環境工程原理(第二版) 節選

**章 緒論 1.1 概述 工業、農業和服務業的發展以及人口、經濟、城鎮化的快速增長導致大量污染物的產生。目前整個地球環境已經不可能僅僅依靠自凈能力實現污染的控制和環境保護的平衡，因此需要環境工程師通過建立污水、污染氣體、廢物等的收集、處理、排放等環境工程設施來控制污染，保護環境。而這些環境工程設施的設計、建造、運行過程中涉及大量的其他學科的基礎知識，如流體力學、化工原理、反應動力學及反應器等。這構成了環境工程基礎和原理的主要內容，是進一步學習環境工程，掌握水污染控制工程、大氣污染控制工程、固體廢棄物治理工程和生態修復工程的基礎。 1.2 質量衡算與熱力學**定律 依據物質不滅定律建立的質量衡算和根據熱力學**定律建立的能量守恒計算，是環境工程基礎課程中分析、解決問題的基本原則、方法和基礎。 1） 質量衡算 質量衡算首先需要確定衡算的范圍。根據情況，既可以選整體，也可以是其中的一部分作為一個界定的質量衡算系統。根據質量衡算的依據——質量守恒定律，單位時間內輸入系統的物料總量等于單位時間內系統輸出的物料總量、系統中積累的物料總量以及系統中反應的物料總量三者之和。其數學表達式為∑qm進＝∑qm出+∑qm積累+∑qm反應（1-1）式中，∑qm進——單位時間內輸入系統物料總量，kg/s； ∑qm出——單位時間內輸出系統物料總量，kg/s； ∑qm積累——單位時間內系統中積累的物料總量，kg/s； ∑qm反應——單位時間內系統反應的物料總量，kg/s。 式中衡算的物料，既可以是某物質的量（如質量、體積、摩爾、化學需氧量、生化需氧量等），也可以是元素的量（如硫、氧、碳等）。 【例1-1】某大型城市污水處理廠采用混凝沉淀離心脫水工藝處理合流制污水中的懸浮物（SS）等，圖1-1為其處理流程示意圖。處理污水流量為2.10×106m3/d，混凝沉淀池進出水中的SS濃度分別為240mg/L和15mg/L。經混凝沉淀后的污泥（含水率為95%）進入污泥離心單元后通過高速離心機脫水，脫水后污泥含水率為65%，分離液含固率為0.8%，分離液回到混凝沉淀池前進行處理。假設系統處于穩定狀態，過程中沒有生物作用，混凝劑的加入量可以忽略。求整個系統的排水量和污泥體積，以及混凝沉淀池的排泥體積和離心機分離液的回流體積。假設污水和污泥的密度均為1000kg/m3。 圖1-1 混凝沉淀—離心脫水工藝示意圖 已知： qV0＝2.10×106m3/d， c0＝240mg/L＝0.24kg/m3， c2＝15mg/L＝0.015kg/m3，污泥含水率為污泥中水和污泥總量的質量比，因此污泥中懸浮物含量為 污水含固率為污水中污泥和污水的質量比，因此污水中懸浮物含量為 求： qV3， qV2， qV1， qV4。 解： （1） 以系統I（包括混凝沉淀池和污泥離心脫水單元）為衡算對象 輸出速率出 可得以下衡算方程 代入數據得 解得 （2） 以系統Ⅱ（污泥離心脫水單元）為衡算對象，同理可得 輸入速率qm入＝c1qV1 輸出速率qm出＝c3qV3+c4qV4 同理，可得 代入數據得 解得： 答： 整個系統的排水量和污泥體積分別為2.10×106m3/d、1.35×103m3/d；混凝沉淀池的排泥體積為1.10×104m3/d，離心機分離液的回流體積為9.64×103m3/d。 2） 能量守恒定律與熱力學**定律 能量可以多種形式存在，且可相互轉換，但遵循能量守恒定律。即一個系統的所有能量的總和是不變的，能量只能從一種形式變化為另一種形式，或從系統內一個物體傳給另一個物體。根據熱力學**定律，對任何一個系統，外界對它傳遞的熱量為Q，系統從內能為En1的初始狀態改變到內能為En2的*終狀態，同時系統對外做功為W，那么，不論過程如何，總有 Q＝En2-En1+W（12）其中，Q——系統從外界吸收的熱量總和，反之為負，J； En1——系統初始狀態的總內能，J； En2——系統*終狀態的總內能，J； W——系統對外做功，反之為負，J。 對微小的狀態變化過程，式（1-2）可寫成： dQ＝dEn+dW應用熱力學**定律，同樣需要界定系統范圍及選擇基準。 【例1-2】如圖1-2所示，該連續反應池內有120m3的混合污泥，溫度為10℃，進行中溫厭氧消化，需將其加熱到33℃。