復(fù)旦環(huán)境工程基礎(chǔ)課件01緒論

環(huán)境工程基礎(chǔ)環(huán)境科學(xué)與工程系教學(xué)方式：課堂講解、討論，課后作業(yè)，工程實(shí)例參觀和報(bào)告的撰寫，期末考試等。

考核：包括平時(shí)成績，具體為課后作業(yè)、課堂互動(dòng)、小測驗(yàn)，工程實(shí)例參觀和報(bào)告的撰寫等，它們在課程總成績中的百分比為40％。課程期末的考核形式為閉卷筆試，期末考試占60％。第一章

緒論

環(huán)境工程的發(fā)展環(huán)境工程基礎(chǔ)的內(nèi)容與學(xué)習(xí)目的一、概述環(huán)境工程學(xué)的發(fā)展市政工程（給水排水工程、衛(wèi)生工程）化學(xué)工程

（化工原理和化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)）3.生物工程

〈環(huán)境工程學(xué)的發(fā)展1.DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering1)StandfordUniversity2)CornellUniversity3)UniversityofMichigan4)ArizonaStateUniversity5)NorthCalroninaStateUniversity2.DepartmentofEnvironmentalEngineeringYaleUniversity3.DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineering1)TheUniversityofArizona2)NationalUniversityofSingapore

環(huán)境工程基礎(chǔ)1.化學(xué):無機(jī)、有機(jī)、分析、物化、膠體2.微生物學(xué)：微生物學(xué)、微生物遺傳學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)3.數(shù)學(xué)、物理4.流體力學(xué)5.化學(xué)/生物單元操作6.化學(xué)/生物反應(yīng)工程學(xué)學(xué)習(xí)目的1.學(xué)習(xí)環(huán)境工程所需的專業(yè)基礎(chǔ)知識流體流動(dòng)和輸送設(shè)備，熱量傳遞和設(shè)備、吸收和設(shè)備、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器等的基本原理及計(jì)算，以及這些基礎(chǔ)知識在環(huán)境工程中的簡單應(yīng)用。2.理性思維的能力邏輯、思辯和推演等3.理論聯(lián)系實(shí)際的能力4.工程技術(shù)常用的基本觀點(diǎn)和方法如合理簡化的觀點(diǎn)、最優(yōu)化觀點(diǎn)、量綱分析法、衡算的方法、數(shù)學(xué)模型的方法等5.產(chǎn)業(yè)化意識二、質(zhì)量衡算與熱力學(xué)第一定律

（一）質(zhì)量衡算1.確定范圍

2.質(zhì)量守恒定律：一定時(shí)間t內(nèi)輸入系統(tǒng)的物料總量等于從系統(tǒng)輸出的物料總量和系統(tǒng)中積累的物料總量。ΣM進(jìn)=ΣM出+ΣM積累+ΣM反應(yīng)（1-1）式中：ΣM進(jìn)——t時(shí)間內(nèi)輸入系統(tǒng)物料總量，kg/SΣM出——t時(shí)間內(nèi)輸出系統(tǒng)物料總量，kg/SΣM積累——t時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中積累的物料總量，kg/SΣM反應(yīng)——t時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中反應(yīng)了的物料總量，kg/S【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2.10106m3/d，混凝沉淀池進(jìn)出水中的SS濃度分別為240mg/L和15mg/L。經(jīng)混凝沉淀后的污泥（含水率為95%）進(jìn)入污泥離心單元通過高速離心機(jī)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(jìn)行處理。假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，過程中沒有生物作用，混凝劑的加入量可以忽略。求整個(gè)系統(tǒng)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(jī)分離液的回流體積。假設(shè)污水和污泥的密度均為1000kg/m3。圖1-1污泥混凝沉淀—離心脫水工藝示意圖解：已知：qV0=2.10

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m3/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(zhì)量比，因此污泥中懸浮物含量為：c1

