环境生物工程(绪论)

1、环境生物工程课程编号：X56021027 总学时：32 学分：2教学内容与要求： 本课程教学基本教材为伦世仪先生选编之现代生物技术丛书-环境生物工程。教学内容包含绪论、废水生物处理工程技术、危险性化合物的微生物降解、污染场地的生物修复、化石燃料的生物脱硫、生物吸附剂的开发与重金属的去除、生物可降解塑料的生产与应用、环保用酶制剂的生产与应用、工业废气生物处理系统的设计与应用、城市生物垃圾的生物处理技术和环境工程菌的遗传改造及其应用等十一章。教学基准点在于介绍环境生物工程的基本概念，环境生物技术及其在污染防治中的作用。要求通过教学使学生系统掌握环境微生物学基本原理，了解各种污染物生物处理技术的基本

2、方法和原理。学时分配：绪论 2环境微生物学基础 6给排水生物处理技术 6大气污染生物处理技术 4城市生活垃圾的生物处理技术 4污染场地的生物修复 4生物吸附剂的开发与重金属的去除 4危险化合物的微生物降解 2参考书：1.环境工程微生物学，林海主编，冶金工业出版社，20082.现代生物技术在环境工程中的应用，冯玉杰主编，化工出版社，20043.环境微生物工程，马文漪主编，南京大学出版社，1998成绩评定：平时成绩(20%) + 期末考试(80%)第 二 学 期月份周次一二三四五六日月份周次一二三四五六日3月1234566月1234537891011121316端午7891011124141516

3、171819201713141516171819521222324252627182021222324252662829303119272829304月1237月暑假12374清明67891045678910811121314151617111213141516179181920212223241819202122232410252627282930252627282930315月18月123456711234567889101112131412910111213141515161718192021131617181920212222232425262728142324252627282929

4、3031153031备注第二学期：19周缴费注册：2011年2月19日、20日（20日下午17：00截止）上 课：2月21日清 明 节：4月5日放假一天 国际劳动节：5月1日放假一天端 午 节: 6月6日放假一天 暑 假：7月1日至8月27日第一章 绪论 要点： 初步了解环境生物工程的定义、基本内容、解决环境污染问题的特点和进展第一节 我国的环境现状和生物工程技术解决环境污染的特点 随着人们生活条件的改善和社会整体文化水平的提高，人类对生活环境的要求也在不断提高，环境保护已成为当前国际关系、经贸合作中的一个极为重要的问题，也日益影响着我国国民经济的可持续发展。在我国社会经济保持高速度发展的态势

5、下，对环境保护的压力将进一步加重，节能减排，开发新能源，控制污染，改善环境，可持续发展是我们的目标。现在国际通行的ISO14000系列国际环境管理标准(2003)，要求企业承担相应的环境保护责任，并对达到该标准的企业给予认证。没有得到认证的企业及其产品，在出口时将有可能面临被国外政府以未承担环境保护的责任拒绝进口，也将同时失去参与国际项目合作与竞争的资格。 我国是世界上环境污染最为严重的国家之一，每年污水排放达360吨，仅约10%生活污水和70%工业废水得到处理，其中约有一半工业废水处理设施的出水达不到国家排放标准。全国七大水系和内陆河流的110个重点河段中，属4类和5类水体的占约39%；城市

6、地面水污染普遍严重，136条流经城市的河流中，属4类和5类和超过5类标准的高达78%；约50%的城市地下水受到不同程度的污染；全国大淡水湖(如滇池、太湖和巢湖)富营养化程度逐年加剧；城市垃圾和固体废弃物与日俱增，工业废弃物累计堆积量超过66亿吨，占地超过5万公顷；全国600多个城市中，大气质量符合国家一级标准的不足1%，贵阳、重庆、北京、兰州等曾位于世界20大空气污染最严重城市之列。(以上数据截至2002年) 我国现有的环保科技水平仍然较低，缺乏实用科技成果和高技术人才；仅靠传统的污染防治技术和手段已远不能满足人们对生存环境质量的要求，必须另辟新途径，生物工程及其与环境工程的渗透、结合就是其中

