环境工程原理的教学方法探讨与实践课件

1、环境工程原理的教学方法探讨与实践清华大学环境科学与工程系张 旭2009年11月22日环境工程原理课程定位环境污染控制工程 环境净化与污染控制技术的基本原理和过程计算的基本理论分析问题和解决问题的方法论提高污染物去除效率理论基础和手段方法 问题提取问题解决环境工程原理课程定位基础性综合性系统性抽象性涉及基础知识多内容深信息量大需要投入大难度特点问题和挑战问题： 学生在接触专业课之前，对很多工程中的分离、反应过程不了解，很难建立概念模型表面催化反应滤床中的传质过程管流系统：湍流流动中流体质点掺混和近壁处层流底层的关系 【例1】汽车尾气净化净化器，尾气中所含的NO与净化器中的催化剂接触，在净化剂表面

2、发生还原反应，这一反应过程可看作气体NO通过静止膜的一维稳态扩散过程。气相主体第三节 分子传质【例2】填料床内装填可反应的固体颗粒，液体以表观速度流过床层，通过一定床层高度后，水中物质浓度发生变化。 对流传质过程和物料衡算相结合在微元段内对苯酸作质量衡算，稳态情况下， 流出量流入量+溶解量溶解量:为单位床层体积的苯酸表面积流入量流出量饱和浓度 第四节 对流传质 问题和挑战 思维在工程的实际过程和抽象的理论知识之间穿梭 学生用到最多的形容词：纠结。如何让学生理解本课程作为专业基础课的 地位和作用？如何让学生建立工程概念？如何让学生理解工程中包涵的基本原理和基本理论？要求： 先介绍实际污染控制等过

3、程，然后抽象出来，形成概念模型，再回到实际应用中挑战： 教学方法探讨探索课堂讲授与自学、课堂讨论、案例分析、实验等多种方式相结合的教学方式，以激发学生的学习兴趣、培养学生的创新思维。教学方法主要体现在： 课堂教学与科研、工程实践相结合 1灵活、多样、针对性强的教学方式2 启发式、讨论式、参与式的教学方法3教学方法探讨 课堂教学与科研、工程实践相结合 1根据环境学科的科研进展和趋势，结合系里老师的科研成果，不断拓展和更新授课内容，激发学生追求真理、崇尚科学、勇于探索的热情。增加了大量的水处理工程、大气污染控制工程、固体废弃物处理处置工程等环境污染控制以及生态修复方面的研究成果和工程应用实例。采用

4、生动的例子和照片说明复杂的抽象问题。教学方法探讨 课堂教学与科研、工程实践相结合1实例图片展示和系统原理介绍提出其中具有共性的基本现象和所包含的基本原理让学生了解所学的基础知识可以解决什么样的实际问题，使学生对课程内容的学习产生浓厚的兴趣提出一些科研中的难点，如土壤多相体系中传质过程的强化，以及传质动力学特征的描述等，激发学生的求知欲环境工程原理基础?环境工程的重要任务之一：污染控制第一篇 环境工程原理基础 内涵城镇污水处理厂： 去除污水中悬浮物、有机物、氮、磷等气体处理系统： 工业废气治理烟气脱硫 室内空气净化去除甲醛等挥发性有机污染物固体介质处理： 危险废物，固定重金属等 污染土壤修复，去

5、除有机污染物或重金属等 环境工程原理基础?环境工程的重要任务之一：污染控制从各种介质（水，气，固）中去除/分离污染物方法、技术、工艺、设备分离/转化/隔离快过程速率加快过程速率加快反应和输移过程速率传质过程提高速率、强化过程的措施第一篇 环境工程原理基础 内涵例2：水体污染控制云南滇池暴雨径流氮磷污染控制沸石潜流湿地技术填料植物微生物有机物氮、磷土壤层沸石层1、水流输移Veg-N2、植物吸收3、植物衰亡4、矿化作用5、硝化作用N26、反硝化作用NH4-N7、吸附/解吸Org-NNH4-NNO3-N进水Org-NNH4-NNO3-N出水Org-NNH4-NNO3-N反应单元潜流湿地系统中氮素的迁

