1、 1 第 I 篇 习题 解答 第一章 绪论 1.1 简要概述环境学科的发展历史及其学科体系。 解：环境学科是随着环境问题的日趋突出而产生的一门新兴的综合性边缘学科。它经历了 20 世纪 60 年代的酝酿阶段，到 20 世纪 70 年代初期从零星的环境保护的研究工作与实践逐渐发展成为一门独立的新兴学科。 环境学科是一门正在蓬勃发展的科学，其研究范围和内涵不断扩展，所涉及的学科非常广泛，而且各个学科间又互相交叉和渗透，因此目前有关环境学科的分支学科还没有形成统一的划分方法。 图 1-1 是环境学科的分科体系。 图 1-1 环境学科体系 1.2 简要阐述环境工程学的主要任务及其学科体系。 解： 环境
2、工程学作为环境学科的一个重要分支，主要任务是利用环境学科以及工程学的方法，研究环境污染控制理论、技术、措施和政策，以改善环境质量，保证人类的身体健康和生存以及社会的可持续发展。 图 1-2 是环境工程学的学科体系。 环境工程学 环境净化与污染控制技术及原理 生态修复与构建技术及原理 清洁生产理论及技术原理 环境规划管理与环境系统工程 环境工程监测与环境质量评价 水质净化与水污染控制工程 空气净化与大气污染控制工程 固体废弃物处理处置与管理 物理性污染控制工程 土壤净化与污染控制技术 废物资源化技术 环境学科体系环境科学环境工程学环境生态学环境规划与管理2 图 1-2 环境工程学的学科体系 1.
3、3 去除水中的悬浮物，有哪些可能的方法，它们的技术原理是什么？ 解：去除水中悬浮物的方法主要有：沉淀、离心分离、气浮、过滤（砂滤等）、过滤（筛网过滤 ）、反渗透、膜分离、蒸发浓缩等。 上述方法对应的技术原理分别为：重力沉降作用、离心沉降作用、浮力作用、物理阻截作用、物理阻截作用、渗透压、物理截留等、水与污染物的蒸发性差异。 1.4 空气中挥发性有机物（ VOCs）的去除有哪些可能的技术，它们的技术原理是什么？ 解： 去除空气中挥发性有机物（ VOCs）的主要技术有：物理吸收法、化学吸收法、吸附法、催化氧化法、生物法、燃烧法等。 上述方法对应的技术原理分别为：物理吸收、化学吸收、界面吸附作用、氧
4、化还原反应、生物降解作用、燃烧反应。 1.5 简述土壤污染可能带 来的危害及其作用途径。 解： 土壤污染的危害 及其作用途径 主要有以下几个方面： 通过雨水淋溶作用 ,可能导致地下水和周围地表水体的污染 ; 污染土壤通过土壤颗粒物等形式能直接或间接地为人或动物所吸入 ; 通过植物吸收而进入食物链 ,对食物链上的生物产生毒害作用等。 1.6 环境净化与污染控制技术原理可以分为哪几类？它们的主要作用原理是什么？ 解：从技术原理上看，环境净化与污染控制技术原理可以分为 “隔离技术 ”、“分离技术 ”和 “转化技术 ”三大类。隔离技术是将污染物或者污染介质隔离从而切断污染物向周围环境的扩散，防止污染近
5、 一步扩大。分离技术是利用污染物与污染介质或其它污染物在物理性质或化学性质上的差异使其与介质分离，从而达到污染物去除或回收利用的目的。转化技术是利用化学或生物反应，使污染物转化成无害物质或易于分离的物质，从而使污染介质得到净化与处理。 3 1.7 环境工程原理课程的任务是什么？ 解：该课程的主要任务是系统、深入地阐述环境污染控制工程，即水质净化与水污染控制工程、大气（包括室内空气）污染控制工程、固体废物处理处置与管理和资源化工程、物理性污染（热污染、辐射污染、噪声、振动）控制工程、自然资源的合理利用与保护工 程、生态修复与构建工程以及其它污染控制工程中涉及到的具有共性的工程学基础、基本过程和现
6、象以及污染控制装置的基本原理，为相关的专业课程打下良好的理论基础。 4 第二章 质量衡算与能量衡算 2.1 某室内空气中 O3 的浓度是 0.0810-6（体积分数），求： （ 1）在 1.013105Pa、 25 下，用 g/m3 表示该浓度； （ 2）在大气压力为 0.83105Pa 和 15 下， O3 的物质的量浓度为多少？ 解：理想气体的体积分数与摩尔分数值相等 由题，在所给条件下， 1mol空气混合物的体积为 V1 V0P 0T1/ P1T0 22.4L298K/273K 24.45L 所以 O3 浓度 可以表示为 0.0810 6mol48g/mol（ 24.45L） 1 157
7、.05g/m3 （ 2）由题，在所给条件下， 1mol空气的体积为 V1 V0P 0T1/ P1T0 =22.4L1.013105Pa288K/(0.83105Pa273K） 28.82L 所以 O3 的物质的量浓度为 0.0810 6mol/28.82L 2.7810 9mol/L 2.2 假设在 25 和 1.013105Pa 的条件下， SO2 的平均测量浓度为 400g/m3，若允许值为 0.1410-6，问是否符合要求？ 解：由题，在所给条件下，将测量的 SO2 质量浓度换算成体积分数，即 33 9651 0 8 .3 1 4 2 9 8 1 0 4 0 0 1 0 0 .1 5 1
