一講環(huán)境科學與工程方法論

第一講環(huán)境科學與工程方法論潘濤研究員北京市環(huán)境保護科學研究院

本課程通過對北京市環(huán)科院近年來在水、氣、固廢、土壤等多個環(huán)境領域科研成果的介紹，向同學們講解環(huán)境科學與工程學科的基本方法，由于時間所限，對于具體技術不做過多展開，主要目的是幫助同學們掌握解決環(huán)境問題的思路，拓寬認識環(huán)境問題的視野。

課程介紹課程內容及考核方式（1）環(huán)境科學與工程方法論（2）北方缺水型城市景觀水體生態(tài)修復（3）河流氨氮污染機理與控制策略（4）加油站滲漏污染地下水的監(jiān)測技術（5）VOCs排放清單（6）揚塵污染控制原理與技術課程內容（7）油汽儲、運、銷過程中VOCs污染控制（8）固體廢棄物處置技術與管理政策（9）污染場地風險管理技術（10）生態(tài)學理論與實踐（11）環(huán)境風險評價與管理（12）課程論文討論教學學時：十二次課。

考核成績:

滿分100分；兩次課后作業(yè)，每次25分

課程論文，50分。作業(yè)發(fā)至電子郵箱edward8848@163.com，要求最后一次課之前交齊。成績考核課程論文選題方向：廢水中持久性有機物控制技術河流生態(tài)健康評價研究畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢物資源化及防治大氣中氨污染物排放清單研究城市大氣中細粒子的污染防治機動車廢氣控制城市污水廠污泥無害化消納農業(yè)非點源污染的危害及治理對策垃圾滲濾的控制及治理技術城市面源污染負荷估算方法課程論文要求課程論文要求：每人一個論文選題方向，論文題目自擬；根據(jù)選題方向撰寫一篇論文，并制作10分鐘PPT，課堂匯報論文內容，參考文獻中不得少于5篇2008年后發(fā)表的英文文獻。課程論文要求《環(huán)境科學與工程原理》，[美]MackenzieL.Davis&SusanJ.Masten著，清華大學出版社《環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展》，錢易、唐孝炎主編，高等教育出版社《環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展導論（第二版）》，馬光編著，科學出版社本節(jié)參考書目環(huán)境科學與工程的方法論發(fā)現(xiàn)問題環(huán)境調查科學研究解決方案管理手段工程手段制定標準制定法規(guī)排污收費清潔生產(chǎn)設計方案、小試、中試滿足環(huán)境自凈能力經(jīng)濟能力約束科技能力約束污染途徑分析微觀過程分析分析問題思路環(huán)境科研的內涵問題的本質——環(huán)境發(fā)生改變的物理、化學、生物過程模擬實驗各種因素變化對結果的影響、確定關鍵因素、建立數(shù)學表達指導方案選擇、政策制定工程設計依據(jù)環(huán)境工程的內涵環(huán)境科學與工程的發(fā)展歷史環(huán)境科學研究的環(huán)境，是以人類為主體的外部世界，即人類賴以生存和發(fā)展的物質條件的綜合體。

——《中國大百科全書》本法所稱環(huán)境，是指影響人類社會生存和發(fā)展的各種天然的和經(jīng)過人工改造的自然因素總體，大氣、水、土地、礦藏、森林、草原、野生動物、野生植物、水生生物、名勝古跡、風景旅游區(qū)、溫泉、療養(yǎng)區(qū)、自然保護區(qū)、生活居住區(qū)等?！吨腥A人民共和國環(huán)境保護法》第二條什么是環(huán)境環(huán)境保護工作與人類文明史一樣悠久。歷史回顧古羅馬時期的排水管渠云南麗江納西族使用的“三眼井”環(huán)境保護大事記公元前5000年