采用外循環加熱，使污泥以8m3/h的流量通過換熱器，換熱器用水蒸氣加熱。其出口溫度恒定為100℃。假設罐內污泥混合均勻，圖1-2污泥加熱系統 污泥的密度為1100kg/m3，不考慮池的散熱以及污泥循環過程中的能量損失等，問污泥加熱到所需溫度需要多少時間？ 已知： V＝120m3， qV＝8m3/h， T1＝10℃， T2＝33℃， T3＝100℃。由于池中污泥混合均勻，則任意時刻從池中排出的污泥溫度與池中相同，設為T。 求： 污泥加熱到所需溫度需要的時間。 解： 以污泥池為衡算系統，以0℃的污泥為溫度物態基準。 在dτ時間內： 輸入系統的焓 輸出系統的焓 系統內積累的焓 由可得，所以 邊界條件： 答：污泥加熱到所需溫度需要4.43 h。 1.3 平衡與速率 平衡與速率是分析任何單元操作過程的兩個基本方面。 平衡是說明過程進行的方向和所能達到的極限。如過程已達到平衡，則過程不再進行。環境工程反應設備中通常進行的是從一遠離平衡的不平衡狀態到達另一個靠近平衡的不平衡狀態。例如，一個容器中倒入溫度不相同的液體，只要空間上任何兩處溫度不同，即溫度不平衡，熱量就會從高溫處向低溫處傳遞，直到各處溫度相同為止，此時過程達到平衡。又如測定化學需氧量（COD）裝置中的冷凝管，氣相中的溫度高于液相，即溫度不平衡，熱量就會從高溫的氣相向低溫的液相轉移，出口處氣液兩相的溫差一定小于入口處，即從一個遠離平衡的不平衡狀態（入口處，溫差大）到另一個靠近平衡（溫差為零）的不平衡狀態（出口處，溫差小）。 過程的速率是指過程進行的快慢，是判斷一個過程由不平衡向平衡移動的快慢依據。如果一個過程以非常慢的速率進行，那么過程所需的設備將極為龐大，在實際工程中難以應用。 一個過程的速率與過程的推動力成正比，而與過程的阻力成反比，表達式為過程的速率＝過程的推動力過程阻力＝過程系數×過程推動力（13）推動力的性質決定于過程的內容，如傳熱過程的推動力是溫度差；氣體吸收過程的推動力是濃度差或壓力差。阻力是各種因素對過程速率影響總的體現。過程系數為過程阻力的倒數。 1.4 物理量的單位和單位制 物理量單位分為基本單位和導出單位。基本單位是幾個獨立基本的物理量單位。國際單位制（SI）中常用的基本物理量及對應的基本單位有七種（詳見表1-1），它們是長度（米）、質量（千克）、時間（秒）、電流（安）、熱力學溫度（開）、發光強度（坎）和物質的量（摩爾）。基本物理量以外的其他物理量，均可以根據物理量的定義和物理量之間的規律，從基本物理量導出，稱為導出物理量，它們的單位稱為導出單位。如物體的長度單位是m，物質的體積單位是m3。此外，還有一些具有專有名稱的導出單位，如功率單位為W，它與基本單位的關系： 1W=1kg m2/s3。再如力單位為N，1N＝1kg m/s2。表1-2中為環境工程中常用的一些國際單位制導出單位。 表1-1 SI物理量基本單位 表1-2 環境工程中常用的一些國際單位制(SI)物理導出單位 除目前廣泛采用的國際單位制以外，由于歷史、地域、學科等原因形成了不同的單位制，主要有兩類： 絕對單位制和工程單位制。這兩類單位制又有英制和公制之分。絕對單位制和工程單位制的主要區別在于絕對單位制以質量為基本物理量，其單位（kg）為基本單位，力的單位（kg m/s2）為導出單位；而工程單位制以力為基本物理量，其單位（kgf）為基本單位，質量的單位（kgf s2/m）為導出單位。力和質量的關系為Fy＝maj（14)式中，Fy——作用于物體上的力； m——物體的質量； aj——物體在作用力方向上的加速度。 表1-3表示了公制的絕對單位制、工程單位制、國際單位制（SI）它們物理量關系。同一物理量在不同單位制中的數值可以不同，卻“等效”。“換算因子”即為同一物理量用不同單位制度量的數值比值。如國際單位SI制中1J（或1kg m2/s2）的能量為工程單位制的0.102kgf m，其換算因子即為0.102。環境工程中各種單位制的單位間的換算因子可以在本書附錄1中查得。 表1-3不同單位制下相同物理量關系 【例1-3】已知1.000atm等于760.000mmHg，1.033kgf/cm2，求1.000atm等于多少Pa、N/m2、kg/(m s2)、mH2O。 解： 查附錄2可知1kgf＝9.807N，可得