环境工程科学的发展与展望.ppt

1、环境工程科学的发展与展望,主讲人：杨凤林,一、环境工程科学的发展历程,土壤污染,海洋污染,放射性污染,环境污染,环境问题的表现,生态破坏,大气污染,（一）、化工与环境科学的关系,1.环境科学学科的重要内容一环境化学-研究污染物在环境中的迁移、转化、归趋和效应. 无机化学-环境无机化学（重金属（Hg、Pb、As、Cr、Cd、Zn、Cu、Ni），营养物质（NH3-N、NO3-N、NO2-N、PO4-）SO2、NOx、F、-CN、H2S、Cl2、CO2等； 有机化学-环境有机化学（酚类、单环芳烃、多环芳烃类、有机氯代烃、多氯联苯、二恶英、硝基化合物、氨基化合物、有机溴代化合物、有机氟化合物以及农药、

2、染料、表面活性剂、阻燃剂、医药及健康护理品等； 分析化学-环境分析化学与环境监测。,2.环境工程学科的重要内容-污染源控制、废物治理以及环境修复工程。,1、分离工程-气固分离（除尘）；液固分离（污水沉淀、过滤、气浮、膜分离）；气气分离（SO2吸收、活性碳吸附等）；液液分离（萃取、吸附、絮凝、膜分离） 2、反应工程（化学吸收、催化分解、TiO2光催化、湿式催化氧化、焚烧等）； 3、生物工程（污水生物处理、有机固体废物发酵、有机废气生物滤池处理等）。,（二）化学化工与环境工程的区别,化工学科 环境学科 1.目的不同 新产品性能、生产效率 废物产生及环境影响 经济效益 环境效益 2.研究特点 范围小

3、，特定的反应器内 范围大，大气、水体、土壤 浓度高，kg或吨计 浓度低，PPM或PPT 反应条件，可控 环境条件多变，多介质、迁移性 3.分析仪器精度 %，g或mg PPM或PPT、ug、ng 4.发展历史 学科历史悠久（200年）、基础好 起步晚（40年），发展快、 系统严密、较完善 不成熟 ，待完善,化学工业废物排放量位于行业第一位,制药、精细化工更需开发绿色化学,（三）环境污染治理目标在发生变化,20世纪60-80年代前，环境工程是为了满足末端污染物处理的法规和标准； 20世纪80-20世纪末，环境工程关注产品从摇篮到坟墓整个生命周期的环境管理,清洁生产、ISO14000； 21世纪开始

4、，环境工程关注环境的可持续性问题，即能源、资源的耗竭、稀缺、价格上涨；气候变化对生态环境的影响；重金属及POPs、EDCS 、 PPCPs(pharmaceuticals and personal care products )以及新发现的污染物对人类健康的影响。 环境旧账没有解决，新的环境问题在发展。因此中国的环境任务既要继续解决气（SO2、NOx）、水（ COD 、 NH3-N）、重金属、垃圾等老污染问题，又要解决CO2、POPs新的污染问题，还要履行国际环境义务和责任。,社会对环境响应的四个发展阶段,国际社会可持续发展思想的历史沿革,二、环境污染控制模式（一）战略模式,结构控制-产业结构

5、调整、布局优化、产业准入政策 工程控制-源头与过程控制-清洁生产、循环经济；末（管）端控制-污染治理工程、环境修复工程 管理控制-监督监测、法律法规、宣传教育、政策制度、标准（环境质量标准、污染物排放标准、总量控制标准、排污许可证制度等）、环境影响评价、污染事故风险应急预案,（二）环境污染控制科学模式 1、微观（分子水平）-绿色化学 2、中观-为环境而设计与清洁生产 3、宏观-产业生态学与循环经济目标：社会、经济、环境可持续发展,（三）环境工程技术发展的不同阶段,废弃物处理Waste Disposal,污染控制 Pollution Control,回收再利用 Recycling,废物减量化 W

6、aste Minimization,污染预防 Pollution Prevention,清洁生产 Cleaner Production,工业生态 Industrial Ecology,可持续发展 Sustainable Development,发展时间 (Time and Work),范畴广度 (Scope and Result),环境管理系统(ISO 14000) Environmental Management System,（Green Chemistry） 绿色化学：环境无害化学 环境友好化学 清洁化学 从源头消除污染的途径 新设计化学合成方法和化工产品来根除污 染源,1、绿色化学,绿