6、移转化过程控制暴雨径流中的氨氮微生物分解：氨氮 硝酸盐 氮气填料吸附和解析氨氮核心问题： 氨氮、氧、有机物、硝酸盐等的传质生物膜NO3N2N2NH3NH3NO3植物吸收Org-N(0.02)NH4-N(0.06)NO3-N(0.08)植物态 N衰亡 0.15氨化 0.15吸收 0.93吸附态 N吸附 273.58解吸 271.25吸收 0.63硝化 0.5612.234.737.2710.332.85细胞态 N同化 2.17衰亡 2.1411.64N2反硝化 4.23来水单位：g N d-1氮素的去除途径：微生物分解，植物吸收，填料吸附氮素的物料衡算例3：污染土壤修复富集作用（生物、基质）改善

7、水分分布和持水能力增强气体传输、扩散微生物修复石油污染土壤 土壤 被吸附的基质 微生物膜 吸附的氧 游离的氧 游离的基质 多相非均质复杂体系传质成为重要制约因素（1）添加载体强化传质：（2）电动修复 施加电场 定向迁移 例4：流体输送处理系统的流体输送给水排水管道工程 市政给水系统 建筑给水系统 建筑热水供应系统 质量衡算与能量衡算流体输送、流体中的分离或混合过程加热、冷却、设备保温等热量传递通过吸收、吸附、萃取、膜分离，以及生物、化学反应等，分离去除污染物质量传递给水排水管道工程流体流动给水处理、污水处理，废气处理固体废弃物处理，污染土壤修复污染水体修复物质和能量的输移第I篇 环境工程原理基

8、础为什么要学习分离过程？在环境领域哪些问题涉及分离过程？分离都有什么手段？本篇主要讲授内容？第II篇 分离工程原理混合体系自然界是混合体系。在生活和生产过程中常常会遇到对混合体系中的物质进行分离的问题。在环境净化和污染控制领域，研究对象通常都是混合体系（非均相和均相）问题的出现？形形色色的固体废物大气烟尘成份复杂的废水混合污染体系例1：给水处理工艺原水混凝 沉淀过滤 消毒饮用水 分离去除悬浮物、胶体、细菌等杂质北京水源九厂例2：大气烟尘净化除尘器（分离去除粉尘）排放旋风分离器水力旋流器教学方法探讨灵活、多样、针对性强的教学方式2突出课程重点和难点，针对不同难易程度的内容，采取灵活的、针对性强的

9、教学方式教学方法探讨灵活、多样、针对性强的教学方式2简单的内容，采取学生自学方式 如：常用物理量及单位换算 常用物理量及其表示方法只强调本课程中重要的概念： 质量比、质量流量、通量等教学方法探讨灵活、多样、针对性强的教学方式2复杂、难以理解的内容重点讲授精心制作课件，帮助同学理解抽象的内容 质量传递部分的总体流动 剪切应力产生的原因及其作用 边界层分离等在静止介质中由于分子扩散所引起的质量传递问题 静止流体相界面组分A通过气相主体向相界面扩散 依靠分子扩散NA在相界面附近，组分A沿扩散的方向将建立一定的浓度分布 第三节 分子传质空气与氨的混合气体 （静止）氨空气氨的分压 p减小流体自气相主体向

10、相界面流动 空气分压增大反向扩散 可视为空气处于没有流动的静止状态相界面氨的扩散量增加相界面上，氨溶解于水气相总压减小，形成总压梯度第三节 分子传质一、单向扩散 总通量流动所造成的传质通量叠加于流动之上的分子扩散通量总通量？第三节 分子传质(一)扩散通量（1）实际流体具有黏性容器中被搅动的水最终会停 止运动 在空气中摆动的物体，随着时间的推移，摆动不断衰减，最终会停止。 黏性：在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质 第二节 流体流动的内摩擦力二、流体流动的内摩擦力(一)牛顿黏性定律现象（1）：结论（1）：（2）流动的流体内部存在相互作用力？第二节 流体流动的内摩擦力剪切力：流体内部相邻

