环境生物工程1.ppt

环境生物工程,主讲人：李丽华联系地址：化工学院环境工程系联系电话：5929273电子邮箱：lilihua07,EnvironmentalBioengineering,2008-9,化工学院环境生物工程课件,2,学时数：32学时学分：2授课方式：老师讲课提问讨论考核方式：平时考察（30）期末开卷考试（70%),学习方式,态度决定一切！只要态度端正，没有什么是不可能的！,2008-9,化工学院环境生物工程课件,3,专业性教材：当代给水与废水处理原理许保玖主编，高等教育出版社其他参考书：环境生物技术与工程陈欢林主编，化学工业出版社现代环境生物技术王建龙、文湘华编著，清华大学出版社环境生物工程伦世仪主编，化学工业出版社微生物与水处理工程李军，杨秀山，化学工业出版社,第一章环境生物工程概述,Chapter1BriefIntroduction,2008-9,化工学院环境生物工程课件,5,环境生物工程的研究内容掌握及重点,.,环境生物工程的发展进程,.,环境生物工程定义及学科体系掌握,环境现状及生物工程技术解决环境污染的特点,主要内容,2008-9,化工学院环境生物工程课件,6,第一节我国环境现状及生物工程技术解决环境污染的特点,一、环境现状二、生物工程技术解决环境污染的特点,内容,2008-9,化工学院环境生物工程课件,7,一.环境现状,在我国过去几十年的经济发展中，由于忽视了发展中的环境保护，环境状况已经变得十分严峻。近年来虽采取了大量控制措施，但环境质量下降的趋势仍在继续。目前，我国已经是世界上环境污染最为严重的国家之一，从城市到乡村，我国的大气、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。,城市污染,2008-9,化工学院环境生物工程课件,8,（1）水污染现状,水的污染有两类：自然污染人为污染对水体危害较大的水污染可根据污染杂质的不同而主要分为:化学性污染物理性污染生物性污染污染物主要有：（1）未经处理而排放的工业废水；（2）未经处理而排放的生活污水；（3）使用化肥,农药,除草剂的农田污水；（4）堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾；（5）水土流失；（6）矿山污水。1984年颁布的中华人民共和国水污染防治法中为“水污染”下了明确的定义，即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征的改变，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称为水污染。,2008-9,化工学院环境生物工程课件,9,据环境部门监测，全国每年污水排放达360亿吨，仅10%的生活污水和70%工业废水得到处理，其中约有一半工业污水处理设施的出水达不到国家排放标准。其他未经处理的污水直接排入江河湖海，致使我国的水环境遭受严重污染和破坏。,全国七大水系和内陆河流的110个重点河段中，属4类和5类水体的占39%；城市地面水污染普遍严重，并有进一步恶化的趋势，136条流经城市的河流中，水质属4类、5类和超过5类标准的高达76.8%；约50%的城市地下水受到不同程度的污染；全国大淡水湖(滇池,太湖和巢湖等)富营养化程度逐年加剧;一些地区的饮用水源受到严重污染，对人民身体健康造成严重危害。