒng)中物料的總量既不能被創(chuàng)造也不能被消滅。但對系統(tǒng)中的某種化合的而言，由于化學變化，這種化合物既可能產(chǎn)生也可能消耗，因此，其物料衡算普遍式也可以寫成：輸入=輸出+反應+積累（2-2）對于間歇操作的系統(tǒng)，上式的單位常用質(zhì)量單位；而對于流動系統(tǒng)，則可用單位時間輸入或輸出的物料量，常用的有kg/s，kg/h等質(zhì)量流量。應當注意，由于物料衡算的基礎是質(zhì)量守恒定律，因此上述關系式中物質(zhì)的量只能是質(zhì)量單位（如克、千克、噸等）而不是以摩爾為單位。系統(tǒng)中如發(fā)生化學反應，反應前后物質(zhì)的摩爾數(shù)是不守恒的。當然，如果系統(tǒng)中不發(fā)生化學反應（如純物理過程），用摩爾數(shù)代入的料衡算式進行計算也是可以的，如精餾過程中操作線方程式的推導就是一例。上述的物料衡算方程式在一些特殊的操作條件下也可以簡化。當系統(tǒng)中沒有化學變化時，式（2-2）可簡化為：輸入=輸出+積累（2-3）而當系統(tǒng)中進行的是一個連續(xù)的穩(wěn)態(tài)過程，則積累項為零，式（2-2）可寫成：輸入=輸出+反應（2-4）對于不包括化學反應的穩(wěn)態(tài)的過程其物料衡算式就更簡單，式（2-2）可寫成：輸入=輸出（2-5）(2)物料衡算的步驟物料衡算可以用于一個完整的連續(xù)的過程，也可以應用于整個過程中的某一部分。但無論哪一種情況，要進行衡算都必須了解兩方面的信息：其一是進入和離開系統(tǒng)的各項物料的量，另一個是進入和離開系統(tǒng)的物料的組成。如在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了化學反應，則必須了解化學反應的計量關系，有時還要了解化學反應的速率。一般說來，要解決一個物料衡算問題可以采用以下的步驟：1)認真思考所需解決的問題，需要哪些方面的資料？要解算哪幾個參數(shù)？物料衡算只根據(jù)實際的要求，對所處理的進出口物料進行衡算，它與系統(tǒng)內(nèi)物料的具體經(jīng)歷無關，也與其他不需要衡算的物料無關。2)作出過程的流程圖（常用框圖表示），確定衡算所涉及的范圍，并用虛線標與你所認定的系統(tǒng)。這樣就很容易確定每一股進入和離開系統(tǒng)的物料。其中凡是與虛線相交的物料流都是與系統(tǒng)有物質(zhì)交換的。在圖上標出每一股物料的量及物料的組成。如果在系統(tǒng)中有化學反應，則應列出化學反應的計量方程式、化學反應速率表達式及化學反應進行的程度。3)選擇一種原料或產(chǎn)品的質(zhì)量或質(zhì)量流量或者選擇物料中某一組分的質(zhì)量或質(zhì)量流量為衡算基準（除了質(zhì)量和質(zhì)量流量外，在有些情況下，也可以選擇其他的物理量作為計算的基準）?；鶞实倪x擇是任意的，但選擇合適的基準，將使得衡算變得較為容易。當采用物質(zhì)的量（單位：mol）或摩爾流量為衡算單位時，必須結合化學反應的計量方程式來確定物料化學變化前后物質(zhì)的量（單位：mol）之間的定量關系。通常，凡涉及液體和固體物料的衡算多用質(zhì)量或質(zhì)量流量為單位；而氣體物料的衡算則較多使用物質(zhì)的量（單位：mol）和摩爾流量為單位。4)對于較為復雜的物料衡算問題可制表列出進入和離開系統(tǒng)的每一股物料的量及其組成。應用這些表格，很容易核對過程的總體或局部的物料衡算的結果是否正確。在分析流程時，不能遺漏任何與生產(chǎn)工藝有關的各進口和出口的物料。