课程名：环境工程原理(Principle of Environmental Engineering) 学分：2 学时：32
课程类别：专业教育基础必修课
开课学院：海洋科学学院 所属基层教学组织：
曾任课教师：
课程大纲：
一、课程性质与目的
本课程是为环境工程专业本科生开设的一门重要的专业基础课，是环境工程专业本科生的必修课程。环境工程原理作为主干专业基础课，从环境工程的实际需求出发，对基本原理进行深入浅出的阐述，引导学生入门并培养学生分析和解决专业问题的能力。本课程的教学目的在于通过教与学，使学生正确理解环境净化与污染控制技术的体系，掌握以“隔离技术”、“分离技术”和“转化技术”为代表的三类污染控制技术的基本原理和一般方法，并能综合运用于对实际问题的分析，具备较强的解决复杂环境问题的综合能力，培养学生系统、整体优化的环境观念，为以后学习其它专业课程打下扎实、系统和宽厚的理论基础。
二、课程简介
本课程主要讲述水处理工程、大气污染控制工程、固体废弃物处理处置工程等环境污染防治以及生态修复工程中涉及的具有共性的基本现象和基本过程的基本原理，主要包括环境工程原理基础、分离过程原理和反应工程原理三部分内容。环境工程原理基础部分主要讲述物料与能量守恒原理、传递过程等。分离过程原理部分主要讲述沉淀、过滤、吸收、吸附的基本原理。反应工程原理部分讲述化学和生物反应计量学、动力学、各类反应器的过程解析等。通过上述内容的教学，使学生了解环境污染控制技术的基本体系，掌握环境净化与污染控制技术的基本原理和方法，并综合运用于实践，培养解决复杂环境问题能力和系统、整体优化的环境工程观念，为其它专业课程学习打下扎实理论基础。
三、教学内容
第一部分 环境工程原理基础（6学时）
第一章 绪论（2学时）
主要内容：环境问题，环境工程学的基本概念、研究对象、学科体系，环境净化与污染控制
技术概述及其原理；衡算的基本概念、质量和能量衡算等环境工程中分析问题的
基本方法。
学习要求：重点掌握质量和能量衡算的概念，重要性及其作用；了解常见环境问题、环境工
程学的研究对象、学科体系。
自学：环境学科的发展简史及现状，环境工程学常用物理量。
作业：读书报告——“科学发展观”指导思想下急需解决的环境问题。
第二章 热量传递（2学时）
主要内容：热量传递的三种方式：热传导、对流传热和辐射传热；热传导的概念、过程特性、
平壁与圆筒壁热传导规律；对流传热的概念、机理、对流传热速率及影响因素、间壁传热过程计算；辐射传热的概念、灰体间辐射传热、气体间辐射传热；换热器分类及结构形式、强化换热器传热过程的途径。
学习要求：了解热量传递的三种方式；重点掌握热传导、对流传热和辐射传热的机理、规律
及过程计算；掌握强化换热器传热效率的途径。
作业：传热系数、平均温差及传热单元数法计算练习。
第三章 质量传递（2学时）
主要内容：环境工程中常见质量传递的两种机理：分子扩散和涡流扩散；分子扩散的费克定律及分子扩散系数；涡流扩散过程及涡流扩散系数；静止流体中分子质量传递的两种典型情况：单向扩散和等分子反向扩散；测定气体在空气中的扩散系数的温克尔曼法；界面上有化学反应时的稳态传质过程；单相中的对流传质过程；对流传质过程的机理，传质边界层的定义，对流传质速率方程，典型情况下的对流传质系数。
学习要求：掌握费克定律、分子扩散系数及对流质量扩散系数的基本概念；了解扩散通量及浓度分布的定义，掌握温克尔曼法；了解界面上有化学反应时的稳态传质过程；掌握等分子反向扩散的传质系数和单向扩散的传质系数；能够运用雷诺数和施伍德数分别计算不同情况下的对流传质系数。
自学：环境工程中几种常见的传质过程。
作业：传质系数及传质通量计算练习。
第二部分 分离过程原理（10学时）
第四章 吸收（4学时）
主要内容：吸收的基本概念、分类及在环境工程中的应用；物理吸收的热力学基础和动力学基础：气－液平衡和亨利定律，根据相平衡关系确定传质方向、推动力和传质极限；吸收过程的双膜理论、总传质速率方程和传质阻力分析；化学吸收的特点、平衡关系和传质速率；吸收设备的主要工艺计算：填料塔的物料衡算与操作线方程、吸收剂用量及填料层高度的基本计算。
学习要求：了解吸收的分类，掌握物理吸收的热力学基础和动力学基础，重点掌握：根据亨
利定律确定传质方、推动力和传质极限；化学吸收速率；吸收设备的主要工艺计
算。
作业：吸收过程的设计型计算和操作型计算练习。
第五章 吸附（4学时）
主要内容：吸附的分类和应用，吸附平衡理论：Freundlich方程、Langmuir方程和BET方程；吸附动力学理论：外扩散、内扩散和表面吸附；吸附操作：接触过滤吸附和固定床吸附；吸附穿透曲线的绘制。