,（1）水污染现状,2008-9,化工学院环境生物工程课件,10,（1）水污染现状,2008-9,化工学院环境生物工程课件,11,1994年淮河水污染事件：2004年沱江“302”特大水污染事故：大量含氨氮的工艺冷凝液排入河南濮阳多年喝不上“放心水”：取水口发生持续4个多月的水污染2005年北江镉污染事故：冶炼厂在设备检修期间超标排放含镉废水2005年重庆綦（qi)河水污染：化肥有限公司排除的废水污染河水2005年松花江重大水污染事件：石化公司双苯厂苯胺车间发生爆炸事故事故产生的约100吨苯、苯胺和硝基苯等有机污染物流入松花江所致2006年白洋淀死鱼事件：由于水污染造成DO过低，造成大量鱼类死亡2006年湖南岳阳砷污染事件：3家化工厂日常排放大量含砷废水2007年太湖水污染事件：天气连续高温少雨,太湖水富营养化较重(蓝藻)2007年江苏沭阳水污染：短时间、大流量的污水侵入到位于淮沭河取水口,水污染现状,中国十大水污染公害事件,我国属于贫水国家，人均占有水量为2.51km3/a，低于世界上多数国家。水质恶化使水资源更趋于紧张。,2008-9,化工学院环境生物工程课件,12,水污染现状,松花江支流污染,2006年8月21日，发现牤牛河部分水质呈红色，并伴有少量泡沫。初步检测污染物主要是二甲基苯胺，造成的污染带长约5km。,原因:吉林长白山精细化工有限公司向牤牛河中人为排放化工废水所致。,2008-9,化工学院环境生物工程课件,13,我国大气污染严重，属于煤烟型污染，主要大气污染物是粉尘和二氧化硫；太原、贵阳、重庆、北京、兰州等5个城市位于世界十大空气污染最严重的城市之列；全国600多个城市，大气质量符合国家一级标准的不足1%。全国范围的酸雨危害的程度和区域日益扩大。,(2)大气污染现状,我国酸雨覆盖率以国土面积计已近40%并有半数以上城市受酸雨之害,2008-9,化工学院环境生物工程课件,14,大气污染现状,酸雨控制区和二氧化硫污染控制区,2008-9,化工学院环境生物工程课件,15,(3)城市污染固体废弃物污染现状,城市垃圾和工业固体废弃物与日俱增，工业废弃物累计堆积量已超过66亿吨，占地超过5万公顷，使200多个城市陷入垃圾包围之中。而且有的垃圾越堆越宽，造成土壤和地下水的严重污染。,Thisisaverycommonrubbishheapofonecity!,2008-9,化工学院环境生物工程课件,16,(4)土壤污染现状,农用化工产品：化肥，杀虫剂，杀菌剂,除草剂其它化学物品：石油污染，重金属污染等工业废弃物：塑料，玻璃制品，电池等农业废弃物：塑料，秸秆,土壤的有机污染,土壤的重金属污染：汞、铅、镉、镍、硒、砷、铬等,土壤的放射性污染,使用化肥、农药、灌溉污水是直接造成土壤污染的主要原因,土壤污染的主要类型,2008-9,化工学院环境生物工程课件,17,土壤污染现状,我国土壤有机染料的污染概况,毗邻污染源地区农业土壤环境中各种有机染料总含量达19-3114mg/kg,锦州,大连,北京,天津,济南,青岛,苏州,上海,绍兴,宁波,厦门,广州,汕头,2008-9,化工学院环境生物工程课件,18,(5)生态环境现状,森林覆盖：森林覆盖率稳步增长，但森林的人均占有量低,水土流失：水土流失分布范围广、面积大，主要分布于西部地区，其中以黄土高原地区的水土流失最为严重，造成的危害最大。目前，中国约有1/3的耕地受到水土流失的危害.每年流失的土壤总量达50多亿吨，相当于在全国的耕地上刮去1厘米厚的地表土。,湿地：人类生产生活对湿地资源依赖与开发程度的提高，直接导致了对湿地及其生物多样性的普遍破坏。最近40年来，已有近50的滨海滩涂湿地不复存在，黑龙江三江平原78的天然沼泽湿地丧失，洪湖水生植物种类减少24种、鱼类减少约50种等等。,土地沙化：土地沙化问题非常突出，且主要集中在西部。全国沙化土地总面积已超过174万平方公里，占全国土地面积的近二成，并且正在以每年约3400平方公里的速度扩张。,生物多样性：锐减，栖息地环境改变、生境破碎化日趋严重,2008-9,化工学院环境生物工程课件,19,由人类活动所造成的环境污染和环境质量的恶化已成为制约我国社会和经济可持续发展的障碍。