7、之一。 生物技术在处理环境污染物方面具有速度快，消耗低，效率高，成本低，反应条件温和及无二次污染等显著优点。其技术开发预示着广阔的市场前景，为从根本上解决环境问题提供了无限希望，因而受到各国政府，科技工作者和企业家的高度重视。目前生物技术应用于环境保护中主要是利用微生物，少部分利用植物作为环境污染控制的生物。生物技术已经是环境保护中应用最为广泛和重要的单项技术，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、废物处理(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都发挥着极为重要的作用。应用生物技术解决环境污染问

8、题的特点如下：1. 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；(如CO2，水，氮气，甲烷)，2. 是有机废物资源化的首选技术；3. 生物反应过程通常是在常温常压下进行；4.生物过程替代化学过程可降低生物活动的污染水平；5.易于大规模应用，且可利用天然水体或土壤作为污染物的处理场所，可大大节约处理过程费用；6.用生物制品代替一切可以取代的化学品，有助于把人类活动产生的环境污染降到最低程度，使经济发展进入可持续发展的轨道。 第二节 生物工程和环境工程的基本内容一、生物工程 生物工程的定义简单概括起来歌词理解为：“利用生物有机体或其组成部分发展新产品或新工艺的一种体系”，或“操纵生物

9、的细胞、组织或酶，进行生物合成、生物转化或生物降解，大规模地生产预期产品或达到特殊目的的一门技术”。 生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程。1. 基因工程主要涉及一切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、以及扩增与表达等技术。2. 细胞工程细胞工程包括一切生物类型的基本单位-细胞的离休培养、繁殖、再生、以及细胞核、细胞质乃至染色体与细胞器的移植与改建等操作技术。3. 酶工程 酶工程则是利用生物机体内酶所具有的某些特异催化功能，借助固定化、生物反应器和生物传感器等，高效优质地生产特定产品的一种技术。4. 发酵工程 或称微生物工程，是给微生物提供最适

10、宜的发酵条件生产特定产品的一种技术。 环境工程相对而言是个新兴的综合性学科，涉及到构成人类生存的空气、水体、土壤、热和光等各个方面；既要研究防治污染和公害的技术与措施，废物资源化技术，改革生产工艺，发展无废或少废的闭路生产系统，也要研究自然资源的保护和合理利用，对区域环境进行系统规划和科学管理；目的在于获得最优的环境效益、社会效益和经济效益。 环境工程主要包括水质净化和污染控制工程；大气环境污染控制工程；固体废弃物处理处置与管理工程；噪声、振动与其他公害防治技术；环境规划、管理和环境系统工程；环境监测与环境质量评价；清洁生产技术的推进与应用。 第三节 环境生物工程的历史和基本特征 生物工程，特

11、别是发酵工程可以说是最早涉足于环境保护领域的工程技术；利用农业废物沤制堆肥在我国农村有着十分悠久的历史；作为废水生物处理主要方法的活性污泥法也经历了数十年历程，并被认为是近代生物工程起源的组成部分。1995年12月，美国国家科学和技术委员会在向美国政府提供的报告中认为，生物工程在解决与环境管理和质量保证有关的问题方面所起的作用包括，能对良好的生态系统进行评价，可将污染物转化成无害物质，能利用再生资源生产生物可降解材料，可开发对环境安全的产品加工工艺和废物处置技术。1992年，国际上一批学者开始酝酿成立国际环境生物工程学会(ISEB)，他们认为地球村是基于全球统一的没有国界的共同环境(空气、水、

12、土地)，人们对环境质量的关心越来越要求防止污染物在生态系统中的排放和处理已有的污染物，在这方面，生物技术可以提供确定生物毒害物和处理工业、农业和生活废弃物的“自然的”方法，应该在国际上支持生物技术用于解决环境问题。ISEB的基本目的是通过召开国际学术会议，支持各地区专门的学术活动，有组织地促进环境生物工程的发展，加强相关的信息交流。1993年，第一届国际学术会议在香港1994年，第二届国际学术会议在加拿大召开，学会成立。秘书组设在University of Waterloo的化工系。 1996年，第三届国际学术会议在美国的Boston东北大学召开。1997年，在德国Leipzig召开生物补救的