学习要求：了解吸附分离操作的基本概念、分类和应用；掌握吸附平衡理论的三个有代表性的等温吸附方程：Freundlich方程、Langmuir方程和BET方程；了解不同扩散阻力控制时的吸附过程；重点掌握接触过滤吸附过程中单级吸附的工艺计算和固定床吸附过程的穿透时间计算。
自学：几种常用吸附剂的特性及环保领域新型吸附剂研究进展。
作业：1. 读书报告――环保领域新型吸附剂研究进展。
2．单级吸附工艺计算和固定床吸附穿透时间计算练习。
第六章 离子交换和膜分离（2学时）
主要内容：离子交换过程及应用，离子交换基本理论：离子交换反应、离子交换平衡和选择性系数、离子交换动力学基础；膜分离过程的分类、特点、表征参数、推动力以及过程模型，反渗透和纳滤的机理和过程计算，微滤和超滤的过程计算，电渗析机理，其它膜分离过程。
学习要求：了解离子交换的基本理论和应用；掌握离子交换的选择性系数；了解膜分离过程的分类及应用；掌握反渗透和纳滤的过程机理：氢键理论、优先吸附－毛细孔流机理和溶解－扩散机理；重点掌握膜通量、截留率和过程回收率计算；掌握电渗析的基本原理。
自学：离子交换树脂的分类、结构和理化性质；膜分离过程的分类、膜种类和膜材料。
作业：反渗透和纳滤的过程计算练习。
第三部分 反应工程原理（16学时）
第七章 反应动力学基础（4学时）
主要内容：反应操作及反应器的定义，反应器四种操作方式的基本特征，物料的流动与混合状态，反应器的类型；反应计量关系及反应分类，反应进度，反应转化率及其与质量分数、摩尔分数和浓度的关系；反应动力学基础：反应速率的定义及气－固相反应和气－液相反应速率表示方法、反应速率与反应进度和转化率的关系、反应速率方程与反应级数、反应速率常数的概念、恒温恒容条件下均相反应动力学。
学习要求：了解反应器分类和反应器四种操作方式的基本特征，掌握反应器内两种理想流动状态（全混流和平推流）的定义；掌握反应转化率的基本概念及其与质量分数、摩尔分数和浓度的关系；掌握反应速率定义及表示方法；重点掌握反应速率方程、反应级数的概念、以及阿伦尼乌斯方程和活化能的概念；掌握均相反应动力学中反应速率与反应组分浓度之间的关系。
自学：反应器的类型、设计基本内容、和反应器的放大。
作业：1. 反应转化率、反应速率、和反应速率常数的计算练习。
2. 均相反应动力学计算练习。
第八章 反应动力学的解析方法（4学时）
主要内容：反应动力学实验研究的目的和一般研究方法；动力学实验数据的解析方法：间歇反应实验数据的解析方法、连续反应（管式反应器和槽式反应器）实验数据的解析方法；通过反应器的物料衡算推导反应基本方程；间歇反应器的基本方程、动力学实验方法、实验数据的积分和微分解析法；连续反应器的基本方程、实验方法、实验数据的积分和微分解析法。
学习要求：理解反应动力学研究的一般步骤：研究目的、实验设计、数据解析；掌握间歇反应器和连续反应器的基本方程，重点掌握通过数据解析确定反应级数、反应速率常数、推导反应速率方程的方法。
作业：实验数据的微分解析法和积分解析法计算练习。
第九章 均相化学反应器（2学时）
主要内容：间歇反应器的操作方法及设计计算，半间歇反应器的操作方法及设计计算；完全混合流单级和多级串联反应器的操作方法和设计计算；简单平推流和带循环操作的平推流反应器的操作方法和设计计算。
学习要求：掌握间歇反应器内单一反应的设计计算方法；重点掌握完全混合流和平推流反应器内单级反应的设计计算方法；了解多级串联反应器的解析计算法和图解计算法，了解带循环操作的平推流反应器的设计计算方法。
作业：间歇反应器和连续反应器内单级反应的设计计算方法练习。
第十章 非均相化学反应器（2学时）
主要内容：固相催化反应的特征及其在环境工程中的应用；固体催化剂的组成和理化特性；固相催化反应及其本征动力学过程；本征动力学方程的实验测定；固相催化反应的宏观动力学；固相催化反应器的设计与操作；气－液相反应动力学：瞬间反应、快速反应、中速反应、慢速反应速率方程；气－液相反应器的设计。
学习要求：理解固相催化反应的基本步骤和本征动力学过程，不同过程控制下的反应动力学方程；了解固相催化反应的宏观动力学理论；掌握等温、非等温固相催化反应器的设计方法；了解气－液相反应器的应用、反应过程及动力学方程，掌握不同类型气－液相反应的宏观速率方程，重点掌握瞬间反应的速率方程；掌握气－液相反应器的设计方法。
自学：固体催化剂的特征、组成、理化特性及在环境工程中的应用。
作业：等温、非等温固相催化反应器的设计，气－液相反应器的设计练习。
第十一章 微生物反应器（4学时）