如何在经济高速发展的同时控制环境污染，改善环境质量，以实现社会、经济可持续发展之目标是我国亟待解决的重要问题。,解决这一问题必须依靠科技进步，特别是高新技术的应用。仅靠传统的污染防治技术和手段，已远远不能满足人类对生存环境质量的要求，必须另辟新的途径。生物工程及其与环境工程的渗透与结合为解决上述问题提供了新的契机。,结论,生物技术在解决环境问题过程中所显示的独特功能和显著优越性充分体现在它是一个纯生态过程，从根本上实现了可持续发展的战略思想。随着生物技术研究的进展和人们对环境问题认识的深入，人们已越来越意识到，现代生物技术的发展，为从根本上解决环境问题提供了无限的希望。生物技术已是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术，其在水污染控制、大气污染治理、有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、废物处置（资源化）、环境监测、环境友好材料的合成污染环境的修复和污染严重的工业企业的清洁生产等环境保护的各个方面，发挥着重要的作用。,2008-9,化工学院环境生物工程课件,20,2.生物工程技术解决环境污染的特点,生物技术处理污染物时，最终产物大都是无毒无害、稳定的物质；,生物处理方法也常是有机废物资源化的首选技术；由于大部分有机污染物适于作为生物过程反应的底物，其中有机污染物经生物过程处理后可转化为沼气,酒精,生物蛋白质等有用物质.,反应过程通常是在常温、常压下进行的，且转化效率高、副产物少；生物过程是以酶促反应为基础的，作为催化剂的酶是一种活性蛋白质,对底物有高度的特异性.,用生物过程代替化学过程可以降低生产活动的污染水平，有利于实现工艺过程生态化或无废生产，真正实现清洁生产的目标。,生物处理技术除易于大规模应用外，还可利用天然水体或土壤作为污染物的处理场所，从而大大节约处理过程费用。另外，生物技术的产品或副产品基本上都是可以较快生物降解的。,用生物制品代替一切可以取代的化学药物、化石能源、人工合成物等，有助于把人类活动产生的环境污染降至最低程度，使经济发展进入可持续发展的轨道。鉴于此，环境友好材料的合成利用是生物技术解决环境问题的又一个重要方面，当前其最主要代表是生物可降解塑料，还有一些环境友好的化学品、农药及其它生物材料。,2008-9,化工学院环境生物工程课件,21,第二节环境生物工程的定义及学科体系,定义,环境生物工程是环境工程与生物工程的交叉学科，是生物技术在环境工程中的应用，即应用生物（主要是微生物）来进行环境污染的防治，使环境变化向有利于人类社会发展的方向转变。同时，应用生物技术还可以实现废弃物资源化，使人类更充分地利用自然资源，保持生态平衡。,2008-9,化工学院环境生物工程课件,22,环境工程学：把环境科学的基本原理与工程技术相结合，通过工程技术措施对环境进行污染防治与控制的科学。,1.环境工程学,环境工程学科体系,2008-9,化工学院环境生物工程课件,23,废水处理的任务是采用各种技术措施将废水中所含的各种形态污染物分离出来或将其分解、转化为无害和稳定的物质，使废水得到净化。,1.环境工程学,现代废水生物法处理工艺,2008-9,化工学院环境生物工程课件,24,2.生物工程学,生物工程学：研究如何利用微生物的科学，或者说研究由微生物参与的工艺过程原理的科学，包括基因工程和细胞工程等。,基因工程：主要涉及一些生物类型所共有的遗传物质核酸的分离提取、体外剪切、拼接重组、转化和转导以及扩增与个体表达的技术.将人们所需要的基因从DNA或染色体上切割下来或人工合成，在细胞体外将该基因连接到载体上，通过转化或转导达到将重组的遗传特性在菌种中表达出来或创造新菌种的目的。