13、专门会议。1998年，在北爱尔兰的Queens University of Belfast 召开了第四届国际学术会议1999年，在德国Leipzig 召开生物聚合物的专门会议。2000年，在日本京都召开了第五届国际学术会议。2001年，在德国Leipzig 召开Phytoremediation 专门会议。2002年，在墨西哥Veracruz 召开了第六届国际学术会议，并预定在美国Chicago召开第七届国际学术会议。环境生物工程是一门由现代生物工程与环境工程相结合的新兴交叉学科。凡自然环境中涉及环境控制的一切与生物工程有关的技术，都可归结为环境生物工程，这是一个广义的概念。有学者认为，生物工程

14、中的3个部分属于环境生物工程范畴，即在环境中应用的生物工程，这是相对于一些高度控制条件下的密闭反应器中进行的生物工程而言；涉及环境中的某些可看作为一个生物反应器部分的生物工程；作用于一些必定要进入环境的材料的生物工程。环境生物工程的定义有多种，如ISEB认为是开发、利用和调节生物系统进行污染环境的补救和环境友好产品的生产过程。南京大学的程树培先生在其环境生物工程一书中提出利用“直接或间接利用完整的生物体或生物体的某些组成部分或某些机能，建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够高效净化环境污染以及同时生产有用物质的人工技术系统，称之为环境生物工程”。还有一些学者提出了更为简单和通俗的定义-应

15、用于环境污染治理方面的生物工程。等等第四节 环境生物工程的研究内容环境生物工程的范围极为广泛，涉及多个学科，如分子生物学、生物化学、微生物学、基因工程学、酶工程学、发酵工程学、生态学、动植物学、化学工程学、环境生物学、环境毒理学、环境工程学、微电子学、计算机科学等等.有学者认为，环境生物工程的研究内容从技术难度和理论深度的角度而言，可分为3个部分，即以基因工程为主导的近代防治污染生物工程(包括构建能降解毒害性化合物的高效基因工程菌，创造抗污染型转基因植物)；以废物的生物处理为主要内容(包括在新的理论和技术支撑下开发出的一系列废物强化处理工艺)的治理污染的生物工程；以氧化塘、人工湿地和农业生态为

16、核心的生物工程。这三个部分各有特点，第一部分知识密集，为快速有效防治污染开辟了新途径；第二部分为控制现时的环境质量起到了极其重要的作用；第三部分最大限度地发挥自然的生物环境系统的自净化及平衡功能。在目前国内外环境生物工程研究与应用的现状中，最有应用前景的领域是高效的废物生物处理技术、污染事故的现场补救和现场修复技术、以及可降解材料的生物合成技术。我国的环境生物工程研究的内容主要是以下几个方面：高效降解污染物的基因工程菌和抗污染型转基因植物研究；无害化或无污染生物生产工艺技术研究；生物反应器和固定化技术高效处理废水的工业应用研究；废物资源脂工程研究；引入DNA扩增和其他生物技术的环境监测方法研究

17、。 第五节 环境生物工程的进展与展望 一、 废水生物处理技术现代废水处理技术(高效，低成本)首当推选先进的厌氧生物处理技术。其中的厌氧生物反应器是发展最为迅速的领域；高效的厌氧反应器的关键技术是：反应器中维持高浓度生物量(活性污泥)，使污泥停留时间与废水停留时间分离；如加入载体或填料形成生物膜、培育颗粒污泥等；反应器中生物与废水充分接触，因而需要合理布水系统的设计，采用很高的液体上升流速，或在处理高浓度有机废水时利用产生的大量沼气。第一代厌氧反应器从1881年法国“COSMOS”杂志报道应用厌氧生物技术处理市政污水中的大量易腐败有机物起，厌氧生物处理技术已经有了百余年历史。1896年英国出现了