11、两流体层的相互作用力剪切应力：单位面积上所受到的剪切力现象（2）：结论（2）：层流流动的分子存在不规则热运动发生分子动量传递 相邻两层流体动量不同 使相邻两流体层产生相互作用力黏性流体，圆心处施加力使其流动速度变化比较大、黏性力不能忽略的区域边界层流速很小，速度梯度很大u01904年，普兰德（Prandtl）提出了“边界层”概念，认为即使对于空气、水这些黏性很低的流体，黏性也不能忽略，但其影响仅限于壁面附近的薄层，即边界层；离开表面较远的区域，则可视为理想流体。边界层理想流体因剪切应力而受阻减速无滑移u0yx第三节 边界层理论一、边界层的概念 流体流过表面曲率较大的曲面时，边界层外流体的速度和

12、压强均沿流动方向发生变化，边界层内的流动会受到很大影响 流道断面变化流速变化压强变化？u 增大，压强减小u 减小，压强增加第三节 边界层理论三、边界层分离 (二)过程分离点 逆压区流体惯性力与压强差克服流体的黏性力 顺压区流体惯性力克服黏性力和逆压强 流体质点的速度逐渐减小 D点近壁面处流体质点速度为零D点之后?第三节 边界层理论三、边界层分离 分离点 尾流（1）壁面附近的流体速度方向相反，发生倒流（逆压梯度）D点之后：（2）产生旋涡尾流区（3）旋涡中的流体具有很大的角速度和旋转动能，使其压力降低，产生较大的形体阻力第三节 边界层理论三、边界层分离 绕过圆柱的稳态流动尾部的反向流动是典型特征，

13、且随Re的增加变得更加明显教学方法探讨灵活、多样、针对性强的教学方式2复杂、难以理解的内容重点讲授精心制作课件，帮助同学理解抽象的内容对于不同过程，突出共性，帮助同学分析问题的本质，也避免类似过程的重复讲授 如沉降分离、传质平衡等相对运动流体：液体气体固体颗粒物液珠重力场离心力场电场惯性力场重力沉降离心沉降电沉降惯性沉降扩散沉降流体阻力沉降表面：器底、器壁或其他表面处理构筑物的形成例：沉降分离的一般原理和类型 例：吸收、吸附、萃取的传质平衡共性问题先把吸收的工艺讲透吸附、萃取两个过程讲解时，学生就容易理解。教学方法探讨灵活、多样、针对性强的教学方式2复杂、难以理解的内容重点讲授制作直观的多媒体

14、课件，帮助同学理解抽象的内容对于不同过程，突出共性，帮助同学分析问题的本质，也避免类似过程的重复讲授由过程的表观现象入手，剖析宏观机理和微观过程，透过现象看本质 如表面过滤、沉降分离、传质等回转真空过滤机工作过程示意第二节 表面过滤的基本理论某一过滤时间t时的过滤状态 p 过滤压差 相应的滤液量为V 过滤速度u定义为： dt微分过滤时间, s dVdt时间内通过过滤面的滤液量, m3 A过滤面积, m2 Lm（表观）（7.2.1）第二节 表面过滤的基本理论过滤速度与推动力之间的关系可用下式（Darcy 定律）表示： Rm：过滤介质过滤阻力, 1/mRc：滤饼层过滤阻力, 1/m假设rm，r分别

15、为过滤介质和滤饼层的过滤比阻, 1/m2 Rm= rmLm；Rc= rL (7.2.2) (7.2.4) Ruth 过滤方程r：与过滤介质上形成的滤饼层的孔隙结构特性有关L：与滤液量有关，在过滤过程中是变化的。 第二节 表面过滤的基本理论将比阻计算式代入式（7.2.8），得：令则：令q=V/A，qe=Ve/A（qe称为过滤介质比当量滤液体积），则 (7.2.12)（滤饼过滤基本方程）(7.2.10)(7.2.11)第二节 表面过滤的基本理论三、沉降分离设备例1：污水处理厂污水处理：平流沉淀（砂）池例2：气体净化：降尘室（除尘器）净化气体净化液体lbh含尘气体含悬浮物液体ui沉淀池或降尘室工作过