中國西安半坡遺址發(fā)掘證實，當時燒制陶器的柴窯已按熱煙上升原理用煙囪排煙。公元前3000年

古代印度青銅熔煉爐使用高煙囪排煙。97年

《羅馬水道論》記述了羅馬的上下水道、處理水的自然沉淀池和沉沙井。1世紀

埃及用沙濾法凈水。1559年

德國土地灌溉法處理城市污水。1661年

英國出版《驅逐煙氣》，闡述了倫敦煙塵污染及其治理方面的見解。公元1668年

英國發(fā)表《消煙機械》，論述了消煙除塵的裝置和原理。18世紀西方工業(yè)革命開始。1809年

英國石灰乳脫除工業(yè)廢氣中的H2S。環(huán)境保護大事記1819年

英國議會召開第一次煙塵控制委員會會議，討論減少蒸汽機車和燃煤爐排放煙問題。1822年

德國利用礦渣制造礦渣水泥。1850年

英國用漂白粉消毒飲用水。1852年

美國建立木炭過濾的飲用水廠。1860年

法國莫拉斯建成消化池，厭氧消化法處理污水。1872年英國史密斯在工業(yè)城市發(fā)現(xiàn)酸雨。1874年

英國建造了垃圾焚燒爐。1885年

美國莫斯發(fā)明離心除塵器。1906年

美國科特雷爾制成靜電除塵器。1906年

德國化學家甘斯用粘土、砂子、蘇打制成人造離子交換劑，并用于水處理。環(huán)境保護大事記1914年

英國阿登和洛基特發(fā)表用活性污泥法處理污水的論文《不用生物濾池的污水氧化實驗》。1920年

美國建成用堿液從煙氣脫硫裝置。1923年

上海建成污水處理廠。1958年美國在夏威夷開始精確測量二氧化碳濃度，為研究溫室氣體問題提供科學依據(jù)。1962年

中國馬大猷教授等創(chuàng)建卦限消聲室。1962年美國卡爾遜出版《寂靜的春天》，警示化學污染帶來的災害。1966年

美國加州建成南塔霍湖廢水三級處理廠。1972年羅馬俱樂部《增長的極限》，提出2100年地球環(huán)境將面臨“崩潰”，對工業(yè)化發(fā)展模式發(fā)出警告。環(huán)境保護大事記1972年聯(lián)合國人類環(huán)境會議在斯德哥爾摩召開，來自世界113個國家和地區(qū)的代表，共同商討人類環(huán)境問題，是人類第一次將環(huán)境問題納入世界各國政府和國際政治的事務議程。1974年美國羅蘭特提出氟利昂破壞臭氧問題。1976年

中國馬大猷教授等研制成小孔消聲器。1985年英國發(fā)現(xiàn)南極上空臭氧空洞。1992年巴西世界183個國家代表團和70個國際組織出席，102位國家元首講話，通過《里約環(huán)境與發(fā)展宣言》、《21世紀議程》兩個綱領性文件，各國簽署了《氣候變化框架公約》。環(huán)境工程學科起源于水的凈化。1854年，倫敦霍亂流行，一名叫約翰.斯諾的醫(yī)生發(fā)現(xiàn)霍亂是由不潔凈飲用水引發(fā)的。同時期，英國的威廉巴德醫(yī)生也發(fā)現(xiàn)了傷寒、霍亂等疾病與不潔凈飲用水源有關系。公眾對水質凈化的要求促進了“衛(wèi)生工程”的興起。隨著工業(yè)文明的發(fā)展，各種大氣污染事件、土壤污染事件不斷出現(xiàn)，環(huán)境工程的領域得到拓展，不僅包括凈化水，還包括空氣污染、固體廢物管理以及環(huán)境保護的其他方面。環(huán)境工程的發(fā)展環(huán)境科學是20世紀70年代中期才逐漸形成的一門學科，有人認為環(huán)境科學起源于蕾切爾·卡遜（RachelCarson）的《寂靜的春天》（SilentSpring）一書。之后逐漸形成環(huán)境化學、環(huán)境生物等分支學科。環(huán)境科學的發(fā)展科學研究和工程實踐是相輔相成的關系。西方有句古語：科學家發(fā)現(xiàn)事物，工程師使它們有用（Scientistsdiscoverthings.Engineersmakethemwork.）。李政道教授1987年曾對物理學科的概括了兩條定律：第一定律：沒有實驗家，理論家趨于浮泛；第二定律：沒有理論家，實驗家趨于搖擺。這兩條也適用于解釋環(huán)境科學與工程的關系。環(huán)境科學與環(huán)境工程主要的環(huán)境問題環(huán)境問題是伴隨著人類經(jīng)濟和社會發(fā)展活動而產(chǎn)生的，特別是與城市化、工業(yè)化和農業(yè)集約化有著十分密切的關系。當人類使用火，開始農業(yè)耕種，人類對自然施加的影響便開始了，所以“環(huán)境問題”是起源于史前時期的。工業(yè)革命以來，人類干預和改造自然的能力超越了以往任何時期，向環(huán)境排放污染物的急劇增加和開采資源對生態(tài)系統(tǒng)的嚴重破壞，導致地球環(huán)境狀況不斷惡化。環(huán)境問題由自然力引起的原生環(huán)境問題稱為“第一環(huán)境問題”。由人類活動引起的次生環(huán)境問題稱為“第二環(huán)境問題”。第二類環(huán)境問題又可分為：（1）環(huán)境污染（2）生態(tài)破壞環(huán)境問題環(huán)境污染是指有害物質或因子進入環(huán)境，在環(huán)境中擴散、遷移、轉化，超過了環(huán)境容量和環(huán)境自凈能力，使環(huán)境系統(tǒng)的結構和功能發(fā)生變化，對人類及其它生物的生存和發(fā)展產(chǎn)生不利影響的現(xiàn)象。如大氣、水體和土壤等的污染。環(huán)境問題

