环境工程学的介绍

一、概念一、概念 1）定义 环境工程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。 2）基本内容 人们对环境工程学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。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， 其基本内容主要有大气污染防治工程、水污染防治 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 1012 立方米。通常，一个人五星期不吃东西，或五天不喝水，尚能活命 ；但是五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原理和方法的研究 是大气污染防治工程的主要任务。 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。 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。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。 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。 3）研究对象 在环境科学中，一般认为环境是指围绕着人群的空间，及其中可以直接、间接影响人 类生活和发展的各种自然因素的总体，但也有些人认为环境除自然因素外,还应包括有关的 社会因素。 世界各国的一些环境保护法规中，往往把环境中应当保护的环境要素或对象，如大气 、水、土地、矿藏、森林、草原、野生动物和植物、名胜古迹、风景游览区、自然保护区 、生活居住区等称为环境，但环境并不限于这些内容。 二、环境工程主要内容二、环境工程主要内容 1）水体污染控制 水体的污染并没有严格的定义和固定不变的标准。可以要求水体水质：维持自然状 态；符合饮用水原水要求；适于鱼类的生存和繁殖；适于农业灌溉；适于游泳和 其他水上文体活动；符合各种工业用水原水的要求；不呈现不洁状态等。对于这些水 体的水质，许多国家都规定有具体的要求。中国颁布有地面水环境质量标准，作为控 制水体污染的依据。水体污染源主要来自生活污水、工业废水、农业废水和降水引起的地 面径流；滨海地区的地下水体，还有海水入侵。水体污染物主要有：病原体，如病菌、 病毒和寄生虫卵等；来源于动植物的有机物，如动植物排泄物、动植物残体、机体的组 分等，它们在水体中的细菌作用下消耗溶解氧；植物养料，主要有氮、磷化合物，将使 潺湲的水体出现富营养化；有毒有害的化学品，如含氯农药（DDT、六六六等）、表面活 性剂、重金属盐类、放射性物质等；其他，如油脂、酸、碱、温水，悬浮物等（见废水 水质）。进入水体的污染物，有些在微生物的作用下能够降解，如生活污水中有机物，在 细菌的作用下大多转化为重碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐等无机物；有些不能降解，如大多数 无机污染物。水体的降解作用、稀释作用和周围环境的换质作用（如从水面上的空气中吸 收氧），使得受污染的水体水质趋于复原的能力，称为自净能力。当污染物量不超过自净 能力时，水体基本上维持正常状态；当超过自净能力时，水体就会呈现不洁状态。 水体污染的控制措施，除加强污染源的管理，以降低废水量和污染量外，政府应制定 和颁布法规以控制废水的排放，如中国政府制定和颁布了中华人民共和国水污染防治法 、工业“三废”排放试行标准等法规。