《环境生物工程》PPT课件

1、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：lilihua07Environmental Bioengineering 1PTP课件2008-92PTP课件学 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！2008-93PTP课件专业性教材：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

2、版社微生物与水处理工程李军，杨秀山，化学工业出版社2008-94PTP课件第一章环境生物工程概述 Chapter 1 Brief Introduction5PTP课件.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2008-96PTP课件第一节 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2008-97PTP课件 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

3、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。 城市污染振荡 水体污染水污染空气污染城市污染环境污染BECDA大气污染土壤污染生态破坏2008-98PTP课件（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

4、。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。 2008-99PTP课件据环境部门监测，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，13

5、6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2008-910PTP课件/index.jsp 公众与环境研究中心 -中国水污染地图 （1）水污染现状2008-911PTP课件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

6、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。2008-91

7、2PTP课件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5 km。 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。 2008-913PTP课件我国大气污染严重，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2008-914PTP课

8、件大气污染现状酸雨控制区和二氧化硫污染控制区2008-915PTP课件(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。This is a verycommon rubbishheap of one city!2008-916PTP课件(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

9、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有机氯农药DDT 五氯酚钠防治血吸虫病二噁英类污染 多环芳烃（PAHs）2008-917PTP课件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2008-918PTP课件(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

10、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2008-919PTP课件由人类活动所造成的环境污染和环

11、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

12、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。2008-920PTP课件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

13、.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

14、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。2008-921PTP课件第二节 环境生物工程的定义及学科体系定义 环境生物工程学科体系 环境工程学生物工程学生物化学工程123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。2008-922PTP课件环境工程学：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

15、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水质净化与污染控制工程 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评价与管理 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环境工程学2008-923PTP课件废水处理的任务 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 活性污泥法 生物膜法 厌氧生物处理法 自然生物处理法 脱氮除磷法2008-924PTP课件2. 生物工程学生物工程学：研究如何利用微

16、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

17、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。2008-925PTP课件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2008-926PTP课件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 指标特征描述 生长特征对温度、pH、o2 等的需求情况 形态 特征菌落特征菌落结构、质地、颜色等细胞形态细胞对颜色的反应；细胞细微结构，如荚膜、鞭毛、芽孢等 生理特征碳、氮源需求

18、及代谢产物情况 生化特征细胞壁的氨基酸成分、糖成分、细胞膜成分等 核酸分析G+C含量、保守基因如16SrRNA 基因序列纯培养的细菌形态2008-927PTP课件根据基因测序结果，在NCBI检索同源性序列并进行分析，结果如图。提取DNA基因测序同源性比对系统进化树核酸水平单菌的鉴定2008-928PTP课件方法：RIS指纹分析16S rDNA 序列分析技术 系统进化树的构建：使用Mega3.1软 件，构建方法使用了邻接 法，进化距离计算采用的是Juke-Cantor法 基因组DNA提取：采用反复冻融法 菌落结构的解析菌株QYY电镜照片RIS指纹图谱图5.20(a) 初始AQDS还原菌群克隆文库

19、1#的进化分析 (乳杆菌目)(肠杆菌目) (拟杆菌目)2008-929PTP课件生物化学工程：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. 生物化学工程生物化学工程发酵动力学酶动力学生物反应工 程传递过程生物分离工 程2008-930PTP课件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

20、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。2008-931PTP课件大气700109tc植物光合作用吸收（194109tc）绿色植物本身呼吸84109tc 动物呼吸20109tc人类呼吸0.6109tc微生物呼吸84.5109tc火灾5109tc110109tc0.5109tc腐殖质碳酸盐1016tc水溶解35000109tc土壤 700109tc天然气、石油、煤1013tc结晶岩、火山岩1016tc2008-932PTP课件第三节环境生物工程的发展进程 （2）人工生物净化的

21、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。 2008-933PTP课件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

22、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2008-934PTP课件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

23、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kg BOD5/m3d）。追求更高的氧效率及动力效率。2008-935PTP课件塔式生物滤池、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2008-936PTP课件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

24、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。

25、2008-937PTP课件提出VTBR（Vertical Tube Biological Reactor） 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

26、氧 装置是其中一种应用最广泛，特性最突出的工艺。（30）2008-938PTP课件其生物学原理为：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（Vertical Tube Biological Reactor）2008-939PTP课件VTBR工程实例 Brav

27、ery waste water treatment in Fushun City by VTBR加药罐进气VTBR生化机械格栅综合污水水解酸化池调节池进气排水沉淀池大连理工大学环境工程研究设计所2008-940PTP课件排放垂直折流生化反应器排水池进气调节池综合污水焦碳过滤罐气浮池大连理工大学环境工程研究设计所VTBR工程实例 Coke Production W-W treatment in Dalian Glass Works2008-941PTP课件进气排水池排放机械格栅综合污水回用调节罐池垂直折流生化反应器活性碳过滤VTBR工程实例 Ammonia Synthesis W-W Treat

28、ment in Dalian Chemical Factory 大连理工大学环境工程研究设计所2008-942PTP课件大连仲夏花园污水回用处理工程回用水池回用出水污水调节池垂直折流生化反应器中空纤维超滤器消毒罐大连理工大学环境工程研究设计所2008-943PTP课件（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、酚类化合物和木质 素等有机污染物的功能及相关的基因。具有降解污染物 基因的微生物菌株有时难以适应处理环境，而且繁殖速 度慢，清除有机污染物的速度和效果达不到治理工程的 要求，因此有必要将降解污染物的基因转入繁殖能力强 和适应性能佳的受体菌株内，构建出高效菌株用于治理 污染或用于建立清洁生产工艺及生产其他利于环境保护 的生物制品。2008-944PTP课件例如利用降解石油烃的基因构建出基因工程菌用于清除大面积 海洋石油污染，利用木质素降解基因构建基因工程菌用于建立 生物制浆的清洁生产工艺，利用毒性蛋白质基因构建成基因工 程菌生产生物农药等等。 以下列