环境工程化学总结版

第一章 绪 论 第一节 环境问题

一、人类活动和环境问题

环境问题主要是指在全球环境或区域环境中出现的不利于人类生存与发展的各种现象。它是当前世界上人类面临的几个重要问题之一。 （1）人与环境的关系

a. 人类与环境是一体的 环境是人类生存和发展的物质基础，人体组织的组成元素及其含量在一定程度上同地壳的元素及丰度之间具有相关的关系。

b. 人类是环境的产物，又是环境的改造者 人类是从环境中产生，同时又通过生产与生活活动，从自然界获取物质资源，然后将经过改造和使用的资源和各种废弃物返还自然界，从而参与自然界的各种物质循环和能量流动过程，不断地改变自然环境。

c. 环境问题的产生源于人类与自然本身 人类在改造环境以适应于本身生存的过程中，由于人类认识能力和科学技术水平的限制，往往会产生意料不到的后果，造成环境污料与破坏；另一方面，自然环境也以自已的规律运动着并不断对人类产生反作用，相互间不能很好协调，也会产生环境问题。

（2）环境问题的形成

环境问题的形成是多方面的，但目前所指环境问题并非只限于环境污染，主要是人类利用环境不当和在人类发展中与环境不相协调所致。它大致可分为两类：原生环境问题和次生环境问题。 A、由自然力引起的为原生环境问题，也是第一环境问题，如火山喷发、地震、洪涝、干旱、滑坡等引起的环境问题。 B、由于人类的生产和生活活动所引起的生态系统破坏和环境污染，反过来又危及人类自身的生存和发展的现象，为次生环境问题，也是第二环境问题。次生巩固境问题包括生态破坏、环境污染和资源浪费等方面，目前所指的环境问题一般是指次生环境问题。 （3）环境系统与的环境因素

环境系统 地球表面各种环境因素及其相互关系的总称为环境系统。它实际上是一个不割的整体，但通常把地球环境系统分为大气圈、水圈、土壤圈（或土壤-岩石圈）与生物圈。人类的活动实质上在大气圈、水圈、土壤圈三圈交会处的生物圈中存在。

特点 a .物质与能量进行着永恒的能量流动和交换 b. 各种生命元素如N、C 、S、P、O、Ca、Mg、K等在地表环境中不断循环，并保持相对稳定的浓度 c. 环境系统是一个开放系统，但能量的收入和支出保持平衡，因而地球表面温度相对恒定 d.具有自我调节能力，维持组成各环境系统的各环境因素相对的稳定性，所有这些都是生物圈各生命发展与的繁衍不可少的条件。 环境因素 包括非生物的和生物的。

非生物因素 有温度、光、大气、土壤、岩石以及其它如重力、压力、声音和火等。 生物因素 是指各种有机体，它们彼此作用，并同非生物环境密切联系着。

从地球各圈层的质量分布表可看出，岩石-土壤圈质量最大，占据了绝大部分的地球质量，但是与人类生活直接相关的部分不多，因此岩石-土壤圈的研究也最少。水圈的质量较多，但同样的与人类生活密切相关的部分主要是河流、湖泊、地下水中可用的淡部分，在环境工程化学中工作研究得最多.大气的质量相对很少，但是与人类的生存息息相关，只是由于研究手段的原因，在20世纪半叶才开始多方面展开。 (5)环境因素与环境系统间的关系

A.环境因素的变化，影响区域环境变化，整个环境系统的变化归根结底是区域环境变化的积累，全球性变化稳定以后，形成新的环境系统，对局部系统产生控制性影响。例如对森林的滥砍滥伐，造成绿地面积日益缩小，对全球环境因素（物质循环（CO2、H2O为主）和能量循环（直接的是对太阳和地球辐射的吸收和反射的变化，间接的是物质循环过程中携带的化学能、热能等）造成影响，进而影响全球气候和生态平衡，从而建立新的环境系统。

B.环境系统具有一定调节能力，在一定程度上可以对外界的干扰因素进行补偿和缓冲，从而维持环境系统的相对稳定性。

C.环境系统各影响因素的作用相差很大，在一定条件下，某个关键因素发生很小的变化，可能触发内在的反馈机制，引起一系列链式反应，对整个环境系统造成无法挽救的严重后果。 D.环境因素对环境的作用机制复杂. 至今为止，人类还未完全了解环境系统中许多错综复杂的机制，还未能建立精确的模式来揭示环境因素间微妙的平衡关系，有些影响，因科学和人类认知的局限，也只有在不断实践中逐渐认识。

F.生产力的提高，人类对环境的破坏能力逐步增强，对自然界的索求也逐渐增加，对环境的负面影响也越来越大。

二、当前主要面临的环境问题

（1）当前人类活动所引起的全球性环境影响主要有下列几个方面：

A.天然生态系统的逐渐消失，野生物种大量灭绝，生态系统简化。农业生态系统的高速发展，少数几种作物代替多样化植被。人类愈来愈借助化肥与农药来维持农业生态系统的稳定，给生态系统带来了严重的后果. B. 城市化进程加剧，农耕用地面积逐渐缩小，环境背景被破坏，全球环境污染问题日益严重。C. 土地利用不合理，土壤侵蚀严重，土壤肥力下降，荒漠化成为全球性问题。D.矿物燃料的燃烧和森林的减少，使大气层中CO2含量正在增长，伴随着热带雨林面积的减少，全球气候将有重大变化。E.人类对地壳内部金属矿产的开发、利用和弃置，最终将造成这些金属元素在地表环境中浓度的增高。重金属元素如Hg、Cd、Pb等，毒性重，它们通过食物链危害生态系统。这些改变多数是不可逆的，如野生动物的灭绝和地表重金属元素浓度的增加；有的则需要较长时间才能恢复，如植被、土壤与大气。生态破坏是指人类活动直接作用于自然生态系统，造成生态系统的生产力显著减少和结构显著改变，从而引起环境问题。 （2）当前主要面临的环境问题

a. 人口问题 人口急剧增长是当前环境的首要问题，特别是一些经济不发达国家的人口过度增长，影响了整个国家的经济发展、社会安定和人民生活水平的提高，给人类生活带来许多问题。如生态环境问题、劳动就业问题、青少年犯罪问题和老龄问题。

b.资源问题 主要是指由于人口增长和经济发展，对资源的过量开采和不合理开发利用而产生的影响资源质量的一系列问题。同人口问题一样，资源问题说到底也是发展问题。人类社会发展到今天，人口剧增、资源短缺、环境恶化以及生态危机等一系列的世界性问题，已经直接威胁到我们和子孙后代的生存。

c. 生态破坏 生态破坏是指人类不合理地开发、利用造成森林、草原等自然生态环境遭到破坏，从而使人类、动物、植物的生存条件发生恶化的现象。如：水土流失、土地荒漠化、土壤盐碱化、生物多样性减少等等。

d. 环境污染 环境污染是指人类直接或间接地向环境排放超过其自净能力的物质或能量，从而使环境的质量降低，对人类的生存与发展、生态系统和财产造成不利影响的现象。具体包括：水污染在增加，、大气污染、噪声污染、放射性污染等。随着科学技术水平的发展和人民生活水平的提高，环境污染也特别是在发展中国家。 环境污染问题越来越成为世界各个国家的共同课题之一。

三、环境污染物的环境效应

自然过程或人类的生产活动会对环境造成污染和破坏，从而导致环境系统的结构和功能发生变化，谓之环境效应。 可分为：

环境物理效应：是物理作用引起的环境效果，如噪声、振动、地面下沉、热岛效应与温室效应等。

例子：噪声与振动：主要是由工矿企业的机器和交通道路的车辆造成的。噪声与振动不仅会干扰人的思维活动和工作休息，而且还对人体健康有很大的危害。地面下沉：地处平原的大城市，由于过量开采地下水，就会引起地面下沉。热岛效应与温室效应：城市和工业区因燃料的燃烧，放出大量的热量，加上建筑群和街道的辐射热量，致使城市的气温高于周围地带，产生热岛效应。大气中二氧化碳量不断增加，产生所谓温室效应。另外，工业烟尘和风沙的增加，引起大气混浊度增大和能见度降低，进而和二氧化碳一起影响城区辐射的平衡。大气中颗粒物的大量

存在增加了云雾的凝结核，致使城市降水量增加。这些也都是环境物理效应。

环境化学效应：在各种环境条件的影响下，物质之间的化学反应所引起的环境效果，如环境的酸化、土壤的盐碱化、地下水硬度的升高、光化学烟雾的发生等等，就是环境化学效应。 例子：环境酸化：主要是酸雨造成的地面水体和土壤的酸度增大。环境酸化会降低土地肥力，使农业和渔业减产。环境盐碱化：是由于大量的可溶性盐、碱类物质在水体和土壤中长期积累，或者受到海水的长期浸渍造成的。地下水硬度升高：这是土壤和第四纪沉积物中的碳酸盐矿物大量可交换的钙、镁离子，在需氧有机物的降解产物──二氧化碳、酸、碱、盐等污染物的酸解作用和盐效应的影响下，一方面促进碳酸盐矿物的溶解，另一方面某些污染物中的各种阳离子（主要是钠离子）与土壤中的钙、镁离子进行交换，从而增加了地下水的硬度。水硬度的升高增加了水处理的人力和物力消耗。光化学烟雾：是大气光化学效应的产物，它会恶化大气环境，直接危害人体健康和生物的生长。除此，填埋在地下的有毒有害废弃物经土壤的渗透传输可使地下水受到污染，甚至引起特殊疾病的流行，也属环境化学效应。

环境生物效应：是指各种环境因素变化而导致生态系统变异产生的后果。环境生物效应的后果时间上有长有短、程度上有重有轻。

例子：现代大型水利工程的建设，切断了鱼、虾、蟹等的回游途径，致使这些水生生物的生长繁殖受到影响，并导致其生活习性发生变化。 工业废水、生活污水及农业污水大量排入江河湖海，改变了水体的物理、化学和生物条件，致使鱼类受害，数量减少，甚至灭绝。 森林的大量砍伐，植被的大规模破坏，既能引起水土流失，降低土壤肥力，引发干旱、风沙等自然灾害，造成农业减产，又能造成鸟类栖息场所缩减，鸟类减少、虫害加剧。而致畸、致癌、致突变物质的污染则可引起染色体突变，机体畸变和癌症发病率上升，这是对人类健康的严重威协。

六、环境污染物的迁移转化过程

A、环境污染物的迁移：是指污染物在环境中发生空间位置的移动及其所引起的污染物的富集、扩散和消失的过程。

B、环境污染物的转化：指污染物在环境中通过物理的、化学的或生物的作用改变其形态或转变为另一种物质的过程。各种污染物转化的过程取决于它们的物理化学性质和所处的环境条件，此转化过程往往与迁移过程随伴进行。

C、迁移方式有物理迁移、化学迁移和生物迁移三种。

物理迁移：就是污染物在环境中的机械运动，如随水流、气流的运动和扩散，在重力作用下的沉降，污染物的蒸发、渗透、凝聚、吸附与放射物的蜕变等过程实现转化。

化学迁移：是指污染物经过化学过程发生的迁移，包括溶解、离解、氧化还原、水解、络合、螯合、化学沉淀、生物降解等化学作用实现转化，化学迁移一般包含有物理迁移。 生物迁移：是指污染物通过有机体的吸收、新陈代谢、生育、死亡等生理过程实现的迁移。 富集：有的污染物（如一些重金属元素、有机氯等稳定的有机化合物）一旦被生物吸收，就很难排出生物体外，这些物质就会在生物体内积累，并通过食物链进一步富集，使得生物体中该污染物的含量达到物理环境的数百倍、数千倍甚至数百万倍，这种现象叫做富集。 污染物的转化可分为物理转化、化学转化和生物转化。