5)列式進行衡算應用物料衡算可以計算化工過程的流程圖中每一股物料的流量和組成。由此可以計算流程中各個設備的處理量并由此計算設備的尺寸。物料衡算還是能量衡算和其他工藝計算的基礎。(3)系統(tǒng)中不包含化學反應時的物料衡算物料衡算的原理簡單而直觀，但其所涉及的范圍卻非常廣。衡算時要針對不同的情況使用不同的方法。不包含化學反應的系統(tǒng)是相對較為簡單的系統(tǒng)。如在上述系統(tǒng)中僅包含一個未知數(shù)，則通常可以采用直接法計算。對于較為復雜的系統(tǒng)，可以列出多個物料衡算式組成聯(lián)立方程組，用代數(shù)法求解。2.2.1.2物質(zhì)傳遞裝置中流體流動與混合的情況如何，溫度與濃度的分布如何可都直接影響到反應的進程，而最終離開裝置的物料組成，就完全由組成這一物料的諸質(zhì)點在裝置中的停留時間和所經(jīng)歷的溫度及濃度變化所決定。而裝置中的這種動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞（簡稱“三傳”）過程往往是極復雜的。一般而言，反應物自主流體向外的擴散速率NA可表示為：(2-5)式中：am為單位顆粒的外表面積；kG為傳質(zhì)系數(shù)；CAG和CAS為物質(zhì)濃度。穩(wěn)態(tài)過程中，傳質(zhì)速率等于物質(zhì)A的轉化速率-RA，即：(2-6)對于伴有熱效應的反應，主流體和外界之間有熱量傳遞，傳遞速率q為：(2-7)式中：hs為對流傳熱系數(shù)；TS和TG為相應的溫度。放熱反應，熱量自表面向主流體傳遞；吸熱反應，傳遞方向則相反。對于穩(wěn)態(tài)過程，有：(2-8)式中：ΔHr為反應體系的熱量值。上述方程為反應過程中物質(zhì)間傳遞的基本方程式。2.2.2反應和混合2.2.2.1反應環(huán)境工程的化學反應過程按操作方法可以分為：（1）分批（或稱間歇）式操作它通常為實驗室及處理量較小的一些情況下所采用。在分批操作時，物料濃度及反應速率都是在不斷改變著的，因此它是一種非定常態(tài)的過程。（2）連續(xù)式操作它一般用于處理量較大的場合。針對連續(xù)式操作，物料濃度及反應速率一般情況下不變化，連續(xù)操作也有它自己的特性，因此也必然要反映到轉化率和選擇性上來。（3）半分批（或稱半連續(xù)）式操作反應器中的物料有一些是分批地加入或取出的，而另一些則是連續(xù)地通過的。譬如某一液相氧化反應，液體的原料及生成物在反應釜中可以是分批地加入和取出的，但氧化用的空氣則是連續(xù)地通過的；又如兩種液體反應時，一種液體先放入反應器內(nèi)，而另一種液體則連續(xù)滴加，這也是半分批式操作；再如液相反應物是分批加入的，但反應生成物卻是氣體，它從系統(tǒng)中連續(xù)地排出，這也屬于半分批式操作。盡管這種半分批式操作的反應轉化過程比較復雜，但它同樣有自己的特點而在一定情況中得到應用。按操作方式進行分類是很通俗的方法，但并不適合于作學科體系的分類。如按反應裝置的結構型式來分，則大致可分為管式、塔式、釜式、固定床和流化床等各種類型。每一類型之中又有種種不同的具體結構。表2.1中列舉了一般反應器的型式與特性，還有它們的優(yōu)缺點和若干生產(chǎn)實例。反應器型式的正確選擇，并不是一件容易的事，不能光靠這樣一張表來解決，因為不同的反應體系，都有它自身的特點，只有對反應及裝置兩方面的特性都充分了解、并能把它們統(tǒng)一起來進行分析以后，才能作出最合理的抉擇。我們知道，化學反應是反應過程的主體，而裝置則是實現(xiàn)這種反應的客觀環(huán)境。反應本身的特性是第一性的，而反應動力學就是描述這種特性的。