=(100-95)/(100/1000)=50g/L=50kg/m3，c3

=350kg/m3，污水含固率為污水中污泥和水的質(zhì)量比，因此污水中懸浮物含量為：c4

=0.8/(100/1000)=8g/L=8kg/m3，ρ=1000kg/m3，ΣM積累=0，ΣM反應(yīng)=0求：qV3，qV2，qV1，qV4

解：以系統(tǒng)I（包括混凝沉淀池和污泥離心單元）為衡算對象ΣM進(jìn)=ΣM出+ΣM積累+ΣM反應(yīng)，ΣM進(jìn)=ΣM出，輸入速率qm入=c0qV0輸出速率qm出=c2qV2+c3qV3，可得以下衡算方程c0qV0=c2qV2+c3qV3qV0

=qV2+qV3代入數(shù)據(jù)得0.242.10106=0.015

qV2+350

qV32.10106=qV2+qV3解得：qV3=1.35103m3/d，qV2≈2.10106m3/d以系統(tǒng)Ⅱ（污泥離心單元）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c1qV1=c3qV3+c4qV4qV1=qV3+qV4代入數(shù)據(jù)得50

qV1=3501.35103+8

qV4qV1=1.35103+qV4解得：qV1=1.10104m3/d，qV4=9.64103m3/d答：整個(gè)系統(tǒng)的排水量和污泥體積分別為2.10106m3/d，1.35103m3/d；混凝沉淀池的排泥體積為1.10104m3/d，離心機(jī)分離液的回流體積為9.64103m3/d。（二）能量守恒定律與熱力學(xué)第一定律

1.確定范圍

2.熱力學(xué)第一定律，對任何一個(gè)系統(tǒng)，外界對它傳遞的熱量為Q，系統(tǒng)從內(nèi)能為E1的初始平衡狀態(tài)改變到內(nèi)能為E2的末平衡狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)對外做功為A，那么，不論過程如何，總有Q=E2-E1+A·································（1-2）其中：Q——系統(tǒng)從外界吸收的熱量總和，反之為負(fù)，KJ；E1——系統(tǒng)初始平衡狀態(tài)的總內(nèi)能，KJ；E2——系統(tǒng)最終平衡狀態(tài)的總內(nèi)能，KJ；A——系統(tǒng)對外做功，反之為負(fù)，KJ。對微小的狀態(tài)變化過程，式（1-2）可寫成：dQ=dE+dA【例1-2】如圖1-2所示，該連續(xù)反應(yīng)池內(nèi)有120m3的混合污泥，溫度為10℃，進(jìn)行中溫厭氧消化，需將其加熱到33℃。采用外循環(huán)加熱，使污泥以8m3/h的流量通過換熱器，換熱器用水蒸汽加熱。其出口溫度恒定為100℃。假設(shè)罐內(nèi)污泥混合均勻，污泥的密度為1100kg/m3，不考慮池的散熱，問污泥加熱到所需溫度需要多少時(shí)間。圖1-2污泥加熱系統(tǒng)

三、平衡與速率

1.過程的平衡：說明過程進(jìn)行的方向和所能達(dá)到的極限。

2.過程的速率：指過程進(jìn)行的快慢，是判斷一個(gè)過程由不平衡向平衡移動(dòng)的快慢依據(jù)。

1.4物理量的單位和單位制基本單位：常用的基本量（長度、質(zhì)量、時(shí)間、溫度等）的單位導(dǎo)出單位：通過物理量之間的規(guī)律（定義或定律）從基本量導(dǎo)出，稱為導(dǎo)出量，它們的單位稱為導(dǎo)出單位單位制：1）國際單位制，TheInternationalSystemofUnits,SI2）絕對單位制，以質(zhì)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(dǎo)出單位；3）工程單位制：以力為基本物理量，其單位（kgf）為基本單位，質(zhì)量的單位（kgf?s2/m）為導(dǎo)出單位4）公制和英制