物理转化：包括污染物的相变、渗透、吸附、放射性衰变等。

化学转化：则以光化学反应、氧化还原反应及水解反应和络合反应最为常见。 生物转化：就是代谢反应。

在水体中，污染物可通过溶解态随水流动或通过吸附于悬浮物而传输，悬浮物沉积于水底将污染物带入沉积物中，实现迁移。同时污染物可通过氧化还原、水解、络合、螯合、化学沉淀、生物降解等作用发生转化，包括形态和价态的变化。

下面以水环境污染为例，阐述水体环境化学污染物的迁移转化过程

(1) 扩散迁移 进入水体的污染物，如重金属离子等无机污染物、卤代烃、芳烃、醇、醛、酸、酯、卤代烃芳烃、农药等，在水体中随着平流和对流等而发生扩散迁移。

(2) 颗粒物吸附和迁移 天然水体中常见矿物颗粒为石英、长石、云母及粘土矿物等硅酸

盐矿物。粘土矿物是由其他矿物经化学风化作用而生成，主要为铝或镁的硅酸盐 。

由于颗粒具有巨大的比表面和表面能，在对水体中污染物吸附的同时，吸附了污染物的大小颗粒，因聚集，可能沉积于水底。

(3) 挥发迁移 易挥发的污染物如低分子量的卤代烃、芳烃、醇、醛、酸、酯、卤代烃芳烃，易在在水和空气界面通过挥发，进行污染物的物理迁移过程。

(4) 电离迁移 很多无机物或有机污染物分子如酸、碱等，能在水中发生电离，且电离过程非常快，电离后的离子以水合的形式，在水体中迁移。

(5) 水解 进入水体的过渡金属盐、强碱弱酸盐、弱酸强碱盐等，在水中电离后，其金属离子与水发生水合，引起一系列H+、OH-迁移反应，金属离子以含羟基的形式、阴离子以弱酸的形式迁移。

(6)化学氧化与光化学氧化 水体中的有机污染物，除了发生以上情况的迁移转化外，可能与水体中的氧、自由基、臭氧或其它氧化剂作用，发生氧化反应；也可能在光的作用下，吸收电磁波，发生光氧化，其产物以扩散、吸附等迁移。

(7)生物浓集 水体中的污染也可能被水体中的生物体，作为营养等引入体内，并可能富集贮存在某脏器中。使居中于食物链末端人体的累积浓度比最初环境浓度高出数百倍，对机体构成很大威胁。

(8)有机物发生生物转化 水体中的有机物在微生物作用下，逐步降解分解最终成为CO2与H2O。这个过程，微生物通过有机物的分解获得了细胞自身材料与活动所需能量，同时受有机污染物污染的水体也得到净化。 第三节 环境工程化学

一、环境工程化学的定义

环境工程化学是研究环境化学在环境中的来源、 存在、化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和技术的学科。是一门多学科的综合性交叉学科，是环境化学的一个重要分支，也是环境工程的核心组成部分。 二、环境工程化学的研究内容

环境工程化学的主要任务是研究化学污染物质在大气、水体、土壤等自然环境中的来源、化学特性、迁移转化过程及其控制与治理的化学原理和技术方法。是以环境污染控制化学为重点，包括大气污染控制化学、水污染控制化学和固体废弃物污染控制化学等内容。 第二节 水污染控制工程 一、水的循环与水污染

１水的主要作用与分布 作用：水是一切生命机体的组成物质，也是生命代谢活动所必需的物质，又是人类进行生产活动的重要资源。分布：地球上的水分布在海洋、湖泊、沼泽、河流、冰川、雪山，以及大气、生物体、土壤和地层。水的总量约为1.4×1013 m3，其中96.5%在海洋中，约覆盖地球总面积的70%。陆地上、大气和生物体中的水只占很少一部分。

２水的循环

水的循环分自然循环和社会循环。

? 自然循环：在太阳能和地球表面热能的作用下，通过海洋、湖泊、河流等广大水面以

及土壤表面、植物茎叶的蒸发与蒸腾作用形成水汽，进入大气，凝结为云，在风的作用下，移动至各处。在适当条件下又以雨、雪、雹等形式降落下来。 这些降落下来的水分，在陆地上以地表径流与地下渗流等环节，最后进入海洋。同时一部分又以地面和水面的蒸发以及植物的蒸腾又进入大气圈。 水的这种在水圈，大气圈，岩石圈，生物圈中进行连续运动的过程，称为水的自然循环 ? 社会循环：

是指人类社会为了满足生活和生产的需求，需从各种天然水体中取用大量的水，经人类生活或生产使用后，成为生活污水和生产废水，它们被排放出来，并最终又进入天然水体。这样水在社会中构成的一个局部循环体系就叫做社会循环。

水的自然循环与社会循环之间互相关联、互相影响形成了整个水循环系统。

水污染 ： 水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象。 分自然污染与人为污染。

根据污染杂质的不同，可将水污染分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。 １ 化学性污染 主要有

(1)无机有毒物质，主要是重金属Cd、Sb、Hg、Pb、Ga、As等，放射毒性元素有Po、Tl、Th、U、Pr、Ra等，有潜在影响的物质。 (2)无机污染物，包括酸、碱和一些无机盐类等。 (3)有机化合物和烃类 包括烷烃、不饱和非芳香烃、芳烃、多环芳烃(PAH)、二噁英及卤代物等 (4) 需氧污染物质，主要是生活污水、畜禽废水和一些工业废水中所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪和酚、醇等有机废水 (5) 植物营养物质，主要是生活污水、农田排水和某些工业废水中一定量的氮、磷等植物营养物质。植物营养物质会造成水体富营养化，破坏生态系统。 (6) 油类污染物质，主要来源于炼油厂和石油化工工业、海底石油开采、油轮洗舱以及大气中碳氢化合物的沉降等途径，这些物质会影响水质与水环境，危害水生生物 ２物理性污染

水体的物理性污染是指由物理因素引起的环境污染，如： (1) 不溶性悬浮物污染，主要是影响水体透明度，减弱水生植物光合作用，减速少水中溶解氧； (2) 热污染，主要是热电厂、核电站及各工业过程的冷却水，热污染使水温升高，溶解氧含量降低，危害水生生态系统；(3) 放射性辐射、电磁辐射等。 3 生物性污染

主要是指一些病原微生物、病毒和寄生虫等通过各种途径进入水体造成的污染。生物污染对人类和其它生物的危害很大，防止水体中生物污染是环境工程中得大课题之一。 二、水的自净能力和水环境容量

? 水的自净能力：受污染的水体，经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓度降低，

并恢复到污染前的水平，或建立一个新的平衡，这种现象，称为水的自净能力。 ? 当进入水体污染物的量超过水体的自净能力时，就会造成水体污染。

? 水环境容量：是指在不影响水的正常用途的情况下,水体所能容纳的污染物的最大量

或自身调节净化并保持生态平衡的能力的污染物量。 ? 四、水处理的基本原理和方法

? (1) 给水处理 通过必要的处理工艺，改善天然水源的水质，使之符合饮用水不质标准。

常见的给水处理工艺中包括：

? 1)去除颗粒物：方法有：混凝、沉淀、澄清、气浮、过滤、筛滤（格栅、筛网、微

滤机、滤网滤芯过滤器等）膜分离（微滤、超滤）、沉砂（粗大颗粒的沉淀）、离心分离（旋流沉砂）等

? 2)去除、调整水中溶解（无机）离子、溶解气体等：

? 方法有：石灰软化、离子交换、地下水除铁除锰、氧化还原、化学沉淀、膜分离等

除无机离子等；对微生物污染水源，在消毒工艺前，还要增加臭氧氧化或活性炭吸附等工艺

? (2) 废水处理原则

为了防止污染环境，破坏自然水体，工矿企业废水及城市生活污水排放前必须进行处理。在解决废水问题前需遵从下列原则：

①改革生产工艺，大力推进清洁生产，尽可能在生产过程不用水或少用水，尽量不用或少用易产生污染的原料、设备及生产方法。生产中杜绝有毒有害废水的产生。如以无毒用料或产品取代有毒用料或产品。

②重复利用废水，尽量采用重复用水和环用水系统，使废水排放量减到最少。

③含有剧毒物质废水，如含有一些重金属、放射性物质、高浓度酚、氰等废水应与其他废水分流，以便于处理和回收有用物质。

④一些流量大而污染轻的废水如冷却废水，不宜排入下水道，以免增加城市下水道和污水处理

厂的负荷。这类废水应在厂内经适当处理后循环使用。

(3)废水常见的处理方法

①废水物理处理法 是通过物理作用分离和去除废水中不溶解的呈悬浮状态的污染物（包括油膜、油珠）的方法。处理过程中，污染物的化学性质不发生变化。 方法有：重力分离法（包括沉淀、上浮（气浮）等

? 离心分离法，使用设备有离心分离机、水旋分离器等 ? 筛滤截留法，有栅筛截留和过滤两种处理单元，前者使用格栅、筛网，后者使用砂滤池、

微孔滤机等。

? 还有废水蒸发处理法、废水气液交换处理法、废水高梯度磁分离处理法、废水吸附

处理法等。

? 物理处理法的优点：设备大都较简单，操作方便，分离效果良好，故使用极为广泛。 ②废水化学处理法：是通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状态的污染物或将其转化为无害物质的废水处理法。

? 有氧化法、电解法、化学沉淀法、混凝法、电渗法、中和法等。

③废水生物处理法 是利用微生物的生命活动，对废水中呈溶解态或胶体状态的有机污染物降解作用，降低水中氮、磷等植物营养物质的含量，从而使废水得到净化的一种处理方法。

? 可分需氧生物处理法和厌氧生物处理法两种。需氧生物处理法有活性污泥法、生物膜法、

氧化塘法、土地处理系统等。

在实际应用中，废水处理流程是由以上各种方法合理组合而成。

? 按照不同的处理程度，废水的处理可分为一级处理、二级处理和三级处理。

? 污水一级处理：又称污水物理处理，通过简单的沉淀、过滤或适当的曝气，以去除污

水中的悬浮物，调整pH值及减轻污水的腐化程度的工艺过程。废水经过一级处理后一般仍达不到排放标准。

? 污水二级处理：污水经一级处理后，再经过具有活性污泥的曝气池及沉淀池的处理，

使污水进一步净化的工艺过程，以除去一级处理后污水的悬浮物和胶体颗粒物或低浓度的有机物。经过二级处理后的污水，一般可以达到农灌水的要求和废水排放标准。但在一定条件下仍可能造成天然水体的污染。

? 污水三级处理：又称深度处理，污水经二级处理后，进一步去除污水中的其他污染成

分（如；氮、磷、微细悬浮物、微量有机物和无机盐等）的工艺处理过程。主要方法有生物脱氮法、凝集沉淀法、砂滤法、硅藻土过滤法、活性炭过滤法、蒸发法、冷冻法、反渗透法、离子交换法和电渗析法等。

第三章 环境工程化学基础

第一节 主要无机污染物的物理、化学与生物性质 一、无机酸、碱和盐污染物 (1) 氰化物

来源：氰化物多数是人工制造的，但也有少量存在于天然物质中，如苦杏仁、枇杷仁、桃仁、木薯和白果等。污染环境的氰化物，主要来自工业生产。

煤焦化时，在干馏条件下碳与氨反应，也产生氰化物。氰化物可用作工业生产的原料或辅料，如HCN用于生产聚丙烯腈纤维，氰化钠用于金属电镀，矿石浮选，以及用于染料、药品和塑料生产；氰化钾用于白金的电解精炼，金属的着色、电镀，以及制药等化学工业。这些工业部门的废水都含有氰化物。