因此動力學是代表過程的本質(zhì)性的因素，而裝置的結構、型式和尺寸則在物料的流動、混合、傳熱和傳質(zhì)等方面的條件上發(fā)揮其影響。反應如在不同條件下進行，將有不同的表現(xiàn)，因此反應裝置中上述這些傳遞特性也是左右反應結果的一個重要方面。物料從進入反應器到離開為止的全過程就是具有一定動力學特性的反應物系在具有一定傳遞特性的裝置中進行演變的過程。如果要把各種反應在各種裝置中的變化規(guī)律系統(tǒng)化起來，形成一個完整的體系，那么就需要把這兩方面的內(nèi)容加以綜合編排。2.2.2.2混合的分類在環(huán)境工程中，流體或物料混合問題的重要性是無疑的。各種狀態(tài)的物料，從顆粒狀的固體到表2.1反應器的型式與特性型式適用的反應優(yōu)缺點攪拌槽，一級或多級串聯(lián)液相，液-液相，液固相適用性大，操作彈性大，連續(xù)操作時溫度、濃度容易控制，產(chǎn)品質(zhì)量均一，但高轉化率時，所需反應器容積大管式氣相，液相返混小，所需反應器容積較小，比傳熱面大，但對慢速反應，管要很長，壓降大空塔或攪拌塔液相，液-液相結構簡單，返混程度與高/徑比及攪拌有關，軸向溫差大鼓泡塔或擋板鼓泡塔氣-液相，氣-液-固（催化劑）相氣相返混小，但液相返混大，溫度較易調(diào)節(jié)，氣體壓降大，流速有限制，有擋板可減少返混填料塔液相，氣-液相結構簡單，返混小，壓降小，有溫差，填料裝卸麻煩板式塔氣-液相逆流接觸，氣液返混均小，流速有限制，如需傳熱，常在板間另加傳熱面噴霧塔氣-液相快速反應結構簡單，液體表面積大，停留時間受塔高限制，氣流速度有限制濕壁塔氣-液相結構簡單，液體返混小，溫度及停留時間易調(diào)節(jié)，處理量小固定床氣-固（催化或非催化）相返混小，高轉化率時催化劑用量少，催化劑不易磨損，傳熱控溫不易，催化劑裝卸麻煩流化床氣-固（催化或非催化）相，特別是催化劑失活很快的反應傳熱好，溫度均勻，易控制，催化劑有效系數(shù)大，粒子輸送容易，但磨耗大，床內(nèi)返混大，對高轉化率不利，操作條件限制較大移動床氣-固（催化或非催化）相，催化劑失活很快的反應固體返混小，固氣比可變性大，粒子傳送較易，床內(nèi)溫差大，調(diào)節(jié)困難滴流床氣-液-固（催化劑）相催化劑帶出少，分離易，氣流分布要求均勻，溫度調(diào)節(jié)較困難蓄熱床氣相，以固相為熱載體結構簡單，材質(zhì)容易解決，調(diào)節(jié)范圍較廣，但切換頻繁，溫度波動大，收率較低回轉筒式氣-固相，固-固相，高粘度液相，液-固相粒子返混小，相接觸界面小，傳熱效率低，設備容積較大載流管氣-固（催化或非催化）相結構簡單，處理量大，瞬間傳熱好，固體傳送方便，停留時間有限制噴嘴式氣相，高速反應的液相傳熱和傳質(zhì)速度快，混體混合好，反應物急冷易，但操作條件限制較嚴螺旋擠壓機式高粘度液相停留時間均一，傳熱較困難，能連續(xù)處理高粘度物料粘性不同的液體，以及低密度的氣體，都存在混合的問題?？砂床煌姆绞綄旌犀F(xiàn)象進行分類。例如，按混合尺度可分為：（1）宏觀尺度上的混合這是指在容器整個范圍內(nèi)大量物料對流運動的混合現(xiàn)象。全混流是表示物料在宏觀尺度上混合程度的最大極限狀態(tài)，所以也把全混流稱作宏觀完全混合。（2）微元尺度上的混合微元是指固體顆粒、液滴或氣泡等尺度的物料聚集體。微元混合也稱微觀混合。其中，不同的微元若能均勻地溶混為一體，并達到分子尺度上的均勻，則稱之為微觀完全混合，這種流體稱為微觀流體。相反地，在發(fā)生混合時，微元之間完全互不溶混，稱之為微觀完全分離，這種流體稱為宏觀流體。多數(shù)的微觀混合狀態(tài)是介于上述二者之間的。