生態(tài)破壞是指人類開發(fā)利用自然環(huán)境和自然資源的活動超過了環(huán)境的自我調節(jié)能力，使環(huán)境質量惡化或自然資源枯竭，影響和破壞了生物正常的發(fā)展和演化以及可更新自然資源的持續(xù)利用。如水土流失、土地沙漠化、鹽漬化及生物多樣性的銳減等。環(huán)境問題水污染大氣污染土壤污染固體廢棄物噪聲污染全球主要的環(huán)境問題全球變暖臭氧層破壞生物多樣性銳減荒漠化水土流失水污染是指水體因某種物質的介入而導致其物理、化學、生物或者放射性等方面特性的改變，從而影響水的有效利用，危害人體健康或破壞生態(tài)環(huán)境，造成水質惡化的現(xiàn)象。水污染（1）什么是水污染水污染懸浮物耗氧有機物植物性營養(yǎng)物重金屬酸堿污染石油類難降解有機物放射性物質熱污染病原體（2）水污染物種類水污染水俁病事件1953－1956年，日本熊本縣水俁鎮(zhèn)一家氮肥公司排放含汞廢水，無機汞在海水中轉化甲基汞，被魚、貝類攝入，并在魚體內富集，當?shù)鼐用袷秤煤谆聂~而中毒，截止1972年有180人患病，50多人死亡。（3）水污染事件水污染骨痛病事件