性质：氢氰酸(HCN)是一种无色液体,密度为0.6876，熔点为－14℃，沸点为26℃，易挥发，可溶于水、醇和醚中。其水溶液有苦杏仁臭味，臭味可感觉的最低浓度为0.001毫克/升。HCN的酸性是极弱的，不论在无水状态或水溶液中的HCN，只有和少量无机酸或某些其他物质共存时才是稳定的。 HCN受光照易分解为低毒的NH3、HCOOH、HOOCCOOH等。

除HCN外，NaCN、KCN也是氰污染物的初始形态，氰离子的一个重要特点是容易与某些金属形成络合物。

毒性：氰化物是剧毒物质。

HCN人的口服致死量平均为50毫克，氰化钠约100毫克，氰化钾约120毫克。

简单的氰化物经口、呼吸道或皮肤进入人体，极易被人体吸收。氰化物进入胃内，在胃酸的作用下，能立即水解为HCN而被吸收，进入血液。 细胞色素氧化酶的Fe3+与血液中的氰根结合，生成氰化高铁细胞色素氧化酶，使Fe3+丧失传递电子的能力，造成呼吸链中断，细胞窒息死亡。 二、氧化物类污染物

氧化物是负价氧和另外一个化学元素组成的二元化合物如CO?、CaO等。氧化物的种类繁多，物理化学性质差异非常大。以下仅介绍对环境影响大的碳、氮、硫氧化物； （一）碳的氧化物

碳的氧化物有CO和CO2。

来源于天然污染源和人为污染源。

天然污染源包括火山爆发、森林火灾、闪电过程、植物生长过程及各种有机物的光化学分解。

人为污染源主要是各种燃料的不完全燃烧所产生的CO。在高温下，即使燃料完全燃烧生成CO2，已生成的CO2也会部分分解为CO；H2O在高温下，也会部分分解成H2与O2，H2与CO2反应生成CO。

性质：在通常状况下， CO是无色、无臭、无味、难溶于水的气体，熔点-207℃，沸点-191.5℃。标准状况下气体密度为1.25g/L，和空气密度(标准状况下1.293g/L）相差很小，这也是容易发生煤气中毒的因素之一。

CO进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，由于CO与血红蛋白结合能力远强于氧气与血红蛋白的结合能力，进而使能与氧气结合的血红蛋白数量急剧减少，从而引起机体组织出现缺氧，导致人体窒息死亡。

常见于家庭居室通风差的情况下，煤炉产生的煤气或液化气管道漏气或工业生产煤气以及矿井中的一氧化碳吸入而致中毒，肉呈红色。 （二）氮的氧化物

氮氧化物包括多种化合物，如N2O、NO、NO2、N203、N204和N205等。除NO2以外，其他氮氧化物均极不稳定，遇光、湿或热变成NO2及NO2， NO又变为NO2 。因此，职业环境中接触的是几种气体混合物常称为硝烟 (气)，主要为NO和NO2 ，并以NO2为主。氮氧化物都具有不同程度的毒性。

来源：氮的氧化物主要来源于土壤和海洋中细菌对硝酸盐的分解，其次是天空闪电过程氮的氧化和大气中氨的氧化。

人类活动中产生的氮氧化物主要来源于各类含氮燃料的燃烧产生

性质： NO为无色气体，分子量30.01，熔点-163.6℃，沸点-151.5℃，蒸气压101.3lkPa(-151.7℃)。溶于乙醇、二硫化碳，微溶于水和硫酸，水中溶解度4.7% (20℃)。性质不稳定，在空气中易氧化成NO2。

NO结合血红蛋白的能力比CO还强，更容易造成人体缺氧。不过，人们也发现了它在生物学方面的独特作用。一氧化氮分子作为一种传递神经信息的信使分子，在使血管扩张，免疫，增强记忆力等方面有着及其重要的作用。

NO2在21.1℃温度时为红棕色刺鼻气体;在21.1℃以下时呈暗褐色液体。 NO2溶于水时生成硝酸和一氧化氮。工业上利用这一原理制取硝酸。 NO2能使多种织物褪色，损坏多种织物和尼龙制品，对金属和非金属材料也有腐蚀作用。在大气中转成酸雨

危害：氮氧化物可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病。对儿童来说，氮氧化物可能会造成肺部发育受损。研究指出长期吸入氮氧化物可能会导致肺部构造改变。 以NO和NO2为主的氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因。

汽车尾气中的氮氧化物与氮氢化合物经紫外线照射发生反应形成的有毒烟雾，称为光化学烟雾.光化学烟雾具有特殊气味，刺激眼睛，伤害植物，并能使大气能见度降低。

（三）硫氧化物

硫氧化物是硫的氧化合物的总称。通常硫有4种氧化物，即SO2、SO3(硫酐)、S2O3、SO；此外还有两种过氧化物：S2O7和SO4。

在大气中比较重要的是SO2和SO3，其混合物用SOx表示。硫氧化物是全球硫循环中的重要化学物质。它与水滴、粉尘并存于大气中，由于颗粒物（包括液态的与固态的）中铁、锰等起催化氧化作用，而形成硫酸雾，严重时会发生煤烟型烟雾事件，如伦敦烟雾事件，或造成酸性降雨。

SOx是大气污染、环境酸化的主要污染物。

来源：自然界产生的硫氧化物很少，主要是生物腐烂生成的H2S在大气中被氧化产生。 如在厌氧条件下，细菌为了获取氧，将周围环中的SO42-还原为H2S, H2S进一步氧化成SO2和SO3。

人类活动产生的硫氧化物主要来自含硫燃料的燃烧、金属冶炼、石油炼制硫酸生产和硅酸盐制品焙烧等过程。

危害：硫氧化物是大气的主要污染物之一，是无色、有刺激性臭味的气体，它不仅危害人体健康和植物生长，而且还会腐蚀设备、建筑物和名胜古迹。 第三节 氮与磷在环境中的循环作用 一、氮的循环作用

氮循环包括氮素同化作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用及固氮作用。

氮素同化：植物体或微生物吸收无机氮(NO3-、NH4+、N2)，把它们同化为转化为有机态氮(氨基酸、蛋白质、核酸等)的过程。

氨化作用:又叫脱氨作用，微生物分解有机氮化物产生氨的过程。产生的氨，一部分供微生物或植物同化，一部分被转变成硝酸盐。 硝化反应：由氨根离子转化为硝酸盐",

反硝化：由硝酸盐经亚硝酸盐转化为氮气的过程 固氮：是将气态氮转化为离子形式

下面以含氮化合物的脱氨反应，讲述氨化作用： （１） 蛋白质的分解

氨化过程一般可分为两步: 第一步是含氮有机化合物（蛋白质、核酸等）降解为多肽、氨基酸、氨基糖、核甘酸等简单含氮化合物； 第二步则是降解产生的简单含氮化合物在脱氨基过程中转变为NH3。氨基酸的脱氨过程方式很多，在脱氨基酶的作用下，可通过氧化脱氨基、还原脱氨基、水解脱氨基以及转饱合脱氨基作用，生成相应的有机酸，并释放氨：

+O2氧化脱氨基R-COCOOH+NH3R-CHCHOOHNH2+H2O水解脱氨基R-CHOHCOOH+NH3+2H还原脱氨基R-CH2COOH+NH3氨基酸还可以通过脱羧基反应降解，形成胺类物质：

R-CHCHOOHNH2

R-CH2NH2+CO2

环境中绝大多数异养微生物都具有分解蛋白质、释放出氨的能力。

(2)核酸的分解：核酸在完成转氨分解第一步后，生成核苷酸，再分解为核苷与磷酸后，进一步分解为核糖或脱氧核糖与生物碱。含氮的生物碱经脱氨基产生氨，以腺嘌呤为例，腺嘌呤在脱氨基酶作用与，生成次黄嘌呤，次黄嘌呤在次黄嘌呤酶作用下，被氧化成黄嘌呤，黄嘌呤在黄嘌呤酶作用下，产生尿酸，尿酸进一步分解成尿素和乙醛酸，尿素分解成成氨与CO2。

(3)它含氮有机物的分解 除了蛋白质、核酸外，还有尿素、尿酸、几丁质、卵磷脂等含氮有机

脱羧基物，它们都能被相应的微生物分解并释放出氨。凡能产生尿酶的微生物都能分解尿素， 尿素在酸、碱、酶作用下，都能水解生成氨与CO2

（重点）-----------硝化作用：硝化作用是指氨在微生物作用下氧化为硝酸（盐）的过程。

第一阶段为亚硝化，即铵根（NH4+)氧化为亚硝酸根（NO2-）的阶段。参与这个阶段活动的亚硝酸细菌主要有 5个属：亚硝化毛杆菌属(Nitrosomonas) ；亚硝化囊杆菌属(Nitrosocystis)；亚硝化球菌属(Nitrosococcus)；亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化肢杆菌属(Nitrosogloea)。其中，尤以亚硝化毛杆菌属的作用居主导地位，常见的有欧洲亚硝化毛杆菌 (Nitrosomonas europaea)等。

第二阶段为硝化，即亚硝酸根（NO2-）氧化为硝酸根（NO3-）的阶段。参与这个阶段活动的硝酸细菌主要有3个属：硝酸细菌属(Nitrobacter)；硝酸刺菌属 (Nitrospina)和硝酸球菌属(Nitrococcus)。其中以硝酸细菌属为主，常见的有维氏硝酸细菌(Nitrobacter winogradskyi)和活跃硝酸细菌 (N. agilis)等

-----------------------反硝化过程：也称脱氮作用。反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的过程。

总的反硝化过程可以用以下方程式表示： 2NO3-+10e+12H→N2+6H2O ? 其中包括以下四个还原反应还原反应： ? 硝酸盐还原为亚硝酸盐：

? 2NO3-+4H+4e→2NO2-+2H2O ? 亚硝酸盐还原为一氧化氮：

? 2NO2-+4H+2e→2NO+2H2O ? 一氧化氮还原为一氧化二氮： ? 2NO+2H+2e→N2O+H2O ? 一氧化二氮还原为氮气： ? N2O+2H+2e →N2+H2O

? 固氮作用：是分子态氮被还原成氨和其他含氮化合物的过程。自然界氮（N2）的固定有两

种方式：一种是非生物固氮，即通过闪电、高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少； 二是生物固氮，即分子态氮在生物体内还原为氨的过程。大气中90%以上的分子态氮都是通过固氮微生物的作用被还原为氨的。

根据固氮微生物的固氮特点以及与植物的关系，可以将它们分为自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物三类。 ? 微生物固氮的应用：

? 一些来自化工废水、国防工业废水、电镀废水等含氮物质，如氢氰酸、乙腈、丙腈、

正丁腈、丙烯腈及硝基化合物，它们对水体、对环境、对人畜都有不同程度的危害，然而某些微生物可利用它们作为氮源，在碳源等存在下，可将有害物质变成微生物自身的营养物。有些微生物也可分解不同含氮的污染物，从而达到治理废水中有害污染物的目的。 ? （三）微生物与水体中的氮素循环