因此，對一種宏觀完全混合狀態(tài)來說，在微觀上可能有三種不同的混合狀態(tài)：完全分離、微觀完全混合或介于以上二者之間。在連續(xù)流動的均相反應器中發(fā)生的混合既有宏觀尺度上的又有微元尺度上的。大空間中的混合是由對流和湍動擴散造成的；而微觀上的混合主要是依靠湍動渦旋的分割和分子擴散實現(xiàn)的[7]。在進行固相反應時，固體顆粒只發(fā)生宏觀的混合，在微觀上是完全分離的。另外，按照混合對象的停留時間可分為：（1）相同停留時間物料間的混合這是通常的一般意義上的混合。例如，在間歇反應器中，物料是一次同時加入的，這些物料間的混合屬于此類。（2）不同停留時間物料間的混合不同時刻加入反應器中的物料間的混合稱為返混。返混是連續(xù)式反應器在操作中出現(xiàn)的一種混合現(xiàn)象，它不同于一般意義上的混合。返混的結果造成了物料的停留時間分布和造成了反應器內(nèi)濃度分布的改變。物料在反應器內(nèi)的速度分布不均，也能造成物料的停留時間分布，并且也能造成反應器內(nèi)濃度分布的變化。從結果上看，這和在反應器內(nèi)存在空間反向運動而發(fā)生返混時的情況相同。因此，從廣義上講，不僅空間的反向運動能造成返混，而且，不均勻的流動也能造成返混。返混的結果產(chǎn)生停留時間的分布。停留時間分布一定時，由于引起的原因不是唯一的，所以，流動狀態(tài)亦不能確定。相反地，流動狀態(tài)確定了，與之相對應的停留時間分布也就確定了。2.2.2.3混合程度程度對化學反應的影響假定流體微元在微觀上是完全分離的，則每個流體微元都可看作是一個微型的間歇反應器。總轉化率可以用出口流中全部流體微元轉化率的平均值表示。出口流中未轉化的反應物的平均濃度，可由下式求出：即：（2-9）式中每個微元的濃度Cj(t)依賴于該微元的停留時間，其關系由下式給出（2-10）其初始條件為Cj|t=0=Cj0=進料濃度對于給定的反應，由式（2-10）可求出Cj，代入式（2-9）中就可以得到出口流中未轉化的反應物濃度，或求出未轉化率。反應結果不僅與物料在反應器中停留時間的“長短”有關，而且也與物料在停留期間“遇到了什么”有關。停留時間分布僅僅量度了物料在反應器中的停留時間（宏觀混合），并不提供有關容器內(nèi)混合細節(jié)（微觀混合）的任何信息。除了宏觀上完全混合外，對于其它所有的停留時間分布的情況，其反應結果，同樣也要考慮微觀混合狀態(tài)。當給定了反應速度式和停留時間分布后，也可以計算出在微觀上完全分離和在微觀上最大混合（當宏觀上達到完全混合的時，微觀最大混合就變成了微觀完全混合）這兩種極端狀態(tài)下的反應結果[8]。但對于中間的微觀混合狀態(tài)，由于缺乏對微觀混合細節(jié)的了解，直接計算求解是不可能的。微觀混合的效應在原則上是重要的，但對于“稀”的流體和不太敏感的反應，微觀混合所產(chǎn)生的影響比宏觀混合的要小，因此可以用微觀完全分離的方程（2-9）和（2-10）來估計轉化率。2.2.2.4均相流體混合在討論間歇反應器和全混流反應器時，都假定反應器內(nèi)的物料是均勻的，反應器內(nèi)任一點處的濃度都等于按加入物料量得的平均濃度，且物料的混合在瞬間內(nèi)完成。實際上，物料混合是靠攪拌實現(xiàn)的，要求物料在瞬間達到均勻地混合是不可能的。物料達到均勻的混合狀態(tài)所需要的時間，稱為均勻混合時間或均混時間。由于測量探頭和取樣尺寸不可能無限小，即不可能觀測到一個點上的濃度值，再加上測量裝置的敏感性有一定的限度，難以測量出微小的濃度差，因此測量出的均勻混合狀態(tài)的濃度只能在接近平均濃度的某個有限的值域內(nèi)。