F=ma(1-4)式中F——作用于物體上的力；

m——物體的質(zhì)量；

a——物體在作用力方向上的加速度。物理量名稱符號單位名稱單位符號長度質(zhì)量時(shí)間物質(zhì)量電流熱力學(xué)溫度發(fā)光強(qiáng)度LMTNITIv米千克（公斤）秒摩爾安[培]開[爾文]坎[德拉]mkgSmolAKcd表1-1SI物理量基本單位表1-3不同單位制下相同物理量關(guān)系單位制絕對單位制（公制）工程單位制SI制物理量CGSMKS符號名稱量的符號或用其它符號表示長度cmmmm米L(L)質(zhì)量gkgkgf·s2/mkg千克（公斤）m時(shí)間ssss秒t溫度K開[爾文]T物質(zhì)的量%mol摩[爾]n電流A安[培]I光強(qiáng)Cd坎[德拉]I(Iv)力g·cm/s=dynkg·m/s=Nkgfkg·m/s2=N牛[頓]N功率kg·m2/s3=w瓦[特]W,J/s,N/m壓強(qiáng)atmmH2Okg/(m·s2)=Pa帕[斯卡]Pa,N/m2能量、功、熱kg·m2/s2=J焦[耳]J,N·m【例1-3】已知1atm等于760mmHg柱，1.033kgf/cm2,求1atm等于多少Pa、N/m2、kg/(m·s2)、mH2O柱。解：查附錄2可知1kgf=9.80665N，可得1atm=1.033kgf/cm2=1.0339.80665/(1/10000)=1.013105N/m2因?yàn)镻=F/S，其中F表示力，單位是N，S表示面積，單位是m2，則有1N/m2=1Pa，故1atm=1.013105Pa又由表1-3可知，Pa=kg/(m·s2)，所以1atm=1.01325105kg/(m·s2)由于Hg=13.6g/cm3，H20=1g/cm3，所以1atm=760mmHg=760(13.6/1)mmH2O=10336mmH2O=10.336mH2O參考教材：1. 杜揚(yáng)主編《流體力學(xué)》，中國石化出版社，2008年8月。2. 吳持恭主編《水力學(xué)》，高等教育出版社，2008年1月。2014年4月第11次印刷。3. 柯葵，朱立明，李嶸編著《水力學(xué)》，同濟(jì)大學(xué)出版社，2000年5月，2004年8月第5次印刷。4. 中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50014-2006（2011年版）局部修訂，2014年8月。5. 林愛光，陰金香編著《化學(xué)工程基礎(chǔ)》，清華大學(xué)出版社，2008年8月。6.胡洪營，張旭，黃霞，王偉合編《環(huán)境工程原理》，高等教育出版社，2005年8月。7. 朱慎林，樸香蘭，趙毅紅編著《環(huán)境化工技術(shù)及應(yīng)用》，化學(xué)工業(yè)出版社，2003年參考教材：8.溫瑞媛，嚴(yán)世強(qiáng)，江洪，瞿茂林編著《化學(xué)工程基礎(chǔ)》，北京大學(xué)出版社，2002年3月。9.武漢大學(xué)主編《化學(xué)工程基礎(chǔ)》（第二版），高等教育出版社，2009年8月。10.李德華編《化學(xué)工程基礎(chǔ)》（第二版），化學(xué)工業(yè)出版社，2005年8月。11.陳敏恒，叢德滋，方圖南,齊鳴齋編《化工原理》（上冊、下冊）（第三版），化學(xué)工業(yè)出版社，2009年1月。12.吳望一編著《流體力學(xué)》，北京大學(xué)出版社，1982年8月。13.汪大翚，雷樂成編著《水處理新技術(shù)及工程設(shè)計(jì)》，化學(xué)工業(yè)出版社，2001年。14.PerryRobertH,GreenDonW,MaloneyJamesO.Perry’sChemicalEngineers’Handbook.7thed.NewYork:McGraw-Hill(1997)15.RichardsonJF&PeacockDG.ChemicalEngineering,Vol.3,3rded.,北京：世界圖書出版公司(2000)16. “CRCHandbookofChemistryandPhysics:aready-referencebookofchemicalandphysicaldata,84thed.”,Editor-in-Chief:DavidR.Lid,BocaRaton:CRCPress,2003,醫(yī)科館:06-64/517C(84)17. Or“CRCHandbookofChemistryandPhysics:aready-referencebookofchemicalandphysicaldata,82thed.”,Editor-in-Chief:DavidR.Lid,BocaRaton:CRCPress,2001,理科館:06-64/517C(82)18. Dean,J.A.Lange’shandbookofchemistry15th.McGRAW-Hill,1999.19. Reible,D.D.,FundamentalsofEnvironmentalEngineering,Springer,October4,2001,ISBN-10:3540647465,ISBN-13:978-3540647461.20.Himmelblau,D.M.andRiggs,J.B.,BasicPrinciplesandCalculationsinChemicalEngineering(7thEdition),Pr