第一章 绪论
1.1 概述
工业、农业和服务业的发展以及人口、经济、城镇化的快速增长导致大量污染物的产生。目前整个地球环境已经不可能仅仅依靠自净能力实现污染的控制和环境保护的平衡，因此需要环境工程师通过建立污水、污染气体、废物等的收集、处理、排放等环境工程设施来控制污染，保护环境。而这些环境工程设施的设计、建造、运行过程中涉及大量的其他学科的基础知识，如流体力学、化工原理、反应动力学及反应器等。这构成了环境工程基础和原理的主要内容，是进一步学习环境工程，掌握水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废弃物治理工程和生态修复工程的基础。
1.2 质量衡算与热力学第一定律
依据物质不灭定律建立的质量衡算和根据热力学第一定律建立的能量守恒计算，是环境工程基础课程中分析、解决问题的基本原则、方法和基础。
1） 质量衡算
质量衡算首先需要确定衡算的范围。根据情况，既可以选整体，也可以是其中的一部分作为一个界定的质量衡算系统。根据质量衡算的依据——质量守恒定律，单位时间内输入系统的物料总量等于单位时间内系统输出的物料总量、系统中积累的物料总量以及系统中反应的物料总量三者之和。其数学表达式为∑qm进＝∑qm出+∑qm积累+∑qm反应（1-1）式中，∑qm进——单位时间内输入系统物料总量，kg/s；
∑qm出——单位时间内输出系统物料总量，kg/s；
∑qm积累——单位时间内系统中积累的物料总量，kg/s；
∑qm反应——单位时间内系统反应的物料总量，kg/s。
式中衡算的物料，既可以是某物质的量（如质量、体积、摩尔、化学需氧量、生化需氧量等），也可以是元素的量（如硫、氧、碳等）。
【例1-1】某大型城市污水处理厂采用混凝沉淀离心脱水工艺处理合流制污水中的悬浮物（SS）等，图1-1为其处理流程示意图。处理污水流量为2.10×106m3/d，混凝沉淀池进出水中的SS浓度分别为240mg/L和15mg/L。经混凝沉淀后的污泥（含水率为95%）进入污泥离心单元后通过高速离心机脱水，脱水后污泥含水率为65%，分离液含固率为0.8%，分离液回到混凝沉淀池前进行处理。假设系统处于稳定状态，过程中没有生物作用，混凝剂的加入量可以忽略。求整个系统的排水量和污泥体积，以及混凝沉淀池的排泥体积和离心机分离液的回流体积。假设污水和污泥的密度均为1000kg/m3。
图1-1 混凝沉淀—离心脱水工艺示意图
已知： qV0＝2.10×106m3/d， c0＝240mg/L＝0.24kg/m3， c2＝15mg/L＝0.015kg/m3，污泥含水率为污泥中水和污泥总量的质量比，因此污泥中悬浮物含量为
污水含固率为污水中污泥和污水的质量比，因此污水中悬浮物含量为
求： qV3， qV2， qV1， qV4。
解：
（1） 以系统I（包括混凝沉淀池和污泥离心脱水单元）为衡算对象
输出速率出
可得以下衡算方程
代入数据得
解得
（2） 以系统Ⅱ（污泥离心脱水单元）为衡算对象，同理可得
输入速率qm入＝c1qV1
输出速率qm出＝c3qV3+c4qV4
同理，可得
代入数据得
解得：
答： 整个系统的排水量和污泥体积分别为2.10×106m3/d、1.35×103m3/d；混凝沉淀池的排泥体积为1.10×104m3/d，离心机分离液的回流体积为9.64×103m3/d。
2） 能量守恒定律与热力学第一定律
能量可以多种形式存在，且可相互转换，但遵循能量守恒定律。即一个系统的所有能量的总和是不变的，能量只能从一种形式变化为另一种形式，或从系统内一个物体传给另一个物体。根据热力学第一定律，对任何一个系统，外界对它传递的热量为Q，系统从内能为En1的初始状态改变到内能为En2的*终状态，同时系统对外做功为W，那么，不论过程如何，总有
Q＝En2-En1+W（12）其中，Q——系统从外界吸收的热量总和，反之为负，J；
En1——系统初始状态的总内能，J；
En2——系统*终状态的总内能，J；
W——系统对外做功，反之为负，J。
对微小的状态变化过程，式（1-2）可写成： dQ＝dEn+dW应用热力学第一定律，同样需要界定系统范围及选择基准。