在這種情況下，由于各研究者所選的最終值接近的標準不同，比較均混時間的絕對值是沒有意義的。一般情況下，均混時間與攪拌功率密度（單位時間單位容積消耗的能量）有關。2.2.3反應動力學模型化學反應動力學是專門闡明化學反應速率（包括主反應及副反應）與各項物理因素（如濃度、溫度、壓力及催化劑等）之間的定量關系的。有些在熱力學認為可行的，如常壓、低溫合成氨，由于速率太慢而實際上不可行，只有研究出好的催化劑才能在適當?shù)臏囟群蛪毫ο乱燥@著速率進行反應，這就是動力學的問題了；也有一些情況，從熱力學分析認為是難以實現(xiàn)的。所以在實際應用上決定性的往往是動力學因素。為了實現(xiàn)某一反應，要選定合宜的條件及反應器結構型式、確定反應器的尺寸和它的處理能力等等，這些都緊緊依賴于對反應動力學特性的認識。因此，動力學乃是反應工程的一個重要基礎。本節(jié)著重闡述均相反應體系的反應動力學模型。均相反應動力學是研究各種因素如溫度、催化劑、反應物組成和壓力等對反應速率、反應產(chǎn)物分布的影響，并確定表達這些影響因素與反應速度之間定量關系的速率方程。2.2.3.1化學反應速率的定義對于均相反應常用單位時間、單位反應容積內(nèi)著眼（或稱關鍵）組份K的物質(zhì)量摩爾數(shù)變化來定義K組份的反應速率。因此，由計量方程aAA+aBB===aSS+aRR（2-11）所示的反應，各組份的反應速率可寫成：；；（2-12）式中：t為時間；nA、nB、nR和nS分別為組份A、B、R和S的摩爾數(shù)；V為反應容積；-rA、-rB、-rS和-rR分別為組份A、B、R和S的反應速率。此處，在反應物的速率前應冠以負號，避免反應速率出現(xiàn)負值（因為）。顯然，各反應組份的反應速率之間應具有如下關系：（2-13）當反應過程中反應物系的容積為恒定時，各組份的反應速率可簡化為：；；（2-14）即以各組份的摩爾濃度的變化速率來表示反應速率。必須強調(diào)指出，反應速率定義的數(shù)學形式是與反應的操作形式密切相關，式（2-4）和（2-6）僅適用于定義分批式操作的反應速率，而不適用于穩(wěn)態(tài)連續(xù)流動的操作方式，因為此時有或等于零。2.2.3.2單一反應模型及解析由一個計量議程所描述的單一反應，如果反應只沿一個方向進行，則稱不可逆反應；若反應同時朝兩個方向進行則稱為可逆反應。本節(jié)主要對可用冪函數(shù)型來描述的不可逆和可逆的單一反應的速率模型的動力學特征進行討論。(1)不可逆反應任何由式（2-15）所示的不可逆單一反應，如果能應用冪函數(shù)速率式來關聯(lián)其動力學數(shù)據(jù)，（2-15）其速率式可寫成：（2-16）上式中速率常數(shù)是與反應組份濃度無關而僅與反應溫度有關的常數(shù)。這樣，速率式（2-16）本身就將影響反應速率的溫度變量和濃度變量加以分離。冪函數(shù)型速率方程的這一特點將給予動力學數(shù)據(jù)的測取和整理帶來極大的方便。例如，對于等溫等容的均相反應，式（2-16）可以改寫成：（2-17）2.1用微分法檢驗速率方程的圖解程序將由分批式等溫動力學實驗所得的數(shù)據(jù)在兩維相平面上標繪出光滑曲線，在各個濃度值位置求得的曲線的斜率即為相應于各濃度下的反應速率值（）；然后可假設反應級數(shù)a和b的數(shù)值，并應用所得的值以對作圖，若能得到一根通坐標原點的直線，則表明所設a和b值是正確的（否則需重新對a和b進行設定），該直線的斜率即為在此反應溫度下的速率常數(shù)值。這種動力學數(shù)據(jù)的處理方法稱為微分法。式（2-17）則稱為速率方程的微分式。整個處理過程如圖2.1所示。