16、程示意图dc为满足除尘或悬浮物要求， t停t沉即：流体中直径为dc的颗粒完全去除的条件。 位于沉淀池（降尘室）最高点的颗粒沉降至池底需要的时间为 ：流体通过沉淀池（降尘室）的时间为: 气体混合物中组分分离吹脱去除液体中挥发性组分汽提去除水、气体和固体中污染物的过程吸收萃取吸附膜分离离子交换 传质过程：分离中的传质过程：第一节 环境工程中的传质过程根据气体混合物中各组分在同一溶剂中的溶解度不同，使气体与液体充分接触，其中易溶的组分溶于溶剂进入液体，而与非溶解的气体组分分离 气体混合物中组分分离废气中SO2的去除废气中氨的去除第一节 环境工程中的传质过程某石油化工区地下水色-质联机检测谱图稠环芳烃

17、类： 15.73 %苯系物类 ： 62.66%烷烃类 ： 7.83%酯、醛、酮 ：13.78% 石油类污染物：540mg/L吹脱去除液体中挥发性组分第一节 环境工程中的传质过程试验系统图吹脱吹脱去除液体中挥发性组分第一节 环境工程中的传质过程气水比5:1油去除率50%60% 不同气水比时油浓度变化曲线 吹脱去除液体中挥发性组分第一节 环境工程中的传质过程气体混合物中组分分离吹脱去除挥发性组分汽提液体混合物中组分分离染料废水处理样品石油烃分离测定去除水、气体和固体中污染物的过程吸收萃取吸附膜分离离子交换 传质过程：分离中的传质过程：第一节 环境工程中的传质过程利用液体混合物中各组分在不同溶剂中溶

18、解度的差异分离液体混合物 液体混合物中组分分离染料废水处理第一节 环境工程中的传质过程气体混合物中组分分离吹脱去除挥发性组分汽提液体混合物中组分分离染料废水处理样品石油烃分离测定气体或液体混合物中组分分离活性炭吸附水中有机物去除水、气体和固体中污染物的过程吸收萃取吸附膜分离离子交换 传质过程：分离中的传质过程：第一节 环境工程中的传质过程当某种固体与气体或液体混合物接触时，气体或液体中的某一或某些组分能以扩散的方式从气相或液相进入固相气体或液体混合物中组分分离活性炭吸附水中有机物第一节 环境工程中的传质过程气体混合物中组分分离吹脱去除挥发性组分汽提液体混合物中组分分离染料废水处理样品石油烃分离

19、测定气体或液体混合物中组分分离活性炭吸附水中有机物去除水中阴阳离子制作纯水去除水中重金属高分子薄膜为分离介质，组分选择性地透过膜制作纯水海水淡化截留某些组分去除水、气体和固体中污染物的过程吸收萃取吸附膜分离离子交换 传质过程：分离中的传质过程：第一节 环境工程中的传质过程以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质，当膜的两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差）时，混合物中的某一或某些组分可选择性地透过膜，从而与混合物中的其它组分分离 膜分离电渗析第一节 环境工程中的传质过程反应中的传质过程：催化氧化法净化汽车尾气第一节 环境工程中的传质过程生物膜法净化污水质量传递的推动力温度差压力差电场或磁

20、场的场强差浓度差第一节 环境工程中的传质过程 气相、液相、固相之间的传质过程对于污染物分离过程具有重要影响主要内容传质的机理分子扩散涡流扩散实际传质过程中的速率？费克定律受流动影响静止介质中的扩散流动流体中的扩散分子传质对流传质第二节 质量传递的基本原理 教学方法探讨 始终贯穿“启发式教学”的思想，使学生积极思考、主动参与，注重启发学生的创造力 启发式、讨论式、参与式的教学方法3教学方法探讨 启发式、讨论式、参与式的教学方法3通过日常生活和环境工程中的现象或过程，启发学生思考基本现象，理解基本原理，引导学生的开放性思维 例如，在热量传递单元中以房间内的人体为感知对象，让同学回忆冬季和夏季、有风

21、和无风等情况下对冷热的感觉，然后回答为什么，从中理解传热的过程和机理，使学生在简单的现象中掌握抽象的基础知识 以房间暖气片和实验室的加热装置分析对流传热过程 流体在外加能量的作用下处于流动状态自然对流传热流体由于内部温度差产生密度差而流动套管式换热器 暖气片8进水桶水浴泵出水桶气泵反应器进水泵第一节 热量传递的方式水浴锅强制对流传热对流传热过程的分类教学方法探讨 启发式、讨论式、参与式的教学方法3通过具有研究性质的作业，鼓励学生自己得出结论，知识掌握得牢固，锻炼了分析问题的能力 例如，在热量传递单元中通过计算和数学推导，得出两种导热性能不同的保温材料的正确布置方式分析高尔夫球和鲨鱼皮泳衣中包含