1955－1972年，日本富山縣的一些鉛鋅礦在采礦和冶煉中排放含鎘廢水。當?shù)厥褂帽晃廴镜暮铀喔鹊久?，米中富集鎘。鎘能夠置換骨骼中的鈣，人長期食用這樣的“鎘米”，導致患者出現(xiàn)了骨骼嚴重畸形、劇痛，身長縮短，骨脆易折等病癥。截止1968年5月，確診258例，死亡128例。（3）水污染事件大氣污染是指進人大氣層的污染物的濃度超過環(huán)境所能允許的極限，改變正常大氣的組成，破壞其物理、化學和生態(tài)平衡體系，使大氣質量惡化，從而危害人類生活、生產(chǎn)、健康，損害自然資源，給正常的工農業(yè)帶來不良后果的大氣狀況。大氣污染氣溶膠狀態(tài)：粉塵、煙、霧（1）什么是大氣污染大氣污染（2）幾種主要的大氣污染物顆粒物質：是指除氣體之外的包含于大氣中的物質，包括各種固體、液體和氣溶膠。常用TSP、PM10、PM2.5表示。硫化物：常以二氧化硫和硫化氫的形態(tài)進入大氣。大氣中的硫約2/3來自天然源，人為源主要來自煤和石油的燃燒。氮氧化物：包括一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮、三氧化二氮、四氧化二氮、五氧化二氮。人為活動排放的氮氧化物主要來自石油燃燒和生產(chǎn)、使用硝酸的過程。碳氧化物：主要是一氧化碳和二氧化碳，主要是含碳物質的不完全燃燒。碳氫化合物：碳氫化合物石油烷烴、烯烴和芳烴等復雜多樣的物質組成。大部分來源于植物的分解，人類排放的量雖然小，卻非常重要，是光化學煙霧的主要成分，主要來源于石油燃料的不充分燃燒和石油類的蒸發(fā)過程。從污染源排入大氣中的污染物質，在與空氣混合過程中會發(fā)生種種物理、化學變化，依其形成過程的不同，可以分成一次污染物和二次污染物。大氣污染類別一次污染物二次污染物人為源含硫化合物SO2、HS2SO3、H2SO4、硫酸鹽燃燒含硫的燃料含氮化合物NO、NH3NO2、硝酸鹽在高溫時N2與O2的化合含碳化合物C1-C12化合物醛類、酮類、酸類燃料燃燒，精煉石油，使用溶劑碳的氧化物CO、CO2無燃燒鹵素化合物HF、HCl無冶金作業(yè)（3）一次污染物和二次污染物煤煙型污染酸雨光化學煙霧大氣污染（4）大氣污染類型歷史上著名的煤煙型污染事件1930年.比利時.馬斯河谷事件1948年.美國.多諾拉煙霧事件1952年.英國.倫敦煙霧事件1961年.日本.四日哮喘病事件大氣污染（a）煤煙型污染“酸雨”學名“酸沉降”。酸沉降是指大氣中的酸性物質通過降水（如雨、霧、雪）等遷移到地表，或在含酸氣團氣流的作用下直接遷移到地表。前者是濕沉降，后者即是干沉降。大氣污染（b）酸雨大氣污染（b）酸雨大氣污染（b）酸雨（b）酸雨大氣污染光化學煙霧是在一定條件下（如強光、低風速和低濕度等），大氣中的碳氫化合物（CH）和氮氧化物（NOx）等一次污染物發(fā)生化學反應，生成臭氧（O3）、醛、酮、酸、過氧乙酰硝酸酯（PAN）等二次污染物，參與光化學反應過程的一次污染物和二次污染物的混合物所形成的高氧化性混合氣團。大氣污染（c）光化學煙霧大氣污染歷史上著名的光化學污染事件1943年.美國.洛杉磯光化學煙霧事件1970年.美國.加利福尼亞州光化學煙霧事件1971年.日本.東京光化學煙霧事件1997年.智利.圣地亞哥光化學煙霧事件機動車尾氣是光化學煙霧的主要污染源（c）光化學煙霧土壤污染是指人類活動所產(chǎn)生的污染物質通過各種途徑進入土壤，其數(shù)量超過了土壤的容納和同化能力，而使土壤的性質、組成及性狀等發(fā)生變化，并導致土壤的自然功能失調，土壤質量惡化的現(xiàn)象。土壤污染危害途徑：

土壤→植物→人體

土壤→水→人體土壤→空氣→人體土壤污染（1）什么是土壤污染土壤中主要污染物：有機污染物重金屬放射性元素病原體微生物土壤污染污染來源：廢水和固體廢棄物農藥和化肥牲畜排泄物和生物殘體大氣沉降物（2）土壤污染物種類固體廢棄物是指在社會的生產(chǎn)、流通、消費等一系列活動中產(chǎn)生的，在一定時間和地點無法利用而被丟棄的污染環(huán)境的固體、半固體廢棄物質。具有較大危害，不能排放的而置于容器的液體、氣體廢棄物也屬于固體廢棄物管理范疇。固體廢棄物城市固體廢物工業(yè)固體廢物危險廢物（1）固體廢棄物定義污染大氣污染水體污染土壤占用大量土地資源影響環(huán)境衛(wèi)生和景觀固體廢棄物（2）固體廢棄物危害噪聲的來源交通噪聲工業(yè)噪聲建筑施工噪聲社會生活噪聲噪聲污染凡是不需要的，使人厭煩并干擾人的正常生活、工作和休息的聲音統(tǒng)稱為噪聲。（1）噪聲定義噪聲污染聲級在30~40dB是比較安靜的環(huán)境，超過50dB就會影響睡眠和休息，70dB以上干擾人們談話，長期在90dB以上的噪聲環(huán)境中工作和生活，會嚴重影響聽力和導致其他疾病的發(fā)生。噪聲污染特點：