2.1用微分法檢驗速率方程的圖解程序該法的缺點在于用圖解微分法來求取值所帶來的偏差太大，縱使采用鏡面法來求取斜率會使偏差減小，但仍受操作者的技巧水平所限，也常帶來相當大的誤差。此外當然還可能應用種種數(shù)值微分法來進行數(shù)據(jù)處理，以期獲得滿意的結果。關于數(shù)據(jù)微分法的技法請自行參考有關專著，此處不再進行討論。將式（2-17）積分后可得：（2-18）該式稱為速率方程的積分式，式中組份B的濃度CB與CA不是相互獨立的，它們是受計量方程和物科衡算關系等的約束，可以把CB化為CA的函數(shù)，然后代入式（2-17）中求其解析解。(2)可逆反應可以用完全類似于處理不可逆反應的方法來處理可逆反應。為簡明起見，以正、逆向均為一級的可逆反應為例來討論其處理方法。設該可逆反應的計量方程為：（2-19）由于正、逆向均為一級反應。故其速率方程的微分式為：（2-20）式中：k為正向反應的速率常數(shù)；為逆向反應的速率常數(shù)。設初始反應混合物（即t＝0時）中A和S的濃度分別為和。根據(jù)反應程度的定義，我們有：或（2-21）或（2-22）（2-23）將上兩式代入式（2-20）中，經(jīng)整理得：（2-24）積分上式后可得：（2-25）或寫成以組份濃度表示的形式，有（2-26）上式即為此正、逆方向均勻一級的可逆反應的速率方程積分式。在計量系數(shù)、與反應級數(shù)相一致而均等于1的場合，即。且＝0時，式（2-26）可簡化為：（2-27）式中：為該反應的平衡常數(shù)，其中的和分別為達反應平衡時A和S的濃度。根據(jù)計量關系和物料衡算關系可知：（2-28）將上式代入式（2-27）中，整理后可得：（2-29）應用實驗測得的CA和t的數(shù)據(jù)，以對t作圖，可得一直線，其斜率即為（）。結合反應的平衡常數(shù)Kc即可分別求得k和。(3)均相催化反應許多液相酯化反應均是在酸的催化下進行的，若忽略非催化反應部份的速率，這類反應可表示為：A+CR+C式中：C為催化劑。若Cc表示催化劑的濃度，由于它在反應中并未消耗掉，所以濃度保持恒定。相應的微分和積分速率方程為：（2-30）（2-31）在測得的數(shù)據(jù)按對t標繪，從所得的直線的斜率（kCc）中求得速率常數(shù)k。(4)自催化反應這類反應的特點是其反應產(chǎn)物中有某一產(chǎn)物對反應有催化作用。為使反應進行常需事先在反應物料中加入少量的起催化作用的產(chǎn)物。可用下一反應式來表示自催化反應：A+C2C+Rｃ…（2-32）C為起催化作用的反應產(chǎn)物，設反應對各反應組份均為一級反應，其速率方程為：（2-33）若在t＝0時CA=CA0Cc＝Cc0和CR＝CＲ0＝0，則在反應開始時反應混合物的總摩爾數(shù)，根據(jù)物料衡算關系，在任何時刻C組份的濃度Cc應為：（2-34）上式代入式（2-33）中，得：（2-35）積分后可得：（2-36）應用上式可求得速率常數(shù)k，只要將CA-t數(shù)據(jù)以1n〔/〕對t作圖，所得直線的斜率即為。式（2-36）寫成以A的轉化率來表示的形式：（2-37）將xA對t作圖可得如圖2.2（a）所示的曲線，在此曲線上存在一個拐點，即反應速率的最大值。只要將速率式（2-38）對CA求導，并令其導數(shù)為零即可獲得相應于反應速率為最大時的A的濃度CAmax。它應為：（2-38）將它代入式（2-36）中可得相應于最大反應速率時的反應時間tmax：（2-39）（a）曲線（b）曲線圖2.2自催化反應的動力學特性若將式（2-35）改成以轉化率xA來表示的速率式，則有：（2-40）對于給定的CA0，在不同的Cc0下以-rA/KCA0對xA作圖可得如圖2.3(b)所示的一族曲線。