18、第一座生活污水的厌氧消化池，所产生的沼气用于照明。此后，厌氧处理技术迅速发展并得到广泛应用。1914年美国有14座城市建立了厌氧消化池；20世纪40年代在澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池。第一代厌氧生物反应器采用污泥与废水完全混合的模式，污泥停留时间与水力停留时间相同，厌氧微生物浓度低，处理效果差，一般容积负荷在45KgCOD/(m3.d)以下。主要用于污泥和粪肥的消化及生活污水的处理。20世纪70年代，国际上出现了一批第二代废水厌氧生物处理反应器，是由荷兰农业大学环境系Lettinga等人开发上流式厌氧污泥床反应器(Up-flow Anaerobic Sludge Bed, UASB)，其

19、中的生物固体颗粒化技术开辟了全新的生物固定化途径，在厌氧生物处理技术发展史上具有划时代的意义 (其他种类有厌氧滤器、厌氧流化床等) 。第二代厌氧生物反应器表现出的特征是： 具有相当高的有机负荷和水力负荷，其容积比传统装置减少90%以上； 在不利条件(低温、冲击负荷、存在抑制)下仍具有很高的稳定性； 投资小，适合各种规模和可被结合在整体的处理技术中； 处理低浓度废水的高效率巳具备与好氧处理器竞争的能力； 是能源净生产过程。UASB是第二代废水厌氧生物处理反应器的代表，应用率达到工业化厌氧反应器的65%，全球至少有400多家生产规模的UASB反应器投入运行。UASB也存在一些缺点，如高径比小，占地

20、面积大；难以在大规模反应器中实现均匀布水；UASB中三相分离器的稳定操作较为困难(启动时间较长，液体上升流速较小，液-固混合较差，尤其是在低温，低浓度条件下)；负荷较高时，污泥易流失，易造成有毒难降解化合物，非活性物质的吸附和积累。为了解决UASB反应器在运行中会出现的，在其基础上研发出了第三代厌氧生物反应器，如厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB,Expanded Granular Sludge Bed)、厌氧内循环反应器(IC)、厌氧折板式反应器(ABR)、厌氧序列式反应器(ASBR)、厌氧膜生物系统(AMBS)等。但由于其运行控制困难和构造太复杂，目前用于生产实践中的第三代厌氧生物反应器较少，其

21、代表EGSB和汉IC的容积负荷超过10 KgCOD/(m3.d)。第三代厌氧生物反应器的特点是： 微生物以颗粒污泥固定化方式存在于反应器中，因而单位容积的生物量更高； 能够承受更高的水力负荷，并具有较高的有机污染物净化能力； 具有较大的高径比，一般在510以上； 占地面积小，动力消耗少。 二、可降解塑料的生物合成数量巨大的塑料垃圾对生态环境产生了及其严重的影响，研究和开发生物可降解塑料迫在眉睫，许多国家陆续颁布了一些法规禁用某些塑料制品，其中对食品包装，餐饮用具更是要求严格。我国现在也已经要求零售行业不得再向顾客免费提供一次性塑料袋，餐饮行业不得再使用一次性塑料餐盒，只允许使用生物可降解塑料餐

22、盒。目前，在众多的生物可降解材料中，采用微生物发酵法生产的聚-羟基烷酸(PHAs，Polyhydroxyalkanoate聚羟基烷基酸酯)是应用环境生物学方面的一个研究热点。PHAs 作为一种有光学活性的聚酯，除了具有高分子化合物的基本特性(质轻，弹性，可塑性，耐磨性，抗射线等)外，不重要的是其还具有生物可降解性和生物可相容性(有研究表明，PHAs制品在自然环境中9个月后基本上可被完全降解，而用合成塑料制成的制品，若要完全降解约需100年时间)。PHAs 实现大规模工业化的主要障碍是生产成本问题。目前对短链PHAs(scl- PHAs，其中最具代表性的如PHB，poly-hydroxybuty