22、的流体力学原理，从而得出摩擦损失和局部损失对流动阻力的影响 房间与室外环境的传热过程思考题1：高尔夫球表面有300500个小凹坑，试解释原因思考题2：“鲨鱼皮”泳衣比传统泳衣降低4%的阻力，创造了流体力学的奇迹，试分析其原理。第三节 边界层理论塑形排水槽让水流 “粘”在身边 粗糙表面摩擦阻力大。但是，当表面粗糙促使边界层湍流化以后，造成分离点后移，形体阻力会大幅度下降。 （2）物体表面的粗糙度的影响（3）几何形状的影响尾流区的大小形体阻力第四节 流体流动的阻力损失湍流时，摩擦阻力较层流时大。但与层流时相比，分离点后移，尾流区较小，形体阻力将减小；层流时，摩擦阻力小，但尾流区较湍流时大，形体阻力

23、较大。 （1）流态的影响层流边界层和紊流边界层都会发生分离在相同的逆压梯度下，层流边界层和紊流边界层哪个更容易发生分离？（由于层流边界层中近壁处速度随y的增长缓慢，逆压梯度更容易阻滞靠近壁面的低速流体质点）结论：湍流边界层的分离点延后产生第三节 边界层理论三、边界层分离 (四)流态的影响层流底层厚度 在湍流流动时，管壁的粗糙度对摩擦系数产生影响其影响与Re和相对粗糙度有关相当于光滑管，与粗糙度无关与Re无关，阻力平方区第四节 流体流动的阻力损失(3.4.19)管壁凸出的平均高度管壁凸出的平均高度设冬天室内的温度为 ，室外温度为 ， 。在两温度保持不变的情况下，试绘制稳态时下列三种情况下从室内空

24、气到室外大气温度分布示意图。（1）室外平静无风，不考虑辐射传热； （2）室外冷空气以一定流速流过砖墙表面，不考虑辐射传热； （3）室外除了刮风外，还考虑砖墙与四周环境的辐射传热。第四章 热量传递（1）三种传热过程的温度分布特征（2）串联热阻叠加原则（3）传热速率与推动力和热阻的关系（4）总热阻减小使热流量增大，热阻不变的温差会增大教学方法探讨 启发式、讨论式、参与式的教学方法3采取讲授与案例相结合的方式，引导和鼓励学生独立思考、充分讨论、大胆发言，训练了学生的思维 例如，例如在学习传质部分时以去除烟气中的二氧化硫为例，让大家讨论去除方法和工艺，其中包含了传质的方式、机理、传质速率和强化传质的措

25、施最后，通过介绍实际脱硫工程所采用的工艺和设备，使同学不仅将整章知识贯穿起来，而且对基本原理的理解也得到了升华。例1：废气治理SO2燃煤烟气除硫水效果和效率问题任务：克服传质限制SO2水气泡水溶解平衡措施： 减小传质阻力 增加传质面积讨论：传质的方式、机理、传质速率和强化传质的措施例1：废气治理SO2燃煤烟气除硫碱石灰石/石灰石膏（2）逆流接触的反应器，逆流推动力增大，流动使传质强化（3）碱液以液滴形式与SO2接触，增大接触面积。（1）在相界面处，SO2到达液膜即发生反应，不存在向液相主体的传质过程，传质阻力减少。气泡碱液教学方法探讨 启发式、讨论式、参与式的教学方法3对于课程难点组织专题讨论，促进培养学生独立思考问题的能力，诱导学生的创新欲望对于流体流动、热量传递、质量传递，引导同学们分析、寻找它们的之间的相似性和内在规律对于任何处于不平衡状态的体系，一定会有分布不均匀的物理量由高强度区向低强度区转移，这一过程即为传递过程。当体系中存在速度、温度和浓度梯度时，就会分别发生动量、热量和质量的传递过程。动量传递：体系中动量由高速流体层向低速流体层转移热量传递：热