? 自然水域中，在好氧或厌氧条件下，通过微生物固氮作用固定的氮，以及有机物通过

氨化作用释放的氨，既可被许多生物作为唯一氮源而同化，也可在好氧条件下被硝化菌氧化，经亚硝酸盐进而转化为硝酸盐，即硝化作用。

? 生成的硝酸盐，是藻类及一些微生物生长所需的营养，在厌氧区不发生硝化作用，形

成的氨一部分被生物质同化，较多部分积累起来。已形成的硝酸盐则因反硝化作用，而还原为气态氮（N2,N2O）。水体环境中的氮素循环如图3-13所示。

? 在自然界水体中，不断地进行着氮素的同化、氮化、固氮、硝化和反硝化，微生物起着极

其重要的作用。通过这样的循环保持着水体环境中氮素平衡。 ? 二、磷在环境中的循环过程 ? （一）环境中的磷

? 磷是包括微生物在内的所有生命体中不可缺少的元素。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

在生物大分子核酸、高能量化合物ATP、以及生物体内糖代谢的某些中间体中，都有磷的存在。

磷的循环：包括可溶性无机磷的同化、有机磷的矿化、不溶性磷的溶解等。

可溶性的无机磷化物的同化：可溶性的无机磷化物被微生物吸收后合成有机磷化物，成为生命物质结构组分（同化作用）的过程。

有机磷的矿化：在土壤中，许多的细菌、放线菌和霉菌等含有植酸酶和磷酸酶，能够将含磷的有机物分解（异化作用），产生的无机磷化物可被植物吸收利用。

不溶性磷的溶解：土壤中的磷酸或可溶性的磷酸盐与土壤中的一些盐基结合，形成不溶性的磷酸盐。在天然水体中，大部分的磷存在于水下的沉积物中。

而生活在土壤和水体中的一些微生物，通过代谢产生的硝酸、硫酸和有机酸又可将不溶性的磷酸盐溶解，从而使自然界中的磷素循环周而复始的不断进行。

应当指出，如果人类活动将含磷物质大量排放到水环境中，可溶性磷酸盐浓度过高会造成蓝细菌及其它藻类大量增殖，即常说的富营养化作用，从而破坏环境的生态平衡。 （二）磷的循环作用

１. 有机磷的矿化 动植物、微生物体中的含磷有机物有核酸、磷脂、植素以及各种磷脂酸，它们均可被微生物分解。

核酸的矿化：核酸首先在核酸酶作用下，水解成核苷酸，核苷酸又在核苷酸酶作用下，分解成核苷与磷酸，完成有机磷的矿化；核苷又核苷酶作用下，水解成核糖与五种不同生物碱，生物碱脱氨产生氨，完成有机氨的矿化。

? 磷脂 卵磷脂是含胆碱的甘油磷酸脂，其结构如下：

? 它可以被微生物卵磷脂酶水解为甘油、脂肪酸、磷酸和胆碱，胆碱进一步分解成氨与二

氧化碳、有机酸与醇

? 植素：植素是由植酸（肌醇六磷酸脂）和钙、镁结合成的盐类。植素在土壤中分解很慢，

经微生物的植酸酶分解为磷酸和CO2。 ? 2.难溶性无机磷的可溶化作用

? 在土壤中存在难溶性的无机磷化合物（例如磷酸钙、磷灰石矿石），植物与微生物

不能直接利用，必须经过微生物分解为溶解性的磷酸盐才能被植物和微生物吸收利用。 ? 环境酸性增大，可使磷酸钙转化成磷酸氢钙与二氢钙，从而使钙可溶性增大。 ? 也可与异养微生物的生命活动产生的有机酸和碳酸，微生物在硝化作用中产生的亚

硝酸、硝酸；硫酸化作用中产生的硫酸；在呼吸作用中产生的二氧化碳溶于水产生的碳酸等作用，都 可促进磷的溶解。例如：

? 可溶性磷酸盐被植物、藻类及其它微生物吸收利用，同化成卵磷脂、核酸及ATP等 ? 3. 磷的同化作用

? 无机磷通过生物转化变为有机磷，成为细胞的组成成分，称为磷的同化作用或磷的

固化作用。

? 磷对农业十分重要，土壤中往往不足，必须施入磷肥以满足农作物生长和微生物发

育的需要。

? 影响磷的同化作用主要因素有：碳、氮以及pH和环境温度。 ? 生物同化过程需要适量的碳、氮、磷。 ? 异养微生物的同化作用需要适量的有机碳。若则微生物对磷的转化作用会受到限制； 合适的pH和环境温度有利于微生物代谢活动，也有利于对磷的转化，反之则限制了磷的转化。

? 磷的同化作用与水体富营养化防治

? 水体中如进入的磷酸盐过多，会造成富营养化，其来源主要为磷肥流失，含磷废水

（如含磷洗涤剂等）和二级生化处理出水所含磷酸盐。怎样有效地对磷污染进行控制和治理，充分利用微生物对磷的同化作用，已成为水体富营养化防治研究中的重要课题。 ? 第五节 污染物的分离原理与技术

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 在环境工程中分离过程主要包括萃取法、离子交换与吸附法、膜分离法，下面对这几种分离过程的原理、影响因素、设备和工艺等作一介绍。 一、萃取法

（一）萃取过程

液液萃取是指两个完全不互溶或部分互溶的液相接触后，一个液相中的溶质经过物理或化学作用另一个液相，或在两相中重新分配的过程。 在萃取的过程中，所使用的萃取溶剂称为萃取剂。

在废水处理中欲萃取的溶质在水相与萃取溶剂中的溶解度不同，有三个步骤：

１将萃取剂加入水废水中，并使它们充分混合接触，废水中有害物质因在萃取剂中的溶解度大于水相，所以当溶质在水相与萃取相达平衡后，大部分有害物质进入萃取剂中； ２废水与萃取剂分离

３含有害物质萃取物从萃取剂中分离，萃取物作为有用的副产品；而萃取剂则回用于萃取过程。

（二）萃取过程的基本原理

“在定温、定压下，若一个物质溶解在两个同时存在的互不相溶的液体里，达到平衡后，该物质在两相中浓度之比等于常数” ，这称为分配定律。用公式表示为： cB1/cB2=K

式中cB1 和 cB2 分别为溶质B在两个互不相溶的溶剂 中的浓度，K 称为分配系数 当溶液浓度不大时，活度比可用浓度比代替，就得到分配定律的经验式。

若原来料液中除溶质Ａ还有溶质Ｂ，则由于Ａ、Ｂ在萃取剂与料液中分配系数不同，选用合适的萃取剂进行分离。 （三）萃取剂的选择

在液-液萃取中，萃取剂的性质和价格影响萃取效果和费用，也影响萃取物的产量和质量。 其选取原则：

１对溶质的溶解度要远大于原溶剂

２和原溶液中的溶剂互不相溶、粘度小，界面张力适中，便于两相分离；

３萃取剂的回收和再生容易，化学稳定好；４萃取剂价格要低廉，供应要充沛。 （四）萃取设备

萃取设备型式很多，可按结构分为三大类：罐式（萃取器）、塔式（萃取塔）和离心机式（萃取机），其中塔式设备最常见。

无论那种萃取设备，首先必须完成萃取两相的混合（萃取）与分离。 混合充分是基础；分离完全是结果。

罐式萃取器通常是间歇操作的，装料、搅拌、静澄和出料等四个步骤构成一个循环。

而萃取塔与萃取离心机则是连续操作的。

萃取器是一个具有搅拌设备的圆筒形容器。在混合时，开动搅拌设备，在静澄分离时，关闭搅拌设备。搅拌与静澄分离的时间可以调节。可以是单级也可以是多级萃取。 在萃取塔内，重液从顶部流入，萃取分离后从底部流出；而轻液则从底部流入，萃取分离后从顶部流出；

在塔身中部，轻重液相充分混合、充分接触，完成萃取；

在塔顶与塔底有充分的空间与断面，让轻重液彼此完全分离。常用的萃取塔有以下几种：１筛板萃取塔２转盘萃取塔３填料萃取塔 二、吸附法

固体表面因比表面积大，表面能高，为了使其更加稳定，主要是通过吸附其它物质在其表面，降低表面能。被吸附的物质称吸附质；固体物质称为吸附剂。 工业废水处理中，常用的吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。

吸附量通常有两种表示方法： (1)单位质量的吸附剂所吸附气体的体积： (2)单位质量的吸附剂所吸附气体物质的量：

目前常用 Langmuir吸附等温式 Langmuir吸附理论的基本假设是：固体颗粒表面是均匀的，被吸附分子间的作用力互不影响；分子在其表的吸附是单分子层，固体表面一旦被吸附质覆盖就不能被再吸附其它分子。在吸附平衡时，吸附与脱附达动态平衡。吸附平衡前，吸附速率与固体表面的空白成正比，解吸速率与覆盖度成正比。 ? （二）影响吸附的因素

? 吸附能力与吸附速率是衡量吸附过程的主要指标。 ? 固体吸附剂的吸附能力是用吸附量来表示；吸附速率是指单位重量吸附剂在单位时

间内所吸附的物质量。

? 在水处理中，吸附速率决定了污水需要与吸附剂接触的时间。 ? 吸附速率快，则所需要的接触时间就短，吸附设备的容量就小。 ? 多孔吸附剂的吸附过程，可分为三个阶段：

? （１）颗粒部外部扩散阶段； （２）孔隙扩散阶段； （３）吸附质被吸附

在孔隙吸附点表面。 ? 通常前（１）（２）阶段决定吸附速率。颗粒部外部扩散速度与溶液浓度成正比，

也与吸附剂的比表面积（颗粒越小比表面积越大）成正比；同时增大溶液与颗粒间的相对运动速率也可提高外部扩散速率。孔隙扩散速率与孔隙大小与结构、吸附剂颗粒的大小和结构等都有关。一般，吸附剂颗粒越小，孔隙扩散速率越快。吸附能力也与吸附剂与吸附质本身的物理化学性质、吸附温度、介质pH等有关。 ? （三）吸附剂及再生

? 活性炭：加热再生与化学再生。 ? （四）吸附工艺与设备

? 吸附操作方式分为间歇式和连续式。

? 间歇式是将废水和吸附剂放在吸附池内直行搅拌30分，然后静置沉淀，排除清液。 ? 连续式吸附主要采用固定床、移动床和流化床。 ? 三、离子交换法

? （一）离子交换法原理

? 利用液相中的离子和固相中离子间所进行的可逆性化学反应提纯或分离物质的方

法。是一种特殊的化学吸附。离子交换是可逆反应，其反应式可表达为：

当达离子交换平衡时，存在如下关系式：

? Ｋ是平衡常数，Ｋ值越大，正向离子交换能力越强，逆向越弱；反之逆向越强，正

向越弱。

? （二）离子交换剂

? 离子交换剂通常是一种不溶性高分子化合物，如树脂，纤维素，葡聚糖，醇脂糖等，

它的分子中含有可解离的基团，这些基因在水溶液中能与溶液中的其它阳离子或阴离子起交换作用。

? 离子交换剂分为无机质和有机质两类。 （三）离子交换剂的选用

对不同的废水，应根据废水处理对象的性质、要求处理程度等，合理地选择离子交换树脂。

1 离子交换树脂有交效的pH值范围２交换容量３交联度４交换势 （四）离子交换工艺与设备

离子交换装置，按照进行方式的不同，可分为固定床和连续床两大类。 用于废水处理的离子交换系统一般包括：预处理设备（一般采用砂滤器）、离子交换器和再生附属设备（再生液配制设备）。常用的固定床离子交换器见图3-21所示： 离子交换的运行操作包括四个步骤：交换、反洗、再生、清洗。

?