23、rate 聚-羟丁酸)和中链PHAs(mcl- PHAs)研究重点主要为以下几个方面：采用廉价底物，如利用有机废水和食品废物发酵生产PHAs。采用发酵技术进行PHAs的组装和结构调控，由此可以获得某些新性质，如使PHAs有较高的润滑性，耐热和耐油性。构建自溶性PHAs生产菌种，简化胞内产物PHAs的提取过程，降低提取成本。自1998年以来，研究的重点集中于PHAs合成基因的分析，多种PHAs的开发和转基因植物生产PHAs的研究。PHAs通过细菌培养和植物种植的多种方式来生产，其成本将不断降低，同时一些性能更好的PHAs将用于医学材料等领域。 三、污染场地的生物修复 生物修复(bioremedi

24、ation)被认为是现代环境生物工程的核心内容。生物修复技术是20世纪80年代以来出现和发展的清除和治理环境污染的生物工程技术，其主要利用生物特有的分解有毒有害物质的能力，将有机污染物的浓度降低到低于检测限或低于环保部门规定的浓度，这项技术正被用于清除土壤、地下水、废水、污泥、工业废料及气体中的污染物；这些污染物包括石化产品、多环芳烃、卤代烷烃、卤代芳烃等。重金属虽然不能被生物降解，但通过生物修复可由微生物将其转移或降解其毒性。 生物修复(补救)的基本定义：生物修复是生物特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中的污染物的一个受控或自发进行的过程。 在大多数的环境中存在着许

25、多土生微生物进行的自然净化过程，由于溶解氧(或其他电子受体)、营养盐的缺乏，该过程进展速度很慢，而且有效微生物生长也常常较为缓慢。故常常采取多种强化措施，如提供电子受体、添加营养盐、接种培养驯化的高效微生物等等。 生物修复技术的种类很多，大致可分为原位(in situ)和异位(ex situ)两类。原位生物修复无需将土壤挖走或将地下水抽至地面上处理，其优点是经济，但难以严格控制。异位生物修复需要将污染物通过某种途径从污染现场运走，增加了搬运费用，但处理过程便于对修复进行控制。与其他方法相比，生物修复具有经济(约为传统化学、物理修复的30-50%)、对环境影响小，不产生二次污染，遗留问题少；可最

26、大程度地降低污染物浓度。 生物修复实际应用时须考虑的前提条件是：须有具代谢活性的微生物存在；这些微生物在降解化合物时须有相当在的速率，且能将化合物浓度降解到符合环保标准；这些微生物在修复过程中生成的产物必须无毒性；污染场地不能含有对微生物菌种有抑制作用的物质；目标化合物须能被微生物利用；污染场地或生物反应器的条件须有利于微生物生长或保持活性；技术及运行费用须尽可能低，至少低于同样可消除该污染物的其他技术。四、城市生活垃圾的生物处理随着社会经济的飞速发展，城市化水平的不断提高，人口正向着城市高度集中，这意味着市政公共资源能为更多的人服务，经济效益和社会效益得到最大化。但另一方面，城镇人口的膨胀和

27、城镇规模的极大扩张，在解决城市居民衣食住行诸多问题的同时，如何较好地处理好生活污水和生活垃圾的问题也我们随之摆到面前。目前发达国家中城市生活垃圾作为资源再利用的处理率达到40%，余下的部分则以通用的方式处理，如卫生填埋法、堆肥法和焚化法。城市垃圾中均以有机物质为主，据调查美国垃圾有机物质含量达73.5%(热值8,700KJ/KG)，日本约为82.9%(热值9,100 KJ/KG)，中国约为51%(热值4,100 KJ/KG)。20世纪70年代以来，焚化以其处理速率快，减量大，占地少等优点获得了较大地发展，尤其是在人均国土面积较少的发达国家。焚化法的另一个优点是能利用可燃烧物产生的热能发电，但由

