《环境工程原理》
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课程编号： |
ENV02103 |
课程名称： |
环境工程原理 |
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学分/学时： |
3/48（讲课:44，实验:4） |
英文名称： |
Principles of Environmental Engineering |
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大纲执笔人： |
梁存珍 |
大纲审核人： |
陈家庆 |
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适用专业： |
环境工程 |
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先修课程： |
高等数学、无机及分析化学、有机化学、物理化学 |
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大纲更新时间： |
2017年1月 |
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一、课程性质与定位
“环境工程原理”是一门重要的专业基础课，可以为提高环境净化与污染控制工程的效率提供理论支持，从理论上指导环境净化与污染控制技术的选择，阐述提高污染物去除效率的思路、手段和方法。通过系统、深入学习环境净化与污染控制工程的基本技术原理、工程设计计算的基本理论以及分析问题和解决问题的方法论，为后续的专业课程学习和解决实际工程问题打下良好的基础。
二、课程教学目标与达成途径
本课程是通过课程教学、实验环节和大作业达到如下目标：1. 知识（传授与积累）：通过课堂讲授和布置课外作业，让学生了解质量衡算、热量衡算的基本概念、原理及计算方法；掌握沉降、过滤、吸收和吸附等分离过程的基本原理；掌握反应动力学基础、均相化学反应器、非均相化学反应器和微生物反应器等化学与生物反应工程的基本概念、原理、计算方法。2. 能力（训练与实践）：①通过结合工程案例的课堂讲授以及课后作业，培养学生从环境工程专业角度分析环境污染问题，具有解决复杂环境工程问题所需的工程基础知识及其应用能力；②在掌握分离过程原理、化学与生物反应工程原理的基础上，通过针对具体的反应过程和工程案例进行设计计算，学生能够对复杂的环境问题进行分析和表达，寻找合理的解决途径；③针对工程的实际应用开展换热器、吸收塔等设备的创新设计。3. 认知（体验与总结）：通过实验操作，让学生把理论知道与实践应用更发地结合起来，及时总结学习内容，提高学习效果。具体体现在以下方面：
课程教学目标1：掌握环境工程原理的基础知识：让学生了解质量衡算、热量衡算的基本概念、原理及计算方法；掌握沉降、过滤、吸收和吸附等分离过程的基本原理；掌握反应动力学基础、均相化学反应器、非均相化学反应器和微生物反应器等化学与生物反应工程的基本概念、原理、计算方法。
课程教学目标2：应用环境工程原理基础知识解决复杂环境工程问题的初步应用能力：通过课堂讲授、课堂研讨和课后作业，学生能够根据环境工程的基本原理和数学等知识，针对相关环保设备进行计算。例如：依据质量衡算原理，计算污染扩散问题；根据热量衡算原理，能够计算换热器的换热面积。
课程教学目标3：掌握吸收和吸附的实验方法，具有实验研究能力，并能获取有效结论：通过实验预习、实验操作和实验报告，结合与实验相关的思考题培养学生实验研究能力，掌握实验研究方法，获得有效实验结论，理论与实际有效结合，提高学生学习兴趣，更好在掌握理论知识。
课程教目标4：理解环境工程问题多学科之间的联系，科学地管理环境工程项目：课程讲授时，理论紧密结合得复杂的工程实际，分析环境工程中多学科的问题，提高学生对专业理论的认识，通过大作业，强化学生结合工程案例学习的过程，强化学生环境工程咨询能力的培养。针对复杂的环境工程问题，通过查阅文献，进行方案论证，提出解决方案，并进行设计计算。
毕业要求指标点实现矩阵
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专业毕业要求 指标点 |
课程教学目标 |
达成途径 |
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1.3 具有解决环境复杂工程问题的专业知识及其应用能力。 |
课程教学目标1、3、4 |
课堂讲授：课堂讲授：重点突出、思路清晰、结合工程案例启发学生的学习兴趣、注重师生互动交流，及时掌握学生学习情况，关注每一个学生的学习； 实验研究：完成4学时，2个实验的预习、实验、撰写实验报告； 课后作业：课后留有保证巩固学习内容的课后作业，并全批全改，及时反馈。 |