城镇应建设完善的排水管系和废水处理厂， 并制定和实施管理制度。工业布局和工艺要考虑环境要求。生产废水必须处理后出厂（见 工业废水治理），废水再用，特别是建立废水灌溉系统，是防止废水污染水体的有效途径 。 生活用水供给 饮用水的品质直接影响人体健康。城镇应建设完善的给水系统，向居民供应符合生 活饮用水卫生标准的饮用水（见用水水质）。给水水源的严格保护、原水的完善处理（ 见给水处理厂）和给水管网的精心养护（见给水管网养护）是确保供水水质优良的有力措 施。 2）大气污染控制 对不同范围内的大气质量要求是不同的。空旷地区应当保持空气的自然质量。城区的 空气应当有较高的质量。污染源的局部空间特别是车间内部空气质量的要求可以低些，但 不应危害工作人员或居民的健康。中国颁布了大气环境质量标准、工业企业设计卫 生标准等规章以便控制大气污染。大气污染有局部性的，如室内污染、个别烟囱的污染 ；有地区性的，如城市交通污染。由于空气是流动的，局部性的污染可以成为地区性的， 地区性的污染范围扩展后，甚至成为全球性的。 大气污染会造成降尘量增加，能见度降低，树木生长不良，甚至枯萎。但是，最主要 的危害是影响人类健康，轻则致病，重则死亡。由大气的硫污染引起的 1952 年伦敦烟雾事 件，造成 4000 人死亡。大气污染引起的酸雨，伤害植物，腐蚀建筑物，受害面积较广，正 引起严重关注。 大气污染源主要是矿物燃料(煤、石油、燃气)的燃烧。某些工业生产过程排放的污染 物也污染大气，但一般只影响附近地区。大风和车辆行驶造成尘土飞扬，有时也污染大气 （见交通工程）。火山爆发是另一个污染源。 大气污染物主要有：烟尘。一切非气 态污染物的统称，也称颗粒物，主要是粉尘和烟。粉尘一般来自表土。烟是不完全燃烧的 产物，主体是碳粒，吸附有其他杂质。烟尘的危害是降低大气的一般质量和能见度。但是 ，加铅汽油燃烧时形成的铅粒和工业生产中的粉尘和烟雾，可以直接致病。一氧化碳。 燃料燃烧不完全的产物，是无色、无臭、有毒的气体，略轻于空气，扩散较快。在交通繁 忙的城市，地面空气中的一氧化碳来自汽车，浓度有时高达 10100ppm，而在浓度为 10pp m 的空气中生活 8 小时，就可能影响人们的精神活动。二氧化硫。含硫矿物燃料燃烧的 产物。在中国主要来自烧煤的锅炉和炉灶。腐蚀器物，刺激呼吸道。用烟囱向高空扩散时 ，常氧化为三氧化硫，形成硫酸或硫酸盐，溶入雨滴，会出现 pH 值低于 5 的酸雨。氮氧 化物。一氧化氮、二氧化氮等氮氧化物是燃料在高温下燃烧的产物，大气中的氮在高温下 能氧化成一氧化氮，进而转化为二氧化氮。氮氧化物在大气光化学反应中是反应物，浓度 高时直接影响健康。碳氢化合物。一般是汽油燃烧不完全的产物。浓度较低不直接危害 健康，但在大气光化学反应中是反应物。光化学反应氧化剂。在阳光照射下氮氧化物和 碳氢化合物的反应产物，臭氧、一氧化氮、二氧化氮、过氧乙酰硝酸酯(PAN)、甲醛、丙烯 醛、硝酸等的混合体，是二次污染物。它们的污染参数是总氧化剂。含光化学反应氧化剂 的烟雾称光化学烟雾，曾造成严重危害，对健康的综合影响尚在研究中。浓度在约 0.1ppm 就有刺激眼膜和呼吸道的症状。此外，硝酸可能是造成酸雨的另一个因素。二氧化碳。 在通常情况下大气中的二氧化碳，由于植物的光合作用和生物的呼吸作用，浓度一般处于 平衡状态。然而日益增加的矿物燃料燃烧量使大气中的二氧化碳浓度呈上升趋势。由于二 氧化碳有温室效应，有人认为有可能引起地球大气平均温度增加、极冰融化，造成严重的 环境问题。 大气污染的控制措施，造林和城市绿化有助于大气质量的改善，营造防风林带可以防 止尘土扩散。但大气污染的防治主要在于：能源革新。