交换过程：是离子交换树脂上的离子与溶液中的其它同性离子的反应过程；

反洗过程：目的在于松动树脂层，以便下一步再生时，注入的再生液能分布均匀，同时也及时清除积存在树脂层内的杂质、碎粒和气泡。 反洗：用原水，反洗使树脂膨胀40-60%。 再生过程：就是交换反应的逆反应过程，借助高浓度的再生液，流过树脂层，将先前吸附交换的离子置换出来，使其恢复应用的交换能力。不同的再生液的浓度要求不同，一般在２-５%为宜。

清洗过程：清洗是用净水将树脂层残留的再生废液清洗掉，直至出水水质同位符合要求为止。

? 四、膜分离法

? （一）定义 膜是一薄层物质，能将流动相分隔开来成为两部分，是具有选择性分离功

能的材料。

? 利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。 ? 它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理

过程，不需发生相的变化和添加助剂 ? （二）膜的分类

? 根据相态：可分为固态与气态膜 ? 根据来源：可分成天然与人工膜

? 根据膜体结构可分为：固体膜可分为致密膜与多孔膜

? 根据的功能，可分为离子交换膜、渗析膜、超滤膜、反渗透膜和气体渗透膜等 ? 根据孔径大小：可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO） ? （四）膜分离过程

? 膜分离过程从分离精度上划分，一般可分为四类：微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)

和反渗透(RO)，他们的过滤精度按照以上顺序越来越高。

微滤： 微滤能截留0.1-75μm之间的颗粒。微滤膜允许大分子和溶解性固体（无机盐）等通过，但会截留住悬浮物、细菌及大分子量胶体等物质。微滤膜的运行压力一般为0.7-7Kpa.

超滤：超滤能截留10nm-0.1μm之间的大分子物质和杂质。超滤膜允许小分子物质和溶解性固体(无机盐)等通过，同时将截留下胶体、蛋白质、微生物和大分子有机物，用于表示超滤膜孔径大小的切割分子量范围一般在500-500，000之间，超滤膜运行压力一般为0.1-0.6Mpa。

第一节 化学热力学

? 研究热、功和其他形式能量之间的相互转换及 其转换过程中所遵循的规律； 研究各种物理变化和化学变化过程中所发生的能量效应 研究化学变化的方向和限度 几个基本概念

? 体系与环境、体系的分类、体系的性质、热力学平衡态、热和功 体系与环境:在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其余分开，这种分离可以是实际的，也可以是想象的。这种被划定的研究对象称为体系，亦称为物系或系统。 环境:与体系密切相关、有相互作用或影响所能及的部分称为环境。

根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类:（1）敞开体系（open system）体系与环境之间既有物质交换，又有能量交换。（2）封闭体系（closed system）体系与环境之间无物质交换，但有能量交换。（3）孤立体系（isolated system）体系与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故又称为隔离体系。有时把封闭体系和体系影响所及的环境一起作为孤立体系来考虑。 1热力学平衡态

当体系的诸性质不随时间而改变，则体系就处于热力学平衡态，它包括下列几个平衡：

A、热平衡（thermal equilibrium）体系各部分温度相等。B、力学平衡（mechanical equilibrium） 体系各部的压力都相等，边界不再移动。如有刚壁存在，虽双方压力不等，但也能保持力学平

衡。

当体系的诸性质不随时间而改变，则体系就处于热力学平衡态，它包括下列几个平衡： 相平衡（phase equilibrium）

多相共存时，各相的组成和数量不随时间而改变。 化学平衡（chemical equilibrium ）

反应体系中各物的数量不再随时间而改变。体系的平衡旧相对的，是有条件的，平衡实际上是一种动态平衡。

状态函数;体系的一些性质，其数值仅取决于体系所处的状态，而与体系的历史无关；它的变化值仅取决于体系的始态和终态，而与变化的途径无关。具有这种特性的物理量称为状态函数

状态函数的特性可描述为：异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。

热和功:热：体系与环境之间因温差而传递的能量称为 热，用符号Q 表示。 功：体系与环境之间传递的除热以外的其它能量都称为功，用符号W表示

热力学第一定律

能量守恒定律：自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，但在转化过程中，能量的总值不变。热力学能：热力学能（thermodynamic energy）以前称为内能（internal energy）,它是指体系内部能量的总和，包括分子运动的平动能、分子内的转动能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间的相互作用位能等。

热力学第一定律：也可以表述为：第一类永动机是不可能制成的。第一定律是人类经验的总结

第一定律的文字表述：一种既不靠外界提供能量，本身也不减少能量，却可以不断对外作功的机器称为第一类永动机，它显然与能量守恒定律矛盾。

第一定律的数学表达式：?U = Q + W对微小变化： dU =?Q +?W

因为热力学能是状态函数，数学上具有全微分性质，微小变化可用dU表示；Q和W不是状态函数，微小变化用?表示，以示区别。

也可用?U = Q - W表示，两种表达式完全等效，只是W的取号不同。用该式表示的W的取号为：环境对体系作功， W<0 ；体系对环境作功， W>0 。

（一）水体沉积物中的重金属

? 水中的重金属离子在一定条件下，有相当多的一部分会进入沉积物，而在条件变化时，

它们又会从沉积物重返水相。

? 对于底泥中重金属释放影响最大的因素是pH与氧化还原电位Ｅ，而pH与氧化还原

电位Ｅ在一定的地质地理环境下，具有相对的稳定性。

? 水中重金属易于富集在悬浮物中，但随水流迁移一段距离后，会因重力而沉降下来，

固体沉积物是重金属污染的主要蓄积库。

? 研究发现：天然水质中，底泥中重金属较稳定，不易释放；pH越低，越易释放；特

别是碳酸盐结合态，受pH影响最明显；有机硫化物结合态金属较稳定，但有氧化剂或氧的条件下，易被氧化而释放； ? 除此，沉积物中重金属的含量受水体中重金属的负荷、沉积物自身的性质如共存物等

有关，如河流沉积物中，金属之间有显著的相关性。Cr和Zn，Cu和Zn，Cr与Zn总量与碳量

（二）重金属的生物有效性及其对生物的影响

? １重金属的生物有效性：是指重金属能被生物吸收利用或对生物产生毒性效应的性状，

可由间接的毒性数据或生物体浓度数据来评价。 ? ２重金属不同形态所体现的生物有效性间的差异 ? 河流底泥中的重金属与不同的载体结合，以不同的形态存在，不同的形态的重金属，

具有不同的生物有效性。

? 底泥中重金属的形态有：水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、铁锰水合氧化态、有

机-部分硫化物态和残渣态等６种形态。

? 一般情况：水溶态可被生物直接吸收利用；离子交换态很易与其它离子交换，进入水

相；碳酸盐结合态在pH低时，易释放出来，进入水相；铁锰水合氧化态在合适的pH

? ?

和有氧化剂参与的条件下，易进入水相；有机-部分硫化物态本身不易被生物吸收，但有适的pH和有氧化剂参与，有部分进入水相；而残渣态对生物无效。 ３不同重金属生物有效性的差异

底泥中Cu、Mn、Pb、Zn等不同金属生物有效性不相一致，反映出它们的理化性质、地球化学形态分布和生物代谢的差异。 第二节 废水中典型重金属的处理方法与工艺 一、胶体絮凝法处理重金属离子废水 首先分析重金属离废水的来源、性质、组成、含量等，选用合适的絮凝剂，确定合理的分离工艺条件，如絮凝剂浓度、pH调节所用酸与碱等 如胶体絮凝法处理磷化污水

工业上的磷化污水，主要含有Fe、Zn磷酸盐，pH<5；

第一步：在处理磷化污水时，首选需调节pH，用来源广、价廉的石灰石中和废水的酸性，同时，Fe3+、Zn2+与OH-产生胶体沉淀：

第二步：第一步产生的Ca3(PO4)2与Fe(OH)3与Zn(OH)2等胶体颗粒，颗径小，表面吸附了介质中的阴阳离子，因产生双电层等原因，不易沉降分离，因此选用价廉、来源广、效果好的絮凝剂

第三步 沉降分离，废渣回收处理（现很多是填埋或垒放），水经其它处理，循环再用

二、浮选法处理重金属废水

（一）浮选法的基本概念和类型

浮选法:是选金生产中应用最广泛的一种选矿法，是利用矿物表面物理化学性质的差异来选分矿石的一种方法。

常规的浮选法是将矿物破碎成几微米至几十微米的颗粒，制成悬液，然后加入捕收剂和起泡剂，有选择性地使欲分离矿物料粒子表面与捕收剂分子的疏水基结合，并使其粘附在上升的气泡上形成浮渣以达到分离的目的。

包括离子浮选法、沉淀浮选法、吸附浮选法和电解浮选法等。

浮选法用于处理废水的的重金属离子，是选 矿技术在环保领域中研究最活跃的方向之一。

１ 离子浮选法

离子浮选法属于泡沫分离技术范畴。该方法基于待分离物质与捕集剂通过络合或生成沉淀，在鼓泡塔中被吸附在气泡表面而富集，借泡沫上升带出溶液主体，达到净化溶液主体和浓缩待分离物质的目的。

浮选法的分离作用，主要取决于其组分在气-液界面上选择性和吸附程度。

所使用捕集剂的主要成分是，表面活性剂和适量的起泡剂、络合剂、掩蔽剂等。 影响离子浮选的因素有三：目的离子的物理化学性质（目的离子的电子构型、电价、离子半径、离子水化程度等）；捕收剂的结构与活性；疏水性产物的表面活性。 ２沉淀浮选法

沉淀浮选法先从稀的废水或污水中，将欲分离的重金属离子生成沉淀而富集，然后通过气泡将沉淀带到浮选装置的表面，从而达到分离或综合回收的目的。 沉淀浮选的优点：体积大为减少；产生的废料为固体。 沉淀浮选中浮选剂主要有起泡剂和捕收剂。

沉淀浮选要求沉淀颗粒小，容易粘附在气泡上，气泡粒径大小与分布适当，最适合尺寸为0.4-1.0mm。

沉淀浮选有两种方法：

一种是直接沉淀除去离子组分； 另一种是间接法，即外加其它离子与目的离了共沉淀，然后浮选得到共沉淀。 直接沉淀一肌以控制pH（沉淀为氢氧化物）来实现，可用于除去辐射离子，从工业污水中提取氰化物和铬，以及从含氰化物污水中分离镉和铜。

间接沉淀法，当沉淀重金属时，一般使用硫化钠试剂，得到的硫化物沉淀较氢氧化物沉

淀难解度更高，且受配位试剂如氨、酸碱度影响小，这比氢氧化物沉淀法更具优越性。 ３ 吸附浮选法

吸附浮选法一般可分为：吸附胶体浮选法、载体吸附浮选法、生物吸附浮选法。 （１）吸附胶体浮选法

它是利用胶体和质作载体，目的物质吸附在胶体上，然后加入捕收剂与起泡剂，将载有目的物质的胶体附于气泡上，浮出水面，回收或去除目的物的方法。

常用的胶体有Fe3+、La3+、Ti4+、Sn2+、Th4+等的氢氧化物以及Cu2+、Fe2+的硫化物，但最常用的是Fe(OH)3、Al(OH)3胶体。 （２）载体吸附浮选法

该法与吸附胶体法比，不需加入表面活性剂，直接用载体吸附目的物，后分离，如用Fe(OH)3、Al(OH)3胶体吸附废水中的Pb2+、Zn2+等离子，实现与水的分离。该法的优点是不加捕收剂等表面活性剂。 （３）生物浮选法

因生物材料、微生物与生物体如海藻、泥炭藓等，对重金属有强的吸附与吸收能力，它是利用生物材料、微生物与生物体从受重金属离子污染的水源中去除重金属离子的方法。该法与传统方法相比，具有价廉、安全等优点。 ４电解浮选法

三、溶剂萃取法处理废水中重金属离子

１萃取法分离废水中重金属离子存在的问题

（１）含有共沸点或沸点非常接近的混合物的废水，难以用蒸馏或蒸发方法分离； （２）含有热敏性溶剂的废水在蒸馏或蒸发等高温过程中，易发生化学变化或易燃易 （３）用蒸发法回收分离需大量的热能与高真空条件；

（４）个别重金属废水，如含U、V等，所采用的有机萃取剂价高。 ２萃取体系与萃取剂与的选择

主要萃取体系有： 螯合萃取体系、 离子缔合物萃取体系、 三元配合物萃取体系 （1）螯合萃取体系

① 螯合剂：螯合剂(应有较多的疏水基团)溶于有机相，难溶于水相，有些也(微)溶于水相，但在水相中的溶解度依赖于水相的组成特别是 pH 值(双硫腙溶于碱性水溶液)，一般为有机弱酸与弱碱。