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3.1 掌握工程设计的基本方法，识别制约与影响因素，提出满足多种制约条件的解决方案，并通过分析论证确定适当的解决方案。 |
课程教学目标2、4 |
课堂讲授和课后作业：课堂上结合工程问题进行分析，提供解决问题的思路，学生课后深入学习后，进行详细的计算。 课后作业：每一节课后都留有保证巩固学习内容的课后作业，并全批全改，及时反馈。 |
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4.3 能够对实验数据进行分析、解释，并通过信息综合得到合理有效的结论。 |
课程教学目标3 |
课堂讲授：重点突出、思路清晰、注重师生互动交流，及时掌握学生学习情况，关注每一个学生的学习； 实验研究：完成4学时，2个实验的预习、实验、撰写实验报告； 课后作业：每个实验后都留有思考题，实现理论与实践相结合。 |
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11.2理解环境工程项目的多学科特性，能够从工程学、管理学和经济学的角度，利用工程知识开展初步的工程设计，理解工程重要指标及管理。 |
课程教学目标4 |
课堂讲授：理论紧密结合得复杂的工程实际； 大作业：通过大作业的形式，训练学生结合基础和专业知识，在文献检索基础上，对复杂的环境工程问题提出解决方案。 |
三、内容提要与学时安排
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序号 |
教学内容 |
教学要求 |
学时 |
对应的教学目标 |
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1 |
1 绪论 1.1污染控制技术体系 1.2污染控制技术原理的基本类型 |
了解：环境问题与环境学科之间的关系；水、气、土壤和固体废弃物等4类污染控制技术体系。 掌握： 水、气、土壤和固体废弃物等污染控制的技术原理。 |
2 |
1、4 |
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2 |
2. 质量衡算与能量衡算 2.1常用物理量 2.2质量衡算 2.3能量衡算 |
了解：7个基本单位，2个辅助单位，以及导出单位；质量浓度与物质的量浓度，质量分数与摩尔分数，质量比与摩尔比；能量衡算方程概念，热量衡算方程基本概念。 掌握：衡算的基本概念，稳态系统，非稳态系统；掌握质量衡算方程式，并运用质量衡算方程式计算工程中存在的衡算问题；封闭系统热量衡算方程计算过程，开放系统的热量衡算方程计算过程。 |
4 |
1、4 |
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3 |
4 热量传递 4.1热量传递的方式 4.2热传导 4.3对流传热 4.4 换热器与间壁传热过程计算 4.5 4.5辐射传热 |
了解：热传导的原理，气、液、固不同物质的导热系数；对流传热基本概念；了解辐射传热的基本概念；换热器的分类，管式换热器和板式换热器，强化换热器传热过程的途径 掌握：傅立叶定律，单层平壁的稳态热传导、多层平壁的热传导、通过圆管壁的稳定热传导；牛顿冷却定律，保温层的临界直径的计算；总传热速率方程式进行热量传递的计算。 |
6 |
1、2、4 |
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4 |
6. 沉降 6.1沉降分离的基本概念 6.2重力沉降 6.3离心沉降 |
了解：沉降分离的一般原理和类型；电沉降基本概念、惯性沉降基本概念。 掌握：重力沉降过程的分析；重力沉降速度的计算及分区。离心力场中颗粒的沉降过程分析，旋流器工和离心沉降机的工作原理和相关计算。 |
2 |
1、2、4 |
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5 |
7. 过滤 7.1过滤操作的基本概念 7.2表面过滤的基本理论 7.3深层过滤的基本理论
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了解：过滤分离的对象、过滤介质、间歇式过滤机和连续式过滤机的相同点和不同点是什么等；颗粒床层的几何特性；了解悬浮物在滤料床层中的分布及累积过程等。 掌握：过滤分类、表面过滤定义、过滤基本方程、过滤过程的计算；恒压过滤和恒速过滤的主要区别、深层过滤机理；混合颗粒的平均粒径；实际流速和空床流速内涵及相互关系；颗粒床层阻力；Kozeny-Carmam方程的表达式和应用；清洁滤料层的水头损失等内容。 |