由該圖可知：只有在Cc0/CA0<1.0的場合反應速率才會有最大值，且Cc0/CA0之值愈小，相應于最大反應速率的xA值就大，并以xA=0.5為極限。(5)復合反應需要用兩個或更多的獨立的計量方程來描述的反應即為復合反應。此時在反應系統(tǒng)中同時存在幾個獨立地發(fā)生的化學反應，其數(shù)目與獨立的計量方程數(shù)相同。如果幾個反應都從相同的反應物按各自的計量關系同時地發(fā)生反應則稱為平行反應，可用下式表示：P+RA+B（平行反應）（2-41）S如果幾個反應是依次發(fā)生的，這樣的復合反應稱為串聯(lián)反應，如下式所示：A+BPR+S（串聯(lián)反應）（2-42）此外，還有由平行和串聯(lián)反應組合在一起的復合反應，如下兩式所示：A+BP（2-43）A+BR和RAS（2-44）P在復合反應中由于同時存在幾個反應，所以將同時產(chǎn)生許多產(chǎn)物，而往往只有其中某個產(chǎn)物才是我們所需的目標產(chǎn)物（或主產(chǎn)物），其它產(chǎn)物均稱副產(chǎn)物。生成主產(chǎn)物的反應稱為主反應，其它的均稱為副反應。研究復合反應的特征的重要目標之一是尋求提高主反應速率同時也抑制了副反應發(fā)生的途徑，從而達到改善產(chǎn)品分布以利于提高原料的利用率的目的。在具體討論各類復合反應的動力學特性之前，先就一些常用的術語加以說明。收率（或總收率）以符號ΦP記之。它表示生成的目的產(chǎn)物P的摩爾數(shù)與反應掉的著眼反應組分A的摩爾數(shù)之比值。即（2-45）得率以符號XP記之，它表示生成的目的產(chǎn)物P的摩爾數(shù)與著眼反應物A的起始摩爾數(shù)之比，即：（2-46）選擇性以符號SP記之，它是目的產(chǎn)物P所生成的摩爾數(shù)與某副產(chǎn)物S生成的摩爾數(shù)之比。即（2-47）若以表示主反應的反應程度；以，P表示主反應計量方程中組份A的計量系數(shù)；表示主產(chǎn)物P在主反應中的計量系數(shù)，以及表示反應物A的總轉化率。則有：（2-48）和（2-49）下面分別對各種類型的復合反應的動力學特征進行分析。1)平行反應包括不可逆平行反應和可逆平行反應。這兩種平行反應有兩種情況：平行進行的各反應具有相同的反應級數(shù)；平行進行的各反應具有不同的反應級數(shù)。這里僅介紹不可逆平行反應，這是比較簡單的平行反應，所有平行發(fā)生的反應均為不可逆的。設有如下兩個計量方程所表示的平行反應：（主反應）（2-50）（主反應）為簡化討論，假定主、副反應均為一級不可逆反應，其微分速率方程分別為：（主反應）（2-51）（主反應）（2-52）反應物A的總反應速率為：（2-53）根據(jù)計量方程可得：（2-54）（2-55）將式（2-53）積分可得：（2-56）或（2-57）也就是說，其的變化規(guī)律與一級不可逆反應一致，在對t標繪圖上可得一通過原點的直線，其斜為兩個反應速率常數(shù)之和。令，并稱之為瞬間收率，則有：（2-58）以及對于副產(chǎn)物S亦有：（2-59）將式（2-58）積分（設t＝0時CP=CP0）可得：（2-60）以及（2-61）（2-62）將式（2-59）積分，同樣可得：（2-63）（2-64）（2-65）根據(jù)選擇性的定義可得：（2-66）將式（2-57）分別代入式（2-60）和（2-63）中可得：（2-67）和（2-68）2)串聯(lián)反應以下式所示的簡單的不可逆串聯(lián)反應為例來討論串聯(lián)反應的基本特征。