,细胞工程：包括对一切生物类型的基本单位细胞的离体培养、繁殖、再生和融合，以及细胞核、细胞质乃至染色体与细胞器（如线粒体、叶绿体）的移植与改建等操作技术。简单的说，就是动物、植物细胞人工培养技术的研究领域，它包括细胞的原生质体融合技术、植物细胞培养技术以及动物细胞培养技术。,2008-9,化工学院环境生物工程课件,25,大连理工大学基因工程实验室,特色：分子杂交技术FISH(荧光原位杂交）DNA指纹技术RISE（16SrRNA基因间隔序列分析）构建基因工程菌宏基因组技术,2008-9,化工学院环境生物工程课件,26,单菌的鉴定,微生物的鉴定一般需要三个步骤：首先获得微生物的纯种培养物；其次测定一系列必要的鉴定指标；最后查找权威性的鉴定手册确定微生物的类别。鉴定指标,2008-9,化工学院环境生物工程课件,27,根据基因测序结果，在NCBI检索同源性序列并进行分析，结果如图。,核酸水平,单菌的鉴定,2008-9,化工学院环境生物工程课件,28,菌落结构的解析,2008-9,化工学院环境生物工程课件,29,生物化学工程：应用化学工程的原理和方法，研究解决有生物体或生物活性物质参与的生产过程即生物反应过程中的基础理论及工程技术问题。它是生物化学，微生物学，化学工程学的边缘科学。生物化学工程学科体系,3.生物化学工程,2008-9,化工学院环境生物工程课件,30,第三节环境生物工程的发展进程,1.环境生物工程的过去,（1）自然界的碳循环,碳是构成生物体的主要元素，碳元素循环主要包括空气中二氧化碳通过光合作用形成有机化合物，以及有机物被分解释放出二氧化碳到大气中，这是自然界中最基本的物质循环,其具体过程如图1-1所示.,除植物本身呼吸外，总的呼吸量为110109tc，则微生物呼吸量占84.5/110=76.8%。此即环境微生物的自净作用。,2008-9,化工学院环境生物工程课件,31,2008-9,化工学院环境生物工程课件,32,第三节环境生物工程的发展进程,（2）人工生物净化的诞生,自然界中微生物承担着物质循环与净化环境的主要责任。地球表面的有机物大部分是由微生物分解为无机化合物而回归大地。所以说自然界的净化能力应主要归功于微生物，并非是夸大之言。微生物处理有机污染物的能力是巨大的,但在自然条件下，在一定空间和时间内其降解能力是有限的，为了提高微生物处理污染物的能力,就必须改善微生物生长的环境条件，因此出现了人工生物净化技术。人工生物净化技术为微生物创造有利于其生长的良好环境，加速微生物的增殖及新陈代谢生理功能,从而使污水中的有机性污染物得以降解、去除。,2008-9,化工学院环境生物工程课件,33,人工净化构筑物的演变过程为：,（2）人工生物净化的诞生,基于土壤净化的人工净化构筑物生物膜法是天然生物处理法中土壤自净的人工化，是使微生物群体附着于其他物体表面上呈膜状，并与污水接触而使污水得到净化的方法固定生长法。基于水体净化的人工净化构筑物活性污泥法是天然生物处理法中水体自净的人工化，是使微生物群体在反应器中呈悬浮状，并与污水接触得到净化的方法悬浮生长法。,活性污泥法生物氧化塘生物接触氧化法深井曝气纯氧曝气生物氧化沟,生物滤池生物转盘,2008-9,化工学院环境生物工程课件,34,2.环境生物工程的现在,随着研究与应用的深入，废水生化处理的方法、设备和流程不断发展与革新，与传统方法相比，现代生物处理方法在处理的污染物种类、浓度、负荷、规模以及处理效果、费用和稳定性等方面都得到了大大改善。,现在的生物净化方法追求：,追求更高的单位容积生物量（kg/m3）。追求更高的容积负荷（去除kgBOD5/m3d）。追求更高的氧效率及动力效率。