4 |
1、2、4 |
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6 |
8.吸收 8.1吸收的定义及类型 8.2物理吸收 8.3化学吸收 8.4吸收设备的主要工艺计算 |
了解：吸收分类、吸收在在环境领域的应用；物理吸收和化学吸收的区别。传质速率方程的推导过程；板式塔和填料塔的工作原理和各自优缺点。吸收剂的选择。 掌握：吸收的基本原理；物理吸收的热力学基础；气液平衡和亨利定律；相平衡关系在吸收过程中的应用；双膜理论，总传质速率方程，传质阻力分析，化学吸收的本质；利用亨利定律和化学平衡进行相关计算；全塔物料衡算、操作线方程式与操作线、吸收剂用量的计算、操作线、平衡线和气液比的关系、填料层高度的基本计算。 |
8 |
1、2、4 |
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7 |
9. 吸附 9.1吸附分离操作的类型及应用 9.2吸附剂 9.3吸附平衡 9.4吸附动力学 9.5吸附过程与吸附穿透曲线 |
了解：几种常用的吸附剂及其主要特性；吸收剂的选择；BET公式；双组分气体吸附；外表面界膜阻力和内表面扩散阻力同时存在时的吸附过程；外表面界膜控制时的吸附过程；接触过滤吸附的原理。韦伯法的动态吸附量与静态吸附量。 掌握：吸附原理和应用；吸附平衡理论；弗兰德里希方程；朗格谬尔公式；等温吸附线；吸附剂从流体中吸附吸附质的传质过程；吸附剂颗粒外表面、内表面扩散速率方程的物理意义；单级吸附、多级吸附的机理；固定床吸附原理，穿透点和穿透曲线，穿透时间。 |
6 |
1、2、4 |
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8 |
11. 反应动力学基础 11.1反应器和反应操作 11.2反应的计量关系 11.3 反应动力学 |
了解：反应操作和反应器基本概念、反应器的类型、反应器内物料的流动与混和状态；反应式与计量方程的基本概念；反应的分类、反应进度与转化率、反应速率的定义及表示方法。 掌握：反应器的操作方式和反应器的设计过程；通用的反应速率方程，均相反应的零级反应和一级反应动力学方程。 |
2 |
1、2、4 |
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9 |
12. 均相反应器 12.1间歇与半间歇反应器； 12.2完全混合流连续反应器 12.3平推流反应器 |
了解：间歇与半间歇反应器、完全混合流反应器、平推流反应器三种反应器的操作方法和特点。 掌握：不同类型反应器中零级反应和一级反应的反应速率方式和设计方程。 |
2 |
1、2、4 |
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10 |
13. 非均相反应器 13.1固相催化反应器 13.2气-液相反应器 |
了解：固相催化反应与固体催化剂、固相催化反应过程、固相催化反应的本质、流化床反应器的设计与操作。 掌握：气－液相反应及其应用、气－液相反应按本征反应速率快慢分类、气液相反应器的类型。 |
2 |
1、2、4 |
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11 |
14. 微生物反应器 14.1 微生物与微生物反应; 14.2 微生物反应的计量关系 14.3微生物反应动力学 14.4微生物反应器的操作与设计 |
了解：微生物反应在环境领域中的应用；微生物细胞的组成式；微生物的生长速率，Monod方程与麦氏方程的区别，富营养细胞(Eutroph)与贫营养细胞(Oligotroph)的比较；微生物的间歇培养；微生物的生长曲线；微生物的半连续培养。 掌握：生物反应的总反应式；微生物反应的类型；微生物反应产物；ATP；微生物反应的综合计量式；以基质重量为基准的细胞产率系数Yx/s ；以碳元素为基准的细胞产率系数；以氧消耗量为基准的细胞产率系数。微生物的比生长速率，Monod（莫诺特）方程，间歇操作的设计方程；微生物的连续培养；连续培养反应器的基本方程；反应器内基质浓度的计算方程；反应器内细胞浓度的计算方程；反应器稳定运行的必要条件；细胞循环反应器的基本方程；微生物比增长速率的计算。 |
6 |
1、2、4 |
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13 |
实验一：活性碳吸附实验 |
了解：活性炭吸附装置及其工艺流程，及其操作方法； 掌握：测定吸附等温线，加深对吸附理论的理解。 |
2 |
3 |
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14 |