②螯合剂在水相与待萃取的金属离子形成不带电荷的中性螯合物，使金属离子由亲水性转变为亲油性；

③ 螯合物萃取体系广泛应用于金属阳离子的萃取；

④ 主要适用于微量和痕量物质的分离，不适用于常量物质的分离，常用于痕量组分的萃取光度法测量。

（2）三元配合物萃取体系

金属离子与两个螯合剂形成三元配合物，选择性高，灵敏度高，后选合适的萃取剂分离。这类体系已广泛应用稀有元素、分散元素的分离和富集 （3）离子缔合物萃取体系

由金属离子和金属配位离子某些酸根离子，与异电性离子以静电引力的作用结合成不带电的化合物，称为离子缔合物，此缔合物具有疏水性，能被有机溶剂萃取分离的方法。 如用乙醚从6mol/L HCl溶液中萃取Fe3+时，Fe3+与Cl-形成配位阴离子Fe Cl4-,而乙醚质子化后，与Fe Cl4-缔合，形成疏水的盐，溶于乙醚，可被乙醚萃取。 3 萃取法的要求

生成的螯合物在萃取剂中有较大溶解度；萃取剂与水的比重相差要大，便于分层；萃取溶剂最好无毒、无特殊气味、挥发性要小；萃取剂要符合选用原则，即来源广，价廉，易再生和回收等. 萃取剂的再生分物理与化学法。物理法包括蒸馏和蒸发；化学法即投加化学药剂使萃取剂形成不溶于某种溶剂的盐，而分离再用。

四、离子交换法处理重金属废水

１离子交换树脂的结构 离子交换树脂组成主要有三:功能基团；是带有官能团(有交换离子的活性基团)；是可供“离子交换”的基团

网状骨架结构；网间有相通的空隙，如苯乙烯系离子交换树脂（见图）。 孔穴；位于网状结构中，按微孔结构又分为凝胶型和大孔型 ２离子交换作用的原理

服从等物质作用原理；具有选择性。

（１）晶格理论：如与晶体型无机离子交换剂发生离子交换，交换的难易程度取决于：离子交换剂对可交换离子引力的大小；被交换离子的浓度、离子半径、所带电荷；新形成晶体与原晶体晶形的接近程度以及溶解效应等。（２）双电层理论：如离子交换剂为胶体，则被交换离子与胶体扩散层离子交换，形成新的双电层，新双电层与原双电层其稳定性、ξ电等需高于或接近（３）符从质量作用定律 3吸附理论 (1) 吸附模型 (2)吸附动力学 第六章 脱氮除磷过程化学 第一节 脱 氮

? 一、废水中氮的问题

? 工业生产过程中排放的含氮废水及生活污水排入水体，土壤中的氮肥随雨水冲入江

河，给水体带来的危害表现有以下五个方面： ? （1）水体的富营养化

? 引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，形成水华，有损水体环境景观，使其旅游价值

降低；

? 水体溶解氧量下降及藻类的腥味等，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象； ? 一些藻类的蛋白质毒素，可富集在水生生物体内，并通过食物链使人中毒；

? 另外富营养化水体水流变缓，长期下去，大量藻类残体可使湖泊、河流变浅，最终

变成沼泽地。

? （２）增加给水处理的成本 水体中氮含量增加，会增加各种化学试剂用量等，如为了

脱臭、除味、脱色而使化学试剂增加，滤池的反冲洗次数也增加。 ? （３）还原态氮排入水体，会因硝化作用而耗费水体中大量氧。 ? （４）水体中亚硝酸氮对人及生物有毒害作用

? （５）农业灌溉时，总氮量超过1mg/L时，作物吸收过剩的氮，易产生贪青倒伏现象 ? 二、生物脱氮

? 在普通的废水二级处理中，氮是以氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮形成存在。二级处理对

氮的去除率比较低，它仅是微生物细胞合成所需要量，用于微生物细胞合成所需氮量， ? 三、脱氮原理

? 现有的以传统活性污泥法为代表的好氧生物处理法，其功能主要是去除水中呈溶解性

的有机物，至于氮磷只能去除细菌细胞由于生理上需要的摄取量。即氮只能去除20-40%，磷只能去除5%-20%。

? 在未经处理的污水中，含氮化合物主要存在形式有：有机氮，如蛋白质、氨基酸、胺

类、尿素、硝基化合物；氨氮如，NH3、NH4+等 ? １氨化反应

? 氨化作用:又叫脱氨作用，微生物分解有机氮化物产生氨的过程。产生的氨，一部

分供微生物或植物同化，一部分被转变成硝酸盐。

硝化作用：硝化作用是指氨在微生物作用下氧化为硝酸（盐）的过程。

反硝化过程：也称脱氮作用。反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的过程。

（三）生物脱氮工艺

１ 单级及多级活性污泥脱氮工艺

单级活性污泥脱氮工艺流程一般首先有一个好氧反应器，污水在其中进行含碳有机物、含氮有机物及氨氮的硝化反应；接着是一个缺氧反应器，NO3-—N的还原是利用好氧反应器中微生物内源代谢物质作为碳源有机物。 （一）化学除磷法

化学除磷是将可溶性钙盐、铁盐和铝盐投放到污水中与磷酸盐反应生成不溶性的磷酸钙、磷酸铁或是磷酸铝沉淀物。

常用的无机沉淀剂有：CaCl2、Al2(SO4)3、Na3AlO4、FeCl3、FeCl2和FeSO4等 （二）生物除磷法 生物正常吸收磷

在好氧生物处理过程中（如活性污泥法）产生的生物量，磷占其干重的２%-３%。含磷的生物化学计量式可以写成C5H7O2NP0.1，分子量为116g/mol，其中磷占2.67%。排放的剩余污泥中含磷量，同其中的挥发性有机物总量成正比。 （五）硫酸生产的固体废物

硫酸生产的固体废物主要是硫铁矿烧渣、水洗净化工艺废水处理后的污泥、酸洗净化工艺含泥稀硫酸以及废催化剂。其中硫铁矿烧渣是硫酸生产中最大的固体废物。 硫铁矿是我国生产硫酸的主要原料，

第一步 在沸腾炉（因反应物在高温下呈雾状沸腾）里发生 ? 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2

第二步 在接触室里发生 在常压（压强越大转化率越高，但这会让设备投入更多，增加成本，又因为在常压下转化率已经很高，故条件为常压)下 温度大概在500摄氏度（因为此时转化率比较高，且是催化剂 V2O5 活性最强的时候） ? 2SO2+O2=2SO3

第三步 在吸收塔里 用98.3%的浓硫酸吸收SO3，生成发烟硫酸，若用水就会产生酸雾 影响吸收效果

? H2O+SO3=H2SO4

? 硫铁矿烧渣的主要成分：Fe 35-57% ；SiO2 10-19%；其它共生元素如Cu、 Pb、Zn、S、

P等。 硫铁矿烧渣是炼铁、提取有色金属或制造建筑材料的生要资源。

? 此外，硫酸生产水洗净化工艺废水处理还会产生一定量的污泥，其主要成分为CaSO4、

CaSO3、CaF、Ca(OH)AsO2、Fe2O3、SiO2等

第八章 有机固体废物的污染控制化学

第一节 固体废物 是指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的气态的物品、物质以及法律、行政法规规定纳入固体废物管理的物品、物质。

种类：固体废物的种类很多，通常将固体废物按其性质、形态、来源划分其种类。如按其性质可分为有机物和无机物；按其形态可分为固体的（块状、粒状、粉状）和泥状的；按其来源可分为矿业的、工业的、城市生活的、农业的和放射性的。此外，固体废物还可分为有毒和无毒的两大类。有毒有害固体废物是指具有毒性、易燃性、腐蚀性、反应性、放射性和传染性的固体、半固体废物。

目前要机垃圾处理主要有三种方式，即卫生填埋、堆肥和焚烧。 ? 四、影响垃圾降解的因素

? 影响垃圾降解的因素分两大类：一类是环境因素，包括温度、pH、湿度和氧化还原电

位等；另一类是基本因素，包括微生物量、有机物组成、营养比等混合接触条件。

? １温度 微生物生长的温度范围很硬广，约为-５-８５℃。３０-４０℃对于垃圾产气

是合适温度，有研究表明，４１℃是垃圾产气最佳温度，而在４８-５５℃，垃圾基本不产气。

? ２ 湿度 水是微生物活动和厌氧降解成功的基本条件。垃圾卫生填埋过程中能承受

的含水率范围较宽，为２５%-７０%。

?

当含水量高时，卫生填埋过程中容易形成恶臭，导致空气污染。通常填埋场的渗沥水回灌能加速填埋场的稳定。其最佳含水率为５０-６０%，一般情况，垃圾含水率高，产气率也高。

? ３ pH值 在卫生填埋场，垃圾被微生物降解，而产甲烷菌最适宜pH为6.8-7.45，低

于6.8高于7.45产甲烷菌活性低，且要求绝对厌氧。

? ４ 垃圾中有机物组成 在垃圾厌氧降解中，为满足微生物生长需要，垃圾中要有足

够的碳、氮、磷存在，一般C/N=10-20：1，有机物去除量最大。C/N太高与太低都影响产甲烷菌的生长。研究还发现，糖分的存在在厌氧条件生成羧酸而引起pH值下降，抑制垃圾的降解。因此，通过堆肥预先去除部分含糖量高的厨余垃圾将有助于填埋场内垃圾的降解。 ? 第三节 堆肥稳定化过程用生物化学 一、卫生填埋场垃圾的降解过程

垃圾的降解实质上是一个由多细菌参与的多阶段复杂的生物化学过程，主要可分以下五个阶段：

１初始调整阶段 垃圾一进入填埋场中就进入初始调整阶段。此阶段内垃圾中易降解组分快速与填埋垃圾所夹带的氧气发生好氧生物降解反应，生成CO2和H2O，同时释放一定的热量。在此阶段的初期，除了微生物生化反应外，还包括许多昆虫和无脊椎动物对易降解组分的分解作用。 ? ２ 过渡阶段 在此阶段，填埋场内氧气被耗尽，填埋场开始厌氧条件，。在此阶段垃圾中

的硝酸盐和硫酸盐分别被还原为N2和H2S，填埋场内氧化还原电位靛渐降低，渗滤液pH开始下降，酸性增强。此时起主要作用的微生物是兼性厌氧菌和真菌。

３ 酸化阶段 填埋场中H2含量达最大值，填埋场稳定化已进入酸化阶段。对垃圾降解起主要作用的微生物是兼性和专性厌氧菌，填埋气的主要成分是CO2，渗滤液COD、VFA（volatile fatty acid,即挥发性脂肪酸，是厌氧生物处理法发酵阶段的末端产物。）和金属离子浓度继续上升至中期达到最大值、此后逐渐下降，同时pH继续下降至中期达最低值（５甚至更低），此后又慢慢上升。

４甲烷发酵阶段 当填埋气中H2含量下降至很低时，填埋场稳定化即进入甲烷发酵阶段，此时产甲烷菌将醋酸和其它有机酸以及H2转化为CH4。此阶段专性厌氧菌缓慢却有效地分解所有可降解垃圾至稳定的矿化物或简单的无机物。此队段前期，填埋气CH4含量上升至50%左右，渗滤液COD浓度、BOD5浓度、金属离子浓度和导电率迅速下降，渗滤液pH值上升6.8-8.0；此后，填埋气CH4含量和渗滤液pH值分别稳定在55%左右和6.8-8.0，渗滤液COD浓度、BOD5浓度、金属离子浓度和导电率缓缓下降。

５ 成熟阶段 当垃圾中生物易降解组分基本被分解完时，填埋场稳定化就进入成熟阶段。此阶段，由于大量的营养物已随渗滤液排出或生物降解，只有少量的微生物分解垃圾中难降解物质，填埋气的主要组分依然是CO2和CH4，但其产率已显著降低，渗滤液常常含有一定量的难降解的腐殖酸和富里酸。 ? 一、堆肥的稳定化过程 ? （一）好氧堆肥原理

? （主要利用多种微生物的作用，将植物有机残体，进行矿质化、腐殖化和无害化，使各种

复杂的有机态的养分，转化为可溶性养分和腐殖质，同时利用堆积时所产生的高温（60—70℃）来杀死原材料中所带来的病菌、虫卵和杂草种子，达到无害化的目的。） ? 好氧堆肥是在有氧条件下，好氧菌对废物进行吸收、氧化、分解。微生物通过自身的

生命活动，把一部分被吸收的有机物氧化分解成简单的无机物，同时释放出可供微生物生长活动所需的能量，而另一部分有机物则被合成新的细胞质，使微生物不断生长繁殖，产生出更多生物体的过程。 ? （二）好氧堆肥过程

? 好氧堆肥过程可大致分为三阶段：中温阶段，高温阶段，降温阶段

? 1. 中温阶段：不耐高温的细菌分解有机物中易降解的碳水化合物、脂肪等，同时放出热量

使温度上升，温度可达15~4５℃。时间１-３d.

