环境生物工程ppt课件.ppt

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1、环境生物工程,Environmental Bioengineering,2008-9,2,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！,2008-9,3,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,Chapter 1 Brief Intr

2、oduction,2008-9,5,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,2008-9,6,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,2008-9,7,一. 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

3、受到不同程度的污染。,城市污染,2008-9,8,（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

4、质恶化的现象称为水污染。,2008-9,9,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

5、康造成严 重危害。,（1）水污染现状,2008-9,10,http:/ 公众与环境研究中心 -中国水污染地图,（1）水污染现状,2008-9,11,1994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

6、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。,2008-9,12,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。

7、,2008-9,13,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,2008-9,14,大气污染现状,酸雨控制区和二氧化硫污染控制区,2008-9,15,(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

8、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!,2008-9,16,(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,2008-9,17,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/k

9、g,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,2008-9,18,(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

10、，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,2008-9,19,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

11、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

12、生产等环境保护的各 个方面，发挥着重要的作用。,2008-9,20,2.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。

13、,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。,2008-9,21,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

14、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。,2008-9,22,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,2008-9,23,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,2008-9,24,2. 生物工程学,生物工程学：研究如何利用微生物的

15、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

16、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。,2008-9,25,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,2008-9,26,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,2008-9,27,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,2008-9,28,菌落结构的解析,2008-9,29,生物化学工程：应用化

17、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,2008-9,30,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。

18、,2008-9,31,2008-9,32,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。,

19、2008-9,33,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,2008-9,34,2.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

20、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kg BOD5/m3d）。追求更高的氧效率及动力效率。,2008-9,35,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,2008-9,36,3.环境生物工程的未来,(1)新型，优异的生物处理

21、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

22、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。,2008-9,37,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

23、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）,2008-9,38,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（Vertical Tube Biol

24、ogical Reactor）,2008-9,39,VTBR工程实例 Bravery waste water treatment in Fushun City by VTBR,大连理工大学环境工程研究设计所,2008-9,40,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 Works,2008-9,41,VTBR工程实例 Ammonia Synthesis W-W Treatment in Dalian Chemical Factory,大连理工大学环境工程研究设计所,2008-9,42,大连仲夏花

25、园污水回用处理工程,大连理工大学环境工程研究设计所,2008-9,43,（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、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

26、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。,2008-9,44,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。 以下列举了几种人们构建的基因工程菌及其应用：用铜绿色假单胞菌POA（Pseudomonas aeruginosa）为受体 细胞，引入其它质粒后可降解16烷以上的烷烃。B. 将恶臭假单胞菌（P.Putida） AC59携带的（AM-OC）质粒引 入POA 可降解CA6CA8及环烃。C. 引入XYL质粒可降解甲苯

27、、二甲苯、 三甲苯等衍生物。D. 染料降解菌：假单胞菌K24与K46接合。E. 尼龙寡聚物降解菌：大肠杆菌POADA2（来源于黄杆菌属. Flavobaeeerinm）。,（2）构建基因工程菌,2008-9,45,（3）生物资源化技术,3.环境生物工程的未来,蛋白质回收：单细胞蛋白生产生物酶制备：脲酶等生物絮凝剂：高分子多糖、蛋白类生物降解塑料：生物多聚物,2008-9,46,第四节环境生物工程的研究内容,2008-9,47,我国环境生物工程研究的主要内容在以下几个方面：,高效降解污染物的基因工程菌和抗污染型转基因植物的研究；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；废物资源化工程技术；引入DNA扩增和其他生物技术的环境监测方法研究； 分子生物学诊断技术,第四节环境生物工程的研究内容,2008-9,48,祝大家节日快乐！,