影響范圍有限

不會在環(huán)境中積累

噪聲源停止發(fā)聲后，噪聲污染立即消失

（2）噪聲危害及特點噪聲污染（2）噪聲危害及特點1961年，美國空軍F-104噴氣戰(zhàn)斗機在俄克拉馬荷馬市上空作超音速飛行實驗，飛行高度為10km，每天飛行8次，6個月內使一個農場的1萬只雞被飛機的轟響聲殺死6000只。2011年北京市城區(qū)道路噪聲現(xiàn)狀圖全球變暖（1）全球變暖的趨勢

海平面上升：淹沒部分島嶼及沿海城市陸地。研究表明，過去的100年里，全球平均氣溫上升了0.2~0.5℃，全球海平面上升了10~25cm，全球陸地降雨量增加了1%。

影響農業(yè)生產(chǎn)：包括增加作物病蟲害、影響作物生長、導致浴場變化、影響畜牧繁殖能力。全球變暖（2）全球變暖的危害二氧化碳（CO2）甲烷（CH４）一氧化二氮（N2O）臭氧（O３）氟氯碳化合物（CFCs）二氧化碳占溫室氣體的83%。全球變暖（3）引起全球變暖的物質全球變暖（4）阻止全球變暖的技術手段臭氧層位于距地面20~50公里高度的平流層，因為只有當氧分子分解為氧原子時，才能生成臭氧，而只有在這個高度才會出現(xiàn)175~200納米波長的太陽光，具有分解氧原子的能力。

臭氧的活性也很高，波長為250~310納米的太陽光又可以將其分解，所以臭氧實際上在20~50公里的上空不斷生成、分解，從而達到化學平衡。臭氧層破壞（1）什么是臭氧層氟利昂，幾種氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的總稱。（2）破壞臭氧層元兇-氟利昂臭氧層破壞氟利昂在大氣中的平均壽命達數(shù)百年，在對流層時，氟利昂相對穩(wěn)定；在上升進入平流層后，在一定的氣象條件下，氟利昂會在強烈紫外線的作用下被分解，解釋放出的氯原子同臭氧會發(fā)生連鎖反應，不斷破壞臭氧分子。在反應中氟里昂分子起到催化劑的作用。（2）破壞臭氧層元兇-氟利昂臭氧層破壞平流層超音速飛機排放的大量氮氧化物也是消耗臭氧的主要元兇。據(jù)估計，一架美制波音707型飛機的氮氧化物年排放量可達3600噸，一架英法合制的協(xié)和式飛機的氮氧化排放量可達1000噸。氮氧化物起到催化作用。（2）破壞臭氧層元兇-氮氧化物臭氧層破壞1984年，英國科學家首先發(fā)現(xiàn)南極上空存在“臭氧空洞”。臭氧層被大量損耗后，吸收紫外線輻射的能力大大減弱，導致到達地球表面的紫外線明顯增加，給人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來多方面的危害。據(jù)分析，平流層臭氧減少1%，全球白內障的發(fā)病率將增加0.6~0.8%，即意味著因此引起失明的人數(shù)將增加1萬到1.5萬人。臭氧層破壞（3）臭氧層破壞的危害土壤及其他地表組成物質在水力、風力、凍融、重力和人為活動等作用下，被破壞、剝蝕、轉運和沉積的過程。中國水土流失強度分為：

微度、輕度、

中度、強度、

極強度、劇烈

等六級。水土流失（1）什么是水土流失除了降雨、地形、植被覆蓋度等自然原因外，以下人為因素加劇了水土流失情況：開礦過渡開墾、坡地耕作植被的破壞水土流失（2）水土流失的成因礦山開采坡耕地在自然力作用下