7、色化学的内容,原料绿色化 反应绿色化 产品绿色化 溶剂绿色化 催化剂绿色化,绿色化学的主要内容,无毒无害原料 可再生资源,环境友好产品回归自然 废物回收利用,无毒无害 催化剂,无毒无害 溶剂,原子经济反应,研究“废物零排放”的“原子经济”反应是绿色化学的重点,Barry Trost教授：原子经济性(Atom Economy)概念 A B C D A B C 原子经济性 100%,产物,废物,废物 为零,被利用原子的原子量之和,反应中所有反应物的分子式量,绿色化学的12条原则,1.预防（prevention)：防止废物产生优于废物产生后再处理或清理 2.原子经济性（atom economy）：应

8、设计合成方法使其能把反应过程中利用的所有材料尽可能多地转化到最终产物中 3.低毒化学合成（low hazardous chemical synthesis）：只要可行，应设计合成方法使其利用和产生的物质对人类健康和环境无毒性或很低毒性。 4. 设计安全化学品(designing safer chemicals):应设计化工产品使其保留功效，但降低毒性,5.安全的溶剂和助剂（ater solvents and auxiliaries）：应尽可能避免使用辅助物质（如溶剂、分离剂），如用时应是无毒的 6.能量效率设计(design for energy efficiency):应考虑到能源消耗对环境

9、和经济的影响，并应尽量少地使用能源。如有可能合成应在常温和常压下进行 7.使用可再生原料(use renewable feedstocks):只要技术和经济上可行，原料应是可再生的，而不是将耗竭的 8.减少衍生物(reduce derivatives):应尽可能避免不必要的衍生化（阻断基团，保护脱保护，物理和化学过程的暂时修饰）因为这些步骤需要添加试剂并可能产生废物,绿色化学12条原则,9.催化(catalysis):催化试剂（有尽可能好的选择性）优于化学计量试剂 10.降解设计(design for degradation):应设计化工产品使其在完成使命后不在环境中久留，并降解为无毒的物质

10、11.防止污染的快速分析(real-time analysis for pollution prevention):分析方法须进一步发展，以能够进行即时的和在线的跟踪及控制有害物质的生成 12.本身安全、能防止意外事故的化学(inherently safer chemistry for accident prevention):在化学转换过程中，所用的物质和物质的形态应尽可能地降低发生化学事故的可能性，包括：泄漏、爆炸、和火灾,绿色化学12条原则,2、为环境而设计 (Design for Environment;DfE),系统化地考量在产品及制作过程的整个生命 周期中环境、健康与安全目标的设计

11、绩效。 又称：生态设计、绿色设计，面向环境的设 计或生命周期设计，被认为是实施清洁生产新 的台阶,为环境设计的基本思想 产品设计的基本思想在于从产品的孕育阶段开始即遵循污染预防的原则，把改善产品的环境影响的努力凝固在产品设计之中。 经过生态设计的产品对生态环境的影响限制在阈值范围内，在持续使用中是安全的，对能源和自然资源的利用是有效的，并且是可以再循环、再生或易于安全处置的。,环境化设计的基本条件,环境化设计,社会效益及目标,污染预防,回收再利用,基本准则 基线指标（生命周期分析LCA） 改善方针及技术工具,环境化设计的定性准则,1.为回收再利用设计 2.为易拆解性设计 3.为减废设计 4.为

12、节能设计 5.为省资源设计 6.为降低长期风险设计 7.为避免意外设计,DfE定性准则为回收再利用设计,(1)为材料回收设计 避免使用复合材料 标示可回收材料 使用可回收之包装 (2)为元件回收设计 使用可再利用容器 为易整修设计 为可再制造设计,DfE定性准则为易拆解性设计,(1)增进元件运作的方便性 拆解程序的最佳化 增加拆解及元件取出的方便性 避免嵌入式元件 (2)简化元件的界面 避免使用弹簧、滑轮、硬化处理 避免黏合及焊接 避免螺丝固定 (3)简化性设计 减少产品复杂性 减少零件数 设计多功能零件 使用共通性零件,DfE定性准则为减废设计,(1)源头减废 降低产品尺寸 规范轻质材料 设

13、计薄层包覆 增加液体浓度 降低元件重量 减少包装重量 使用电子文件 (2)为分离而设计 加强材料滥编编号 尽量使用少种类材料 使用相同或相容材料 (3)避免材料污染 (4)考量回收、再利用及处理的方便性及设计,DfE定性准则为节能设计,(1)减省生产过程的能源使用 (2)降低设备的能源需求 (3)降低配售过程中的能源 短运送距离及避免紧急送货 降低运送体积/重量 (4)使用再生资源,DfE定性准则为节省资源设计,(1)设计多功能产品 (2)使用回收及可再生材料 (3)使用再制元件 (4)设计长效/使用产品 增长功能有效期 设计可提升功能元件 设计可重复使用基座 设计可修护的方便性 设计耐用产品