实验二：稳态平板法测定绝热材料导热系数 |
了解：学习用平板法测定绝热材料导热系数的实验方法和技能； 掌握：测定试验材料的导热系数； 确定试验材料导热系数与温度的关系。 |
2 |
3 |
注：了解要求包括识别和回忆指能从记忆库中找到相关的知识、概念、术语或材料与当前的信息进行比较、确认，能记住并能不加理解的列出、描述这些知识、概念、术语或材料；掌握指能对所学的内容作归纳、分类、解释，总结、推断和一定程度的发挥。
四、教学方式
1.课堂讲授为主，网络多媒体教学、教学网站为辅。课程教学充分利用数字化技术、网络技术制作丰富多彩的教学和辅导材料，多种教学手段和工具共同实施。
2.注重工程案例的讲解和实验教学，充分利用案例教学提高学生的兴趣，提高教学效果。
五、建议教材或参考书
建议教材：
《环境工程原理》(普通高等教育“十一五”国家级规划教材)，胡洪营，高等教育出版社，2011年.
六、学生成绩评定方法
本课程的考核（考试与考查相结合）以考核学生能力培养目标的达成为主要目的，以检查学生对各知识点的掌握程度以及应用为重要内容。能力目标达成评价与考核总成绩中，期末考试成绩占55%，平时（含平时作业、实验、大作业、期中考试）考查占45%。具体要求如下：
1. 学生在提交所有课后作业、大作业和完成实验后才能参加考试。
2. 课程评分类型：百分制。
3. 结课考核方式：闭卷。
4. 总成绩组成：平时作业成绩(包括：参与研讨的积极性、通过随堂测试所反映的注意力集中度和对新知识的敏感度以及理解与应用能力、课后作业所反映的学习态度和思考问题解决问题的深入程度等)占总成绩的15%，大作业占总成绩的10%，期中考试占总成绩的5%，实验成绩占总成绩的15%，期末考试占总成绩的55%。
课程教学目标评价矩阵
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成绩组成 |
考核/评价环节 |
分值 |
考核/评价细则 |
对应的教学目标 |
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平时成绩 45% |
平时作业 |
10 |
主要考核学生对每节课知识点的复习、理解和掌握程度，计算全部作业的平均成绩再按10%计入总成绩。 |
1、2 |
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期中考试 |
10 |
根据课程教学目标和学时安排完成期末考试试卷内容，以卷面成绩的10%计入课程总成绩。考试的题型为：综合计算题。 |
1 |
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实验 |
10 |
根据每个实验的实验情况和实验报告质量每次单独评分，再将全部实验成绩求平均值，最后按10%计入课程总成绩，具体见评分标准。 |
3 |
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大作业 |
10 |
根据小组大作业答辩、小组互评以及大作业书写报告，综合评价学生的各项能力，按10%计入总成绩。 |
2、4 |
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期末考试 55% |
期末考试卷面成绩 |
60 |
根据课程教学目标和学时安排完成期末考试试卷内容，以卷面成绩的60%计入课程总成绩。考试的题型为：基本概念题和综合计算题。 |
1、2、3、4 |
七、毕业要求达成度评价依据与方法
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指标点 |
评价依据 |
评价方法 |
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1.3 |
期末考试成绩、平时作业和实验成绩。 |
期末考试占60%，平时作业成绩占20%，实验成绩占20%，总分100分
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3.1 |
期末考试成绩、平时作业成绩。 |
期末考试占60%，平时作业成绩占40%，总分100分
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4.3 |
实验成绩 |
实验成绩100%，总分100分
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11.2 |
期末考试成绩、期中考试成绩、大作业成绩。 |
期末考试占60%，期中考试成绩20%、大作业成绩占20%，总分100分
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