?

2.高温阶段：耐高温细菌迅速繁殖，在有氧条件下，大部分较难降解的蛋白质、纤维等继续被氧化分解，同时放出大量热能，使温度上升至４５~70℃,３-８d。当有机物基本降解完，嗜热菌因缺乏养料而停止生长，产热随之停止。堆肥的温度逐渐下降，当温度稳定在40℃，堆肥基本达到稳定，形成腐植质。3. 降温阶段：冷却后的堆肥，一些新的微生物借助残余有机物（包括死后的细菌残体）而生长，将堆肥过程最终完成。 第九章 废气治理过程化学

? 废气是指人类在生产和生活过程中和某些自然现象如森林火灾、地震、火山爆发等，向

大气中排出的有毒有害的污染物，当中心排放物超出一定界限，造成对环境容量和其它生物的危害时，就产生大气污染。特别是化工厂、钢铁厂、制药厂，以及炼焦厂和炼油厂等，排放的废气气味大，严重污染环境和影响人体健康。

? 根据大气污染的存在形式，可以将大气污染分为颗粒物质与气态物质。

? １颗粒物质 是指大气中粒粒不同的固体、液体的气溶胶体。通常分为以下８种： ? （１）悬浮颗粒物（SPM）：为大气颗粒物的通用术语； ? （２）总悬浮颗粒物（TSP）：指大气中100um以下的颗粒； ? （３）烟：通常的指气-固溶胶，固体颗粒分散在气相中。 ? （４）炭黑：指人类生活与工业生产过程产生的或由森林火灾产生的，由粒径10-1000mm

的球粒和复合颗粒组成的碳质物质，也有部分由化石燃料不完全燃烧产生。 ? （５）PM10：指空气动力学直径小于或等于10um的大气颗粒物。 ? （６）PM2.5：指空气动力学直径小于或等于2.5um的大气颗粒物。

? （７）可吸入颗粒：通过呼吸系统可以吸入人体的颗粒，通常就是PM10。 ? （８）可入肺颗粒：能够进入人体肺泡的颗粒，通常就是PM2.5。 ? ２气态污染物

? 气态污染物 包括气体和蒸汽。气体是某些物质在常温、常压下所形成的气态形

式。常见的气体污染物有：CO、SO2、NO2、NH3、H2S等。

? 蒸汽是某些固态或液态物质受热后，引起固体升华或液体挥发而形成的气态物

质。例如：汞蒸汽、苯、硫酸蒸汽等。蒸汽遇冷，仍能逐渐恢复原有的固体或液体状态。 ? 气态污染物分类：

? 气态污染物 又可以分为一次污染物和二次污染物。 ? 一次污染物是指直接从污染源排到大气中的原始污染物质； ? 二次污染物是指由一次污染物与大气中已有组分，或几种一次污染物之间经过一系列

化学或光化学反应而生成的与一次污染物性质不同的新污染物质。

? 在大气污染控制中受到普遍重视的一次污染物有硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物以

及有机化合物等；二次污染物有硫酸烟雾和光化学烟雾。

? 从大气治理过程来说，颗粒物的治理一般采用物理方法，如重力沉降、旋风除尘、湿式

除尘、静电除尘、过滤除尘等。

? 而气态污染物的治理常采用吸收、吸附等伴有化学反应的方法。

? 所以本章主要讨论气态污染物的治理，重点突出废气治理过程所要发生的化学反应。 ? 第一节 SO2治理 SO2治理

一、Ｓ与Ｎ的氧化还原反应

H2SNH3+HO2SN2O2SO2NOO2SO3NO2H2OH2SO4 +HO2O2O2H2O

HNO3

大气是的SO3、NO2遇水形成硝酸与硫酸，它们可以与空气中颗粒反应生成硝酸盐与硫酸盐。这些颗粒大小为0.1-1um，在空气中漂浮，有助于形成PM2.5与PM10，也是酸盐形成的主要原

因。

二、SO2的来源

二氧化硫（化学式：SO2）是最常见的硫氧化物。无色气体，有强烈刺激性气味。大气主要污染物之一。火山爆发时会喷出该气体，在许多工业过程中也会产生二氧化硫。由于煤和石油通常都含有硫化合物，因此燃烧时会生成二氧化硫。

SO2排入大气，最后随着降水，大部分进入海洋（因为世界大部分雨落在海中），然后经过时间和地理进程，进入泥土，最后进入化石燃料和含硫化物，而人类利用化石燃料和含硫化矿物，又排出SO2。如果要控制SO2的产生，就要用各种方法使SO2转化成石膏，回到土壤，通常的反应是：

SO2另一个重要的来源是冶金，主要是铜矿CuFeS2，制铜的基本反应是其高温下的熔化反应：

Cu+FeO+2SO2 CuFeS2+2.5O2 因冶金过程的SO2易于控制，

空气中的SO2大多来自燃料的燃烧。 三、SO2在大气中的主要反应

大气中的SO2最终归宿是转化成硫酸盐，进入海洋与土壤。一般认为，SO2进入海洋与土壤有两个途径：催化氧化与光化学氧化。 （一）SO2的催化氧化

大气中，SO2溶解于小水滴，同时小水滴中又有氧气及金属盐（铁盐与锰盐），在它们的作用下，SO2能迅速氧化成硫酸：

CaCO3+SO2+1/2O2CaSO4+CO2

根据平衡移动原理，液滴的酸碱度对SO2的转化影响很大。相对湿度与催化剂种类对该反应也有大的影响，湿度高于70%，以锰盐为催化剂，转化率较高. （二）SO2的光化学氧化

大气中SO2有两个大于290nm的吸收光谱，即384nm和294nm。在384nm处为弱吸收，SO2吸收这个波长的光后，变为第一激发态（即三重态,用3SO2表示）在294nm处为强吸收，

１

SO2吸收这个波长的光后，变为第二激发态（即单重态,用SO2表示）3SO2能量较低，比较稳

１

定；SO2能量较高，进一步转化为基态SO2与3SO2。大气中若有NOx和烃类，3SO2易光氧化为SO3;

四、SO2的治理概况

工业上SO2的主要途径有３类：减硫、气体稀释（高空排放）和烟气脱硫。 1 减硫 一般有３种措施减硫

采用低硫燃料，这是简单有效的途径

燃料脱硫，包括煤的清洗和溶剂提纯，这是较好途径。重油脱硫技术已很完善，但费用高（特别是脱有机硫）；燃气脱硫技术成熟；煤脱硫技术也有所进展。 调整燃烧工艺，比如采用流化床燃烧

２ 气体稀释（高空排放）这是我国目前普遍采用的途径，可使地面浓度低于最高允许浓度，但此法治标不治本。

３ 烟气脱硫 这是最有效，发展最快的途径，发达国家已大量使用，控制污染效果很好。烟气脱硫可分为干法与湿法，按对副产物的处理分为抛弃法和回收法。

干法优点是无废酸、废水排放，减少二次污染，缺点是脱硫效率低且不稳定，设备庞大，操作要求高。

湿法通常采用碱性溶液吸收SO2，效率高且稳定，设备简单，操作要求低。抛弃法处理简单，费用低，但需占用大量场地，硫资源浪费，且有二次污染。回收法投资的操作费用大，但资 源得到充分利用，二次污染小。

目前，处理SO2的方法非常多，其中湿法中的石灰石-石灰法应用最广泛，技术最成熟。

2SO2+2H2O+O2催化剂（金属盐）2H2SO4石灰石-石灰法

优点：脱硫效率高，可达95%以上；吸收剂用率高，Ca/S摩尔比一般为1.05-1.1；对煤种的适应性好，尤其适用于高硫煤；吸收剂来源广，价格低，用量小；系统成熟，动行可靠性高。 缺点：有一定量废水排出，且投资 费用高，占地面积大。

该用艺采用石灰石为吸收剂，与烟气中的SO2反应，成副产品石膏，主要反应如下：

SO2+H2OCaO+H2OH2SO3H++SO42-Ca(OH)2Ca2+CaSO3+CaSO4+H2OCa(SO3)1-x(SO4)x.1/2H2O其它湿法脱硫

(一) 用氨吸收SO2反应如下：

NH3+SO2+H2O2NH3+SO2+H2ONH4HSO3(NH4)2SO32NH4HSO3

(NH4)2SO3对SO2有很强的吸收能力，但随吸收的进行，NH4HSO3增多，吸收能力降低，所以必须及时补氨，使NH4HSO3转化为(NH4)2SO3：

NH4HSO3(NH4)2SO3+SO2+H2O+NH3(NH4)2SO3

? 第二节 NOX控制 ? 一、与SOX的比较

(1)一般环境中，NOX的控制常与SOX的控制结合起来，因为二者有许多相同的地方。(2) NOX与SOX都能在空气中，与氧气和水反应产生酸，这两种酸都能引起酸雨。(3) 经过大气中的转移，都有助于形成PM10与PM2.5。 (4) 都大量排入大气中，且都是法规所规定要控制的污染物。(5)都主要通过燃烧途径进入大气。但是，两者还是有许多不同的地方：

（１）汽车尾气是NOX的主要来源，几乎占NOX排放的一半，而尾气中，SOX占总量的比例则很少。

? （２）SOX主要来源于含硫燃料（或含硫矿）。可尽管一些NOX来源于含氮燃料，但

大多数却来自于空中放电过程引起的氮的氧化。

? （３）NOX的形成可通过调整燃烧时间，火焰温度和氧含量而大大减少，而SOX则不

然。

? （４）结果治理，SOX的最终命运是可以转化成CaSO4.H2O，无毒、微溶、可填埋，

但NOX的最终命运，是希望是使它转化成N2与O2，回到大气中。

? （５）去除SO２可通过溶解，与碱反应，相当简单；而NO则不溶于水，也不能与水

生成酸，必须经两步形成酸：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

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?

? ?

第一步相当慢，因此若用去除SO２的湿式石灰石法去除NO，效果很差。 二、NOX的性质及其在大气中的反应

NO通常状况下是无色气体，几乎不溶于水，微溶于硝酸；与稀碱不发生作用，在空气中氧化成NO2.