14、,(5)设计可闭环式回收 (6)设计可回收包装 (7)设计可重复使用容器 (8)发展租借方案,DfE定性准则为降低长期风险设计,(1)减少制程排放物 (2)避免有毒及具危害性物质 (3)避免长期累积于环境的化学物质 (4)使用水性（非溶剂型）技术 (5)增加产品生物可分解性 (6)增加产品易处理/处置性,DfE定性准则为避免意外设计,(1)避免使用腐蚀性及易燃性材料 (2)提供释压功能 (3)减少渗透可能 (4)使用避免孩童打开的盖子 (5)避免顾客错误使用的设计,3、清洁生产 联合国环境规划署对清洁生产的定义是： “清洁生产是将综合性、预防性的环境战略持续地应用于生产过程、产品和服务中，以提

15、高效率和降低对人类和环境的危害。 对生产过程来讲，清洁生产指节约能源和原材料，淘汰有害原材料，减少污染物和废物的排放和它们的有害性。 对产品来说，清洁生产指降低产品整个产品生命周期（包括从原材料的生产到生命终结的处置）对环境的有害影响。 对服务来说，清洁生产指将预防性的战略结合到服务的设计和提供活动中。”,清洁生产技术执行步骤,六、进行成本/效益评估和提出行动方案,清洁生产的延伸 从最初着眼于生产过程，逐步延伸到对产品的关注，这意味着清洁生产从生产领域扩展到了消费领域，关注产品能赢得更好的经济效益； 从对产品生产的关注，进一步转向对产品服务的关注，亦即清洁生产已经扩展到产品的流通、使用消费、报

16、废直至进入环境的行为，即从摇篮到坟墓的整个生命周期过程。,工业生态学又译产业生态学，它的基本思想是将工业系统乃至整个经济系统作为特殊的生态系统看待，将其纳入到生物圈之中。在生物圈中，围绕着各个物种在不同的环境中的代谢活动，物质流、能量流和信息流都有其恰到好处的构造和运作方式。,4、工业生态学,工业生态学利用自然生态系统中物质循环和能量流动的原理，构建生态工业链，将一个企业的废物作为另一个企业的原料，形成一个物质循环闭合链，实现资源利用最大化和废物最小化 工业生态学主张企业、团体、公众等全社会共同努力减少污染，保护环境。不限于一个企业，多个企业互为共生，一个企业的废弃物可以是另一个企业的原料。,

17、工业生态园,1) 生态工业园是一个市场共同体，其中各部分相互合作，并有效地分享资源(信息、原料、水、能源、基础设施和自然环境等)，从而导致经济增长和环境质量的改善，使市场和区域共同发展所需资源合理配置。 2) 生态工业园是一个计划好的原材料和能源交换体系，他寻求能源、原材料的使用以及废物的最小化，并建立可持续的经济、生态和社会关系。 3) 生态工业园是建立在一块地域上的由制造企业和行政企业形成的社区。,工业生态学 Industrial ecology IE 核心概念,生态工业区 EIP,产业共生 IS,副产品交換 BPX,生态网络 EIN,产业代谢 IM,其他方法,永续发展,生态城乡 Eco-

18、Town,生态工业园区链(石化),石化炼油,废气,发电厂,石膏,建材公司,热,供热,养殖,煤灰,水泥公司,太阳能,汽电共生,天然气甲醇汽油裂解,燃料电池,CO2,地下储槽,油井加压,消防,超临界流,有价金属利用,有机溶剂回收,半导体 汽车 橡胶,生态工业链(冶金),生态工业园区链(农业),生态化社区,太阳能,居民,中水回收,绿建筑,生活污水,废余树枝,处理后浇灌,堆肥后农作施肥,废弃物燃料,高透水率,5、循环经济,循环经济本质上是一种生态经济，它要求运用生态学规律来指导人类社会的经济活动。它以“减量化、再利用、再循环”(3R原则)为社会经济活动的行为准则，运用生态学规律把经济活动组织成一个“资

19、源产品再生资源”的反馈式流程，实现“低开采、高利用、低排放”，以最大限度利用进入系统的物质和能量，提高资源利用率，最大限度地减少污染物排放，提升经济运行质量和效益。,循环经济与直线经济的比较,传统经济 资源 - 产品 - 污染排放 高开采、低利用、 多排放,合理和持久地利用物质和能量，基本上不产生或者只产生很少的废物。,循环经济 资源 - 产品 - 再生资源 低开采、高利用、少排放,按照自然生态系统的规律组织经济活动,循环经济的三个原则,减量化 Reduce,再循环 Recycle,再利用 Reuse,输入端,过程中,输出端,减少进入生产和消费过程的物质量,从源头节约资源使用和减少污染物的排放