【例1-2】如图1-2所示，该连续反应池内有120m3的混合污泥，温度为10℃，进行中温厌氧消化，需将其加热到33℃。采用外循环加热，使污泥以8m3/h的流量通过换热器，换热器用水蒸气加热。其出口温度恒定为100℃。假设罐内污泥混合均匀，图1-2污泥加热系统
污泥的密度为1100kg/m3，不考虑池的散热以及污泥循环过程中的能量损失等，问污泥加热到所需温度需要多少时间？
已知： V＝120m3， qV＝8m3/h， T1＝10℃， T2＝33℃， T3＝100℃。由于池中污泥混合均匀，则任意时刻从池中排出的污泥温度与池中相同，设为T。
求： 污泥加热到所需温度需要的时间。
解： 以污泥池为衡算系统，以0℃的污泥为温度物态基准。
在dτ时间内：
输入系统的焓
输出系统的焓
系统内积累的焓
由可得，所以
边界条件：
答：污泥加热到所需温度需要4.43 h。
1.3 平衡与速率
平衡与速率是分析任何单元操作过程的两个基本方面。
平衡是说明过程进行的方向和所能达到的极限。如过程已达到平衡，则过程不再进行。环境工程反应设备中通常进行的是从一远离平衡的不平衡状态到达另一个靠近平衡的不平衡状态。例如，一个容器中倒入温度不相同的液体，只要空间上任何两处温度不同，即温度不平衡，热量就会从高温处向低温处传递，直到各处温度相同为止，此时过程达到平衡。又如测定化学需氧量（COD）装置中的冷凝管，气相中的温度高于液相，即温度不平衡，热量就会从高温的气相向低温的液相转移，出口处气液两相的温差一定小于入口处，即从一个远离平衡的不平衡状态（入口处，温差大）到另一个靠近平衡（温差为零）的不平衡状态（出口处，温差小）。
过程的速率是指过程进行的快慢，是判断一个过程由不平衡向平衡移动的快慢依据。如果一个过程以非常慢的速率进行，那么过程所需的设备将极为庞大，在实际工程中难以应用。
一个过程的速率与过程的推动力成正比，而与过程的阻力成反比，表达式为过程的速率＝过程的推动力过程阻力＝过程系数×过程推动力（13）推动力的性质决定于过程的内容，如传热过程的推动力是温度差；气体吸收过程的推动力是浓度差或压力差。阻力是各种因素对过程速率影响总的体现。过程系数为过程阻力的倒数。
1.4 物理量的单位和单位制
物理量单位分为基本单位和导出单位。基本单位是几个独立基本的物理量单位。国际单位制（SI）中常用的基本物理量及对应的基本单位有七种（详见表1-1），它们是长度（米）、质量（千克）、时间（秒）、电流（安）、热力学温度（开）、发光强度（坎）和物质的量（摩尔）。基本物理量以外的其他物理量，均可以根据物理量的定义和物理量之间的规律，从基本物理量导出，称为导出物理量，它们的单位称为导出单位。如物体的长度单位是m，物质的体积单位是m3。此外，还有一些具有专有名称的导出单位，如功率单位为W，它与基本单位的关系： 1W=1kg m2/s3。再如力单位为N，1N＝1kg m/s2。表1-2中为环境工程中常用的一些国际单位制导出单位。
表1-1 SI物理量基本单位
表1-2 环境工程中常用的一些国际单位制(SI)物理导出单位
除目前广泛采用的国际单位制以外，由于历史、地域、学科等原因形成了不同的单位制，主要有两类： 绝对单位制和工程单位制。这两类单位制又有英制和公制之分。绝对单位制和工程单位制的主要区别在于绝对单位制以质量为基本物理量，其单位（kg）为基本单位，力的单位（kg m/s2）为导出单位；而工程单位制以力为基本物理量，其单位（kgf）为基本单位，质量的单位（kgf s2/m）为导出单位。力和质量的关系为Fy＝maj（14)式中，Fy——作用于物体上的力；
m——物体的质量；
aj——物体在作用力方向上的加速度。
表1-3表示了公制的绝对单位制、工程单位制、国际单位制（SI）它们物理量关系。同一物理量在不同单位制中的数值可以不同，却“等效”。“换算因子”即为同一物理量用不同单位制度量的数值比值。如国际单位SI制中1J（或1kg m2/s2）的能量为工程单位制的0.102kgf m，其换算因子即为0.102。环境工程中各种单位制的单位间的换算因子可以在本书附录1中查得。
表1-3不同单位制下相同物理量关系
【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： 查附录2可知1kgf＝9.807N，可得
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