8、 01 .0 1 3 1 0 6 4AART pM 大于允许浓度，故不符合要求 2.3 试将下列物理量换算为 SI 制单位： 质量： 1.5kgfs2/m= kg 密度： 13.6g/cm3= kg/ m3 5 压力： 35kgf/cm2= Pa 4.7atm= Pa 670mmHg= Pa 功率： 10 马力 kW 比热容： 2Btu/(lb )= J/（ kgK） 3kcal/（ kg ） = J/（ kgK） 流量： 2.5L/s= m3/h 表面张力： 70dyn/cm= N/m 5 kgf/m= N/m 解： 质量： 1.5kgfs2/m=14.709975kg 密度： 13.6g/
9、cm3=13.6103kg/ m3 压力： 35kg/cm2=3.43245106Pa 4.7atm=4.762275105Pa 670mmHg=8.93244104Pa 功率： 10 马力 7.4569kW 比热容： 2Btu/(lb )= 8.3736103J/（ kgK） 3kcal/（ kg ） =1.25604104J/（ kgK） 流量： 2.5L/s=9m3/h 表面张力： 70dyn/cm=0.07N/m 5 kgf/m=49.03325N/m 2.4 密度有时可以表示成温度的线性函数，如 0+At 式中： 温度为 t 时的密度， lb/ft3； 0温度为 t0 时的密度， l
10、b/ft3。 t温度， 。 如果此方程在因次上是一致的，在国际单位制中 A 的单位必须是什么？ 解：由题易得， A 的单位为 kg/（ m3K ） 6 2.5 一加热炉用空气（含 O2 0.21, N2 0.79）燃烧天然气（不含 O2 与 N2）。分析燃烧所得烟道气，其组成的摩尔分数为 CO2 0.07， H2O 0.14， O2 0.056， N2 0.734。求每通入 100m3、 30 的空气能产生多少 m3 烟道气？烟道气温度为 300 ，炉内为常压。 解：假设燃烧过程为稳态。烟道气中的成分来自天然气和空气。取加热炉为衡算系统。以 N2 为衡算对象，烟道气中的 N2 全部来自空气。设
11、产生烟道气体积为 V2。根据质量衡算方程，有 0.79P1V1/RT1 0.734P2V2/RT2 即 0.79100m3/303K 0.734V2/573K V2 203.54m3 2.6 某一段河流上游流量为 36000m3/d，河水中污 染物的浓度为 3.0mg/L。有一支流流量为 10000 m3/d，其中污染物浓度为 30mg/L。假设完全混合。 （ 1）求下游的污染物浓度 （ 2）求每天有多少 kg 污染物质通过下游某一监测点。 解：（ 1）根据质量衡算方程，下游污染物浓度为 1 1 2 2123 .0 3 6 0 0 0 3 0 1 0 0 0 0 / 8 .8 7 /3 6 0
12、 0 0 1 0 0 0 0VVm qq m g L m g L （ 2）每天通过下游测量点的污染物的质量为 312( ) 8 .8 7 ( 3 6 0 0 0 1 0 0 0 0 ) 1 0 /4 0 8 .0 2 /m V Vq q k g dk g d 2.7 某一湖泊的容积为 10106m3，上游有一未被污染的河流流入该湖泊，流量为 50m3/s。一工厂以 5 m3/s 的流量向湖泊排放污水 ，其中含有可降解污染物，浓度为 100mg/L。污染物降解反应速率常数为 0.25d 1。假设污染物在湖中充分混合。求稳态时湖中污染物的浓度。 解：设稳态时湖中污染物浓度为 m ，则输出的浓度也为
13、 m 则由质量衡算，得 7 12 0mmq q k V 即 5100mg/L（ 5 50） m m3/s 101060.25m m3/s 0 解之得 m 5.96mg/L 2.8 某河流的流量为 3.0m3/s，有一条流量为 0.05m3/s 的小溪汇入该河流。为研究河水与小溪水的混合状况，在溪水中加入示踪剂。假设仪器检测示踪剂的浓度下限为 1.0mg/L。为了使河水和溪水完全混合后的示踪剂可以检出，溪水中示踪剂的最低浓度是多少？需加入示踪剂的质量流量是多少？假设原河水和小溪中不含示踪剂。 解：设溪水中示踪剂的最低浓度为 则根据质量衡算方程，有 0.05 （ 3 0.05） 1.0 解之得 6
14、1 mg/L 加入示踪剂的质量流量为 610.05g/s 3.05g/s 2.9假设某一城市上方的空气为一长宽均为 100 km、高为 1.0 km的空箱模型。干净的空气以 4 m/s 的流速从一边流入。假设某种空气污染物以 10.0 kg/s 的总排放速率进入空箱，其降解反应速率常数为 0.20h 1。假设完全混合， （ 1）求稳态情况下的污染物浓度； （ 2）假设风速突然降低为 1m/s，估计 2h 以后污染物的浓度。 解：（ 1）设稳态下污染物的浓度为 则由质量衡算得 10.0kg/s（ 0.20/3600） 1001001109 m3/s 41001106m3/s 0 解之得 8 1.