有可能时，用无污染能源（太阳 能、风能、地热水能、电能和蒸汽），或低污染能源（燃气和油类）替代煤。煤的分配也 要顾及污染控制，低硫煤应分配给炉灶和小型燃烧设备，较易采用防止污染措施的大型燃 烧设备应分配含硫较高的煤。含硫高的燃料可用脱硫技术降低硫含量。燃气的脱硫技术见 城市燃气净化。设备和操作的革新。革新除尘设备有助于烟尘量的降低，提高燃烧设备 的效率可以降低一氧化碳和碳氢化合物的污染量。火焰温度的控制，可以减少氮的氧化和 二氧化碳的分解。汽车废气污染的防治主要依靠革新汽车的燃烧系统，已进行了大量的研 究，仍在不断革新中。汽车废气中的铅粒只有不用加铅汽油才能消除。废气处理。是大 气污染防治的最后手段。烟气中的粉尘可以用过滤、洗涤、离心分离、静电沉降、声波沉 降等方法与气流分离。去除烟气中的二氧化硫有多种方法：将石灰石粉末吹入燃烧室，与 二氧化硫化合成灰分；用碱性物质吸收或吸附二氧化硫，然后利用；在催化剂作用下燃烧 烟气，使二氧化硫转化为三氧化硫、烟气冷却时与冷凝水结合为硫酸。烟气中的氮氧化物 也可用化学方法去除。 3）固体废物处置 固体废物的处置方法有掩埋、焚化或加工利用。焚化也可以看作是一种处理方法。因 为灰烬仍要处置。固体废物特别是垃圾的收集和储放既要花钱少，又要不影响环境卫生。 农业固体废物(秸秆、畜粪)一般都是有机物，中国农村历来用作饲料、燃料和肥料。近 10 年来，用沼气发酵法处理农业固体废物。沼气是清洁方便的燃料，残渣是良好的肥料。 工业固体废物量少时，常作为垃圾处理。量多时，先考虑利用（见工业废渣及其应用）； 无法利用时才掩埋或焚化。有毒有害的废物掩埋前要经过无害化处理，无法处理的密封后 掩埋。城市垃圾是城市中固体废物的混合体。在中国，厨房剩余物质习惯上和垃圾分别 收集，用于喂猪和肥田。处置垃圾的方法主要是掩埋，少数焚化，也用于堆肥。掩埋包括 填地、填坑、改沼泽地为场地和弃之于海。弃海即使近期未见不良后果，远期堪虑。以往 掩埋垃圾和简单的倾弃相近，继续污染环境并造成鼠患。现在要求每日倾弃的垃圾当天用 泥土掩盖并压实，称卫生掩埋。垃圾掩埋场绿化后，经过 10 年或更长的时间可在上面建房 。掩埋场上可用卫生掩埋法造假山，可增加垃圾掩埋量，美化环境。采取废旧物资回收措 施，可以减少垃圾的数量。 4）噪声污染控制 干扰人们休息、学习、生活和工作，甚至影响健康的声音，统称为噪声。噪声由许多 纯音组成。纯音(单频率的声音)的声压(p)可用与基准声压(p0 接近一般人的听阈，通常采 用 p0210-5 帕)相比的声压级（Lp）表示，单位为分贝（dB），它的数学表达式为 Lp 201g(p/p0)。噪声强弱的测定较复杂，不但要结合各纯音的频率，还要结合人的主观感 受。有多种方法量度，一般采用声级，单位也用分贝。声级可用声级计直接测得。声级增 加 40 分贝，声压约增百倍，干扰大大增加。一般认为低于 85 分贝时不致影响听力。喷气 飞机起飞时的噪声达 150 分贝，使耳鼓发痛。160 分贝的噪声使人致聋。噪声还影响人的 中枢神经系统和心血管系统，会导致神经衰弱和心血管病。噪声还影响讲话和电话的使用 。可使人致聋的噪声还影响某些仪表的使用。 噪声主要来自机器（工业噪声）和交通 工具（交通运输噪声）。控制噪声首先是不用喧嚣的设备：或则改革工艺，如改铆接为焊 接；或则改换机械，如用压桩机替代打桩机。其次是革新机械的构造和材料，如提高部件 精度减少碰撞，用非金属材料替代金属材料，传动部件用弹性构件，整机采用隔振机座或 隔声罩，排气口设消声器，交通工具外形采用流线型等。再次是正确操作，如正确使用润 滑剂，正确使用喇叭等音响设备。建立隔声屏障（如墙、土丘）或建筑表面多用吸声、隔 声材料，