NO2通常状况是红棕色气体，有异腥味，易液化，与水反应生成硝酸。NO２易聚合，生成N2O4:

NO２易溶于硝酸，且随硝酸浓度增加。与碱溶液反应，生成等分子的亚硝酸盐与硝酸盐。

NO氧化也同时生成N2O3，该反应速度极快。N2O3又称亚硝酐，常温下N2O3分解生成NO与NO2。与水反应生成亚硝酸，与碱反应生成亚硝酸盐。

工业上NO与NO2一般一同处理，合称NOX。NOX在大气中的一个主要的危害是有助于形成O3，会导致化学烟雾的形成。

NO+HC+O2+阳光→NO2+O3 这是一系列反应的总反应式。NO、NO2和O3的反应： 这里Ｍ代表任何其它分子（如N2和O2等），当有NO存在时，O3与NO反应释放出O2。

四 NOX控制

NOX控制有两种，一是调整燃烧工艺防止产生NOX；二是处理燃烧后的烟气，使NOX转变成N2或硝酸。

调整燃烧工艺被广泛采用。一些燃烧工艺调整色括空气与燃料的混合、空气与燃料的燃烧、传递掉火焰的热量，再加入空气完全燃烧。该工艺称为两段燃烧或再燃烧。 第一阶段最大温度降低，因为不是所有的燃料在燃烧。当所有的O2反应完成达到最大温度，因此就没有足够的O2来生成NO。第二阶段里，第一阶段产生的热量被去除使最大温度降低，NO量少。某些工艺中，第二阶段加入少量燃料，通常是低氮燃料。 该工艺的优点是费用低，缺点是需要更大的炉腔，第二阶段的燃料很难燃烧，排气中未燃尽的燃料和CO增加。因此，工业上更多的NOX控制在排烟气后。

目前大多数NOX的去除是在烟气中加入还原剂把Ｏ从NO中去除，几乎所有气态还原剂可以使用，如CO、CH4、HCs、NH3等。故可以把燃烧后去除NOX的方法分为三类： 非选择性催化还原法、选择性催化还原法、吸收法。

１非选择性催化还原法 此法是用CO、CH4、H2、石油气等在有催化剂存在条件下，将废气中的O2燃烧并将NOX还原为N2和H2O。现以甲烷为还原剂的相应反应介绍如下：

在催化剂床的反应是在绝热条件下进行，还原介质与空气中的O2燃烧放热，使系统温

CH4+2O2CO2+2H2O+802.8kJ度升高：

CH4+0.5O2CO+2H2+35.13kJ当甲烷燃烧不完全量，有CO和H2生成： 在NOX还原过程中，首先NO2被CO和H2还原为NO，然后NO继续还原为N2,其中包括CO和H2氧化成CO2和H2O的反应。NOX还原为N2的总反应为：

CH4+2NO2N2+CO2+2H2O+870.3kJ2N2+CO2+2H2O+1163kJ? ? ?

该法采用的催化剂有pt、Cu、Cr等金属。某些杂质会影响催化活性。 ２选择性催化还原法

该法以NH3、H2S、CO等作还原剂，在催化剂作用下，把NOX还原为N2,而废气中

的O2不参与反应。该法随还原剂的不同，可分为： (1) NH3选择性催化还原法

CH4+4NO 6NO+4NH3Pt150-250CPt150-2500C05N2+6H2O 6NO+H2S120-150C120-1500C00.5N2+H2O+S2H2O+3S

6NO+8NH37N2+12H2OSO2+H2S

? ? (2) H2S选择性催化还原法 (3) Cl-NH3选择性催化还原法

2NO+Cl2C 50C2NH4Cl+N2+2H2O02NOCl NO+COSO2+2CO0.5N2+CO2S+CO2(4) CO选择性催化还原法

3 吸收法 该法原理与去除SO2所用的吸收法相似，利用NOX酸性氧化物与碱液反应生成盐。该法一般都能同时吸收烟气中的SO2。但由于NO不能单独被碱液吸收，而NO和NO2形成的N2O3却比NO2更易被碱液吸收，所以当NO与NO2１:１时，吸收速率比１%的NO大约快10倍。该法以所用碱液的不同，可以分为４类（1）Na2CO3水溶液吸收法（2）NaOH水溶液吸收法（3）Ca(OH)2水溶液吸收法（4）Mg(OH)2水溶液吸收法

第四节 汽车尾气

一、汽车尾气的主要成分

汽车燃料在空气中燃烧，产生如下尾气 二、汽车尾气的净化处理技术

由于汽车运行严重的分散性和流动性，因而也给净化处理技术带来一定的限制。除了开发在机内净化技术外，还要大力开发机外净化处理技术。这应从两个方面入手：

一是控制技术，主要是提高燃油的燃烧率，安装防污染处理设备和采取开发新型发动机；二是行政管理手段，采取报废更新，淘汰旧车，开发新型的汽车（即无污染物排放的机动车），从控制燃料使用标准入手。 （一）汽车燃油的改用

⑴采用无铅汽油，以代替有铅汽油，可减少汽油尾气毒性物质的排放量。

首先应抓汽车油的改用。以无铅汽油代替四乙基铅汽油。这种汽油是用甲荃树丁醚作渗合剂，它不仅不铅，而且汽车尾气排出的一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物均会减少。 ⑵ 掺入添加剂，改变燃料成分

汽油中掺入15％以下的甲醇燃料，或者采用含10％水份的水－汽油燃料，都能在一定程度上减少或者消除CO、NOx 、HC和铅尘的污染效果。 ⑶ 选用恰当的润滑添加剂－机械摩擦改进剂

在机油中添加一定量（比例为3％－5％）石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯粉末等固体添加剂，加入到引擎的机油箱中，可节约发动机燃油5％左右。 ⑷ 采用绿色燃料同样可减少汽车尾气有毒气体排放量

⑸采用多种燃料作为汽车燃料来源

随着科学技术的发展和计算机的广泛应用，确保环境保护法规的实施和节能措施：汽车中可广泛使用新的配方汽油、电力、压缩的天然气体、太阳能以及生态燃料的蓄电池等等

(二) 汽车发动机内部的调试，可减少尾气污染物的排放量

⑴ 减少喷油提前角。减少喷油提前角，可降低发动机工作的最高温度（1500C0），使NOx的生成量减少。

⑵ 改善喷油器的质量，控制燃烧条件（燃比、燃烧温度、燃烧时间），可使燃料燃烧完全，从而可减少CO、HC和煤烟。

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2NOCl+4NH3

⑶ 调整喷油泵的供油量，可降低发动机的功率，使雾化的燃料有足够的氧气进行完全燃烧，从而也可以减少CO、HC和煤烟的生成。

(三) 发动机外部尾气净化措施 即汽车尾气由原有毒气体，变成为无毒气体，再排放到大气中。从而可减少对大气环境的污染。

⑴采用催化剂：将CO氧化成CO2 ，HC氧化成CO2 和H2O，NOx 被还原成为N2 等。采用的催化剂有氧化锰－氧化铜；氧化铬－氧化镍－氧化铜等金属氧化物和白金属（铂）等贵金属。它们都可以净化CO、HC。催化反应器设置在排气系统中排气歧管与消音器之间。

⑵水洗：通过水箱，使汽车尾气中的碳烟粒子经过水洗和过滤及蒸气的淋浴，而给予去除。

(四) 发动机内部净化处理措施

⑴正曲轴箱通气系统的设计：把从汽缸窜入曲轴箱的气体（主要是未燃气体）再循环进入进气歧管，使其再次燃烧，改变了过去将其直接排入大气所造成的污染。

⑵排气再循环设计：发动机排气口用控制阀与进气歧管相连接，使排出的气体经过再次循环，以降低氮氧化物的排放量。

⑶蒸发排放控制系统的设计：将化油器浮子室中的汽油蒸发汽引入进气系统，而将油箱中的蒸发汽引入储存系统，可大大减少污染物的排放。

（五）加强行政管理，减少和消除汽车尾气对大气环境的污染

⑴淘汰旧车，采取报废迎新。开发并采用多种燃料的新型汽车，这是今后汽车的发展方向。以氢为燃料的电池电动车、太阳能汽车、电动汽车、复式汽车、液化气汽车、甲醇汽车等。它们是低公害、前途最佳的新型汽车。

⑵严格执行国家质量技术标准，控制燃油标准。

按国家规定，不合质量的燃油不能使用，市场上不准出售低劣的燃油。 一、混凝的原理 （一）胶体的结构：

胶粒的结构比较复杂，先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心，称为胶核；然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附层；由于正、负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子的包围圈，从而形成了带与紧密层相同电荷的胶粒；胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。

AgNO3 + KI→KNO3 + AgI↓ 过量的 KI 作稳定剂

–

胶团的结构表达式 ： [(AgI)mn I–(n-x)K+]xxK+

胶团的图示式： 胶粒与扩散层溶液间的电位称为ξ电位。而胶核表面与扩散层溶液间的电位称为总电位φ电位。 由于胶体ξ电位、颗粒小粒子热动、水合作用等原因，同种胶体粒子间相互排斥，因此胶体粒子不能聚结而长期保持稳定的分散状态 （二）化学混凝的机理

至今仍未完全清楚。因为它涉及的因素很多，如水中杂质的成分和浓度、水温、水的pH值、碱度，以及混凝剂的性质和混凝条件等。但归结起来，可以认为主要是三方面的作用： (1) 压缩双电层作用

如前所述，水中胶粒能维持稳定的分散悬浮状态，主要是由于胶粒的ξ电位。如能消除或降低胶粒的ξ电位，就有可能使微粒碰撞聚结，失去稳定性。在水中投加电解质——混凝剂可达此目的。

例如天然水中带负电荷的粘土胶粒，在投入铁盐或铝盐等混凝剂后，混凝剂提供的大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层。 (2)吸附架桥作用

三价铝盐或铁盐以及其他高分子棍凝剂溶于水后，经水解和缩聚反应形成高分子聚合物，具有线性结构。这类高分子物质可被胶体微粒所强烈吸附。因其线性长度较大．当它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐结大，形成肉眼可见的粗大絮凝体。这种由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的过程，称为絮凝。

(3) 网捕作用

三价铝盐或铁盐等水解而生成沉淀物。这些沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等微粒，使胶体粘结。

上述三种作用产生的微粒凝结现象——凝聚和絮凝总称为混凝。

对于不同类型的混凝剂，压缩双电层作用和吸附架桥作用所起的作用程度并不相同。 对高分子混凝剂特别是有机高分子混凝剂，吸附架桥可能起主要作用；

对硫酸铝等无机混凝剂，压缩双电层作用和吸附架桥作用以及网捕作用都具有重要作用。

如前所述，水中胶粒能维持稳定的分散悬浮状态，主要是由于胶粒的ξ电位。如能消除或降低胶粒的ξ电位，就有可能使微粒碰撞聚结，失去稳定性。在水中投加电解质——混凝剂可达此目的。

例如天然水中带负电荷的粘土胶粒，在投入铁盐或铝盐等混凝剂后，混凝剂提供的大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层。 (2)吸附架桥作用

三价铝盐或铁盐以及其他高分子棍凝剂溶于水后，经水解和缩聚反应形成高分子聚合物，具有线性结构。这类高分子物质可被胶体微粒所强烈吸附。因其线性长度较大．当它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐结大，形成肉眼可见的粗大絮凝体。这种由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的过程，称为絮凝。

(3) 网捕作用

三价铝盐或铁盐等水解而生成沉淀物。这些沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等微粒，使胶体粘结。

上述三种作用产生的微粒凝结现象——凝聚和絮凝总称为混凝。

对于不同类型的混凝剂，压缩双电层作用和吸附架桥作用所起的作用程度并不相同。 对高分子混凝剂特别是有机高分子混凝剂，吸附架桥可能起主要作用；

对硫酸铝等无机混凝剂，压缩双电层作用和吸附架桥作用以及网捕作用都具有重要作用。

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