15、05 10-2mg/m3 （ 2）设空箱的长宽均为 L，高度为 h，质量流量为 qm，风速为 u。 根据质量衡算方程 12 mtmm dq q k V d 有 22tm dq u L h k L h L hd 带入已知量，分离变量并积分，得 23600 - 6 - 50 1 . 0 5 1 0t 1 0 6 . 6 1 0dd 积分有 1.1510-2mg/m3 2.10 某水池内有 1 m3 含总氮 20 mg/L 的污水，现用地表水进行置换，地表水进入水池的流量为 10 m3/min，总氮含量为 2 mg/L，同时从水池中排出相同的水量。假设水池内混合良好，生物降解过程可以忽略，求水池中总
16、氮含量变为 5 mg/L 时，需要多少时间？ 解：设地表水中总氮浓度为 0，池中总氮浓度为 由质量衡算，得 0 tVV dVqq d 即 1t 10 (2 )dd 积分，有 50 2 01t 1 0 ( 2 )t dd 求得 t 0.18 min 9 2.11 有一装满水的储槽，直径 1m、高 3m。 现由槽底部的小孔向外排水。小孔的直径为 4cm，测得水流过小孔时的流速 u0 与槽内水面高度 z的关系 u0 0.62（ 2gz） 0.5 试求放出 1m3 水所需的时间。 解：设储槽横截面积为 A1，小孔的面积为 A2 由题得 A2u0 dV/dt，即 u0 dz/dtA1/A2 所以有 dz
17、/dt（ 100/4） 2 0.62（ 2gz） 0.5 即有 226.55z-0.5dz dt z0 3m z1 z0 1m3（ 0.25m2） -1 1.73m 积分计算得 t 189.8s 2.12 给水处理中，需 要将固体硫酸铝配成一定浓度的溶液作为混凝剂。在一配料用的搅拌槽中，水和固体硫酸铝分别以 150kg/h 和 30kg/h 的流量加入搅拌槽中，制成溶液后，以 120kg/h 的流率流出容器。由于搅拌充分，槽内浓度各处均匀。开始时槽内预先已盛有 100kg 纯水。试计算 1h后由槽中流出的溶液浓度。 解：设 t 时槽中的浓度为 ， dt 时间内的浓度变化为 d 由质量衡算方程，
18、可得 3 0 1 2 0 1 0 0 6 0td td 时间也是变量，一下积分过程是否有误？ 30dt（ 100 60t） dC 120Cdt 即 （ 30 120C） dt（ 100 60t） dC 由题有初始条件 t 0， C 0 10 积分计算得： 当 t 1h 时 C 15.23 2.13 有一个 43m2 的太阳能取暖器，太阳光的强度为 3000kJ/（ m2h ），有50的太阳能被吸收用来加热流过取暖器的水流。水的流量为 0.8L/min。求流过取暖器的水升高的温度。 解：以取暖器为衡算系统，衡算基准取为 1h。 输入取暖器的热量为 30001250 kJ/h 18000 kJ/h
19、 设取暖器的水升高的温度为（ T），水流热量变化率为 mpqc T 根据热量衡算方程，有 18000 kJ/h 0.86014.183 TkJ/h.K 解之得 T 89.65K 2.14 有一个总功率为 1000MW 的核反应堆，其中 2/3 的能量被冷却水带走，不考虑其他能量损失。冷却水来自于当地的一条河流，河水的流量为 100m3/s，水温为 20 。 （ 1）如果水温只允许上升 10 ，冷却水需要多大的流量； （ 2）如果加热后的水返回河中，问河水的水温会上升多少 。 解：输入给冷却水的热量为 Q 10002/3MW 667 MW （ 1）以冷却水为衡算对象 ，设冷却水的流量为 Vq ，热量变化率为 mpqc T 。 根据热量衡算定律，有 Vq 1034.18310 kJ/m3 667103KW Q 15.94m3/s （ 2）由题，根据热量衡算方程，得