主要内容：微生物特性、反应及其在污染控制中的作用；微生物浓度表达方式、微生物细胞的组成式、微生物反应综合方程，分别以基质质量、碳元素、氧消耗量、ATP和有效电子数为基准的细胞产率系数，代谢产物的产率系数；微生物生长速率、基质消耗速率、二者相互关系，代谢产物的生成速率；不同培养方式下微生物反应器的基本方程和设计计算：间歇培养、半连续培养、连续培养。
学习要求：了解微生物的分类、特性、反应特点及在环保领域的应用；了解微生物反应的计量式；掌握以基质质量、碳元素、氧消耗量、ATP和有效电子数为基准的细胞产率系数的定义和计算方法；掌握微生物生长速率、基质消耗速率的表达式，重点掌握污泥增长速率方程；掌握不同培养方式下反应器内微生物和基质浓度变化曲线的绘制方法。
自学：微生物的分类、特性、反应特点及在环保领域的应用。
作业：1. 不同基准的细胞产率系数计算练习。
2. 不同培养方式下反应器内微生物和基质浓度变化曲线的绘制练习。
四、教学基本要求
教师在课堂上应对环境工程原理的基本概念、原理、过程和技术方法进行必要的讲授，并详细讲授每章的重点、难点内容；讲授中应注重基本理论与实际工程应用紧密联系，深入发掘实际工程应用过程具有共通性、统一性的内容，融入教学过程，启迪学生的思维，加深学生对有关概念、理论等内容的理解，并应采用多媒体辅助教学，加大课堂授课的知识含量。重要术语用英文单词标注。
每个学生上交读书报告不少于2份，在环境工程原理基础部分和分离过程部分分别上交一份。读书报告要求在题目框架内不限具体内容，可宏观也可微观；1000～2000字；参考文献约10篇，按核心刊物格式编写。在布置读书报告题目时，教师应引导学生培养中英文资料查阅能力，跟踪学科发展前沿信息的观察力、独立思考能力和综合运用知识能力。教师评阅读书报告时应根据格式、文献来源及发表时间、报告内容和学生个人观点给出综合评分，并及时作出讲评。
本课程自学内容的量应不少于理论教学时数的20%，主要安排在各章节中有关背景资料和易于理解的内容上，自学不占上课学时，但必须考试；学生进行自学前，教师应下发自学提纲或有关思考题，并进行必要的检查。
平时作业量应不少于12学时，在每个章节讲授完之后，要布置一定量的相关计算练习，旨在加深学生对所学知识的理解、运用，强化学习效果。
五、教学方法
实行模块式教学，即将整个课程按照上述内容结构划分为三部分共十一个单元，每个单元再由理论授课、自学、作业或者读书报告等方式构成。
本课程采用的教学媒体主要有：文字教材（包括主教材和学习指导书）、课件（包括主讲老师对全书的系统讲授，还有重要内容的文字提示与电子教学幻灯片）以及网上辅导（主要采用E-MAIL、BBS等形式）。
考试采用闭卷方式，考试范围应涵盖所有讲授及自学的内容，考试内容应能客观反映出学生对本门课程主要概念的记忆、掌握程度，对有关理论的理解、掌握及综合运用能力。
总评成绩：平时作业占25%、读书报告占20％、出勤占15%、闭卷考试占40%。
六、参考教材和阅读书目
参考教材：
胡洪营、张旭、黄霞、王伟合编，《环境工程原理》，高等教育出版社，2005。
阅读书目：
1.蒋展鹏主编:《环境工程学》（第二版），高等教育出版社，2005。
2.Walter J. Weber, Jr. and Francis A. DiGiano: Process dynamics in Environmental systems, John Wiley & Sons, Inc., 1996.
3.[美] 威廉•W•纳扎洛夫(William W Nazaroff)，莉萨•阿尔瓦雷斯－科恩(Lisa Alvarez－Cohen) (2001)：《环境工程原理》，化学工业出版社2006年版。
4.[美] Machenzie L. Davies, Susan J. Masten (2004)：《环境科学与工程原理》，清华大学出版社2007年版。
5.姚玉英主编：《化工原理》（新版），天津大学出版社，2001。
6.陈甘棠主编：《化学反应工程》，化学工业出版社，2001。
7.刘家祺主编：《分离工程》，化学工业出版社，2002。
8.邵刚编著：《膜法水处理技术及工程实例》，化学工业出版社，2003。
9.顾其丰编著：《生物化工原理》，上海科学技术出版社，1997。
七、本课程与其它课程的联系与分工
本课程是所有环境工程类课程的基础课，各章应重点讲授基本概念、原理和方法，使学生对环境工程有一个总体上的认识、把握。
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