28、于其释放出大量的微细烟尘和较多的炉底残余物，而这二者中均含汞、锡、铅等微粒，甚至还会附有二恶英等强致癌物，以至许多国家已在逐步减少焚化法。 1990年国外垃圾填埋法与焚化法所占比例国 别美 日 德 英 法 荷兰 比利时 瑞士 丹麦 奥地利填埋处理率%焚化处理率%60 32 72 85 50 50 62 15 32 6525 65 25 15 30 30 29 70 66 24 卫生填埋法则是消解速度慢，占地多，减量小；但由于其对环境造成的危险已有比较可靠的预防方法，且其处理成本低，因此仍是许多国家处理城市生活垃圾的主要方法。 城市生活垃圾的最新处理技术是生物反应器式填埋场和(bioreacti

29、on landfill,BL)。生物反应器式填埋场有厌氧式，好氧式及二者结合式。生物反应器式填埋场的优点有：垃圾渗滤液(LC)的回流速率可以强化和调节微生物的代谢活性；填埋场废气(LFG)产生的高峰期可以控制在选定的时段内，CH4的总量远高于卫生填埋场，提高了容积利用率；LC的反复回流，在透过富含厌氧微生物的垃圾层过程中，其中常含有的毒害性化合物会被降解或去除，与现代卫生填埋法相比，大大减少场外后处理费用。 生物反应器式填埋场的操作要点包括垃圾分捡及预处理，水分控制，LC回流，微生物活性保持，日覆盖层设置，沉降以及稳定期的结束。生物反应器式填埋场的可持续运行设想是：一旦城市的人口达到零增长率，

30、则一组BL永久满足城市生活垃圾填埋处理的需要。如果BL的一个运行周期(从投料到稳定化完成的时间)为6-7年，设想用3个BL构成一个这样的系统(若每个BL达到填埋容积的时间为3年，后续的稳定化需3-4年，当第一个BL的填埋达到设计容积后，封闭，继续按需要回流LC；第二个BL第4年开始投入使用；第三个BL第7年投入使用；第8年第一个BL完成稳定化后开始卸空，稳定物的分选及完成重新填入的准备；毎第10年重新开始另一个循环。) 五、高硫煤生物脱硫技术 我国是世界上最大的产煤国的煤消耗国，煤炭占我国一次性能源的3/4。我国高硫煤储量约占总储量的1/3，且其开采量也在逐年上升；煤的含硫量为0.25-7%，

31、我国煤炭含硫量是西南地区平均为3.23%，西北地区为3.05%，中南地区为2.02%，华北地区为1.65%。煤炭中的硫分包括非可燃硫(主要是硫酸盐)和可燃硫(包括无机硫和有机硫)。可燃硫经燃烧生成的SO2随烟气排入大气，导致严重的环境污染。我国1997年SO2年排放量达到2，346万吨，居世界第一；62%的城市大气中SO2日平均浓度超过国家三级标准(0.25/m3，一级标准为0.05，二级标准0.15)； 在众多的煤洁净、脱硫技术中，煤的燃前脱硫技术以其脱硫成本仅为洗涤烟气脱硫的1/10，且便于大规模、全面地控制燃煤的二氧化硫和粉尘排放，因而受到各国的高度重视。与现有的物理、化学法煤洁净技术相

32、比，微生物洁净技术具有投资低、操作简便、反应条件温和、不产生新的污染特点；再与现有的物理洗煤过程相结合，脱除其中的灰分而煤基本无损失，且可提高煤的燃煤值；煤的微生物洁净技术(脱硫脱尘)研究是在生物沥滤铜、铀等基础上发展而来。相比有机硫分，黄铁矿硫(FeS2)较易去除，如利用氧化亚铁硫杆菌(自养菌，可在几天时间里将黄铁矿氧化分解成铁离子和硫酸，硫酸可溶于水而排出，约可去除90%的无机硫，使某些煤的含硫量降到1%以下)。该方法脱硫效率较高，但需时较长，并且要求较大的反应器容积和较细的煤炭粒径。后来研究人员把煤的物理选煤特低硫煤 硫分0.5% 低硫分煤 0.51-1.0% 低中硫煤 1.01-1.50%中硫分煤 1.51-2.00% 中高硫煤 2.01-3.00% 高硫分煤 3.00%技术中的浮选法与微生物处理相结合，即把煤粉碎成微粒与水混合