20、。,提高产品和服务的利用效率,要求产品或包装以初始形式多次使用,减少一次污染。,要求物品完成使用的功能后重新变成再生资源。,全过程都必须做到无毒化、无害化,三、环境工程治理新思维,Potable Water,Wastewater,Transfer to treatment,Membrane Bio Reactor,UV/Ozone Disinfection,Reuse Water Reservoir,Membrane Backwash,To Irrigation,Distributed Water Reuse System Schematic,Aerobic,Membrane Filters,

21、Flush Water,Cooling Tower,Anoxic,Transfer to treatment,Stormwater Feed Tank,Wastewater Feed Tank,Laundry Water,Cooling Water,Cooling,Wastewater,Reuse Water,Stormwater overflow Highly variable,1a,1b,3,4,5,1,Wastewater and stormwater collected,2,Screening,Biological treatment,Final polishing and disin

22、fection,Storage for nonpotable reuse,5,4,3,Discharge Sewers,Discharge Sewers,2,新加坡再生水厂（NeWater Plant）,污水源热泵系统原理,系 统 原 理,优点: 1.机组运行稳定： 水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动， 是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机 组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性 2.高效节能： 冬季：污水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高， 能效比也提高； 夏季：水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低， 使得

23、冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高 3.环保效益显著：将城市废热作为冷热源 供热时：省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统 供冷时：冷却水塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染,四、环境领域核心新技术,原则-低碳废物处理技术 最小的资源能源消耗； 最大限度的资源能源回收； 最低的温室气体（CO2、CH4 、N2O）排放； 最省的土地占用； 最小的环境影响。,1、废气处理技术,二氧化碳等温室气体减排技术 二氧化碳回收与封存技术 锅炉燃煤脱硫脱硝技术 汽车尾气排放控制技术 恶臭废气处理净化技术 挥发性有机化合物（VOCs）处理技术 有毒有害废气处理（二恶英、稠环芳烃等）技术 重金属粉尘(汞、铅等）处

24、理技术,2、废水处理技术,化学技术 絮凝剂（超高分子絮凝剂、生物质絮凝剂、微生物絮凝剂）； 高级氧化技术（原位电Fenton氧化、光催化、超声波与微波催化、低压湿式催化氧化等）； 生物技术 厌氧消化产甲烷 生物制氢 生物回收硫磺技术 生物制乙醇 生物柴油技术（藻类、污泥、生物质、废油脂等） 短程硝化/反硝化 厌氧氨氧化 好氧颗粒污泥 生物电系统（MFC、 MEC),核心生物技术,以高效厌氧为核心的发酵技术（甲烷发酵、生物制氢、生物制乙醇、提出蛋白质等）； 先进生物工程技术（有效工程菌和基因工程菌，短程硝化-反硝化，同时硝化-反硝化，厌氧氨氧化（Anammox），（SHRON-Anammox）工

25、艺，反硝化氨氧化（DEAMOX），好氧颗粒污泥等）。 膜分离-生物法耦合技术（膜生物反应器（MBR），萃取膜生物反应器（EMBR），无泡曝气膜生物反应器（MABR），MBR-RO。,高级氧化技术（AOP）：TiO2光催化，电催化，Fenton试剂法（H2O2/Fe），湿式催化氧化，超临界水氧化，紫外线灭菌等。 絮凝剂：无机高分子絮凝剂，生物质絮凝剂，微生物絮凝剂。 低压、抗污染膜膜技术（微滤（MF），超滤（UF），纳滤（NF），反渗透（RO）。 絮凝过滤:纤维束过滤、圆盘过滤机、微滤/超滤,核心化学技术,3 、 Membrane technology,膜分离技术 MBR高通量、亲水性、抗菌性抗

26、污染分离膜（MF、UF）材料； 纳滤（NF）、反渗透（RO）低压、高通量、抗污染、耐氯性膜材料； 正渗透（FO）膜材料及汲取液和工艺 纳米碳膜及无机膜材料,4、环境材料,碳纳米材料（碳纳米管、泡沫碳、石墨烯等） 光催化新材料 催化材料 电极材料 吸附材料 膜分离材料 生物膜载体材料 高吸油材料（溢油修复、含油污水处理）,5、固体废物资源化与处理处置,遵循三原则：减量化、资源化、无害化 一般工业固体废物（建筑材料） 危险废物（回收、焚烧、安全处置） 生活垃圾(卫生填埋、焚烧发电、堆肥及厌氧发酵制沼气或综合运用) 农业废物和禽畜养殖废物（厌氧发酵-沼气、好氧堆肥、干馏和裂解制燃料气）,5、固体废物资源化与处理处置,生物发酵技术（CH4、H2、乙醇、醋酸、PHB、柴油等） 焚烧发电技术 热解回收能量与资源技术 机械化学分解POPs技术 电子线路板（PCB）回收稀有金属技术 水泥窑协同处理技术