,2008-9,化工学院环境生物工程课件,35,塔式生物滤池、组合式生物氧化塔（CBOT)生物流化床（VSAB）加压接触氧化法射流曝气、微孔曝气吸附-生化法（A-B法）厌氧-好氧及缺氧-好氧法（A/O及A2/O法）氧化-水解法（H/O法）,新型的处理方法主要包括：,2.环境生物工程的现在,2008-9,化工学院环境生物工程课件,36,3.环境生物工程的未来,(1)新型，优异的生物处理工艺及设备。,目前，国内外污水处理技术的发展已经越来越成熟，以上述处理方法为代表的生物化学法处理污水已经广泛为人们所接受，并大量应用于污水处理工艺中。但是，这些传统的或者改进的生物处理法都存在着许多自身难以克服的缺点，它们很难从节能、省地、高效这三者实现高度的统一，它们都或多或少地在某一方面失之偏颇。对好氧生物处理来说，供氧问题是整个处理设施的关键，它不仅直接关系到好氧处理效率的高低，同时也决定了整个处理系统运行费用的高低。考察对氧利用率的设施，深井曝气法有其独到的,高出其他设施的优点,它的氧转移率在井深100米的条件下达到90%，并且具有占地省、能耗低的优点，但深井曝气法又存在基建投资大，技术要求高，难度大，检修维护不方便等缺点，成为推广该技术的巨大障碍。,2008-9,化工学院环境生物工程课件,37,提出VTBR（VerticalTubeBiologicalReactor）,即垂直折流多功能生化反应器，本设备的设计构想是把深井曝气氧转移率高的优点继承下来，把它搬到地面作为一种地面设施，以便于管理、检修和维护；同时它又具有生物膜法的许多优点，设计的生化反应器处理效率高，生物活性好，处理时间短，不需污泥回流，且能承受水质水量的突变，占地面积省，设备流程简单，可以大大减少基建投资。,总之，整套装置以生物膜法带动，成为一套固定膜式垂直折流多功能生化反应装置。该生化反应器分别获得中国和英国专利；该装置由两个以上的固定膜塔式生物反应器串联组成，VTBR好氧装置是其中一种应用最广泛，特性最突出的工艺。（30）,2008-9,化工学院环境生物工程课件,38,其生物学原理为：固定在生物载体上的微生物利用水中的溶解氧将水中的有机物氧化分解，达到脱除污染物的目的。其动力学特征为：由特定管线连接的VTBR反应器，将空气依次导入各个反应器，使空气与液体的接触时间延长，使氧气传递效率提高，能耗下降，同时，压力的升高使水中氧的溶解度增大，处理污水的适应范围向高浓度扩展。在上述基础上，提高了生物处理的容积负荷及设备效率，体现了技术经济的先进性。,VTBR（VerticalTubeBiologicalReactor）,2008-9,化工学院环境生物工程课件,39,VTBR工程实例BraverywastewatertreatmentinFushunCitybyVTBR,大连理工大学环境工程研究设计所,2008-9,化工学院环境生物工程课件,40,大连理工大学环境工程研究设计所,VTBR工程实例CokeProductionW-WtreatmentinDalianGlassWorks,2008-9,化工学院环境生物工程课件,41,VTBR工程实例AmmoniaSynthesisW-WTreatmentinDalianChemicalFactory,大连理工大学环境工程研究设计所,2008-9,化工学院环境生物工程课件,42,大连仲夏花园污水回用处理工程,大连理工大学环境工程研究设计所,2008-9,化工学院环境生物工程课件,43,（2）构建基因工程菌,3.环境生物工程的未来,构建基因工程菌治理环境污染是环境微生物工程高新技术中的前沿课题。它能定向有效地利用环境微生物细胞中降解污染物的基因，去执行净化污染物的功能。已发现环境微生物具有降解农药、塑料、多氯联苯、多环芳烃、石油烃、染料及其中间体