1、2008-9化工學院環境生物工程課件1環境生物工程環境生物工程主主 講講 人：李麗華人：李麗華聯系地址：化工學院環境工程系聯系地址：化工學院環境工程系聯系電話：聯系電話：5929273電子郵箱：電子郵箱：Environmental Bioengineering 2008-9化工學院環境生物工程課件2學學 時時 數數：32學時學學 分：分：2授課方式：授課方式： 老師講課提問討論考核方式：考核方式： 平時考察（30）期末開卷考試（70%) 學習方式態度決定一切！只要態度端正，沒有什么是不可能的！2008-9化工學院環境生物工程課件3 2008-9化工學院環境生物工程課件4第一章環境生物工程概述

2、Chapter 1 Brief Introduction2008-9化工學院環境生物工程課件5.環境生物工程的研究內容環境生物工程的研究內容 掌握及重點掌握及重點.環境生物工程的發展進程環境生物工程的發展進程.環境生物工程定義及學科體系環境生物工程定義及學科體系 掌握掌握環境現狀及生物工程技術解決環境污染的特點環境現狀及生物工程技術解決環境污染的特點 F 主要內容2008-9化工學院環境生物工程課件6第一節 我國環境現狀及生物工程技術我國環境現狀及生物工程技術 解決環境污染的特點解決環境污染的特點一、環境現狀一、環境現狀 二、生物工程技術解決二、生物工程技術解決 環境污染的特點環境污染的特點F

3、內容2008-9化工學院環境生物工程課件7F 一一. 環境現狀環境現狀 在我國過去幾十年的經濟在我國過去幾十年的經濟發展中，由于忽視了發展發展中，由于忽視了發展中的環境保護，環境狀況中的環境保護，環境狀況已經變得十分嚴峻。近年已經變得十分嚴峻。近年來雖采取了大量控制措施，來雖采取了大量控制措施，但環境質量下降的趨勢仍但環境質量下降的趨勢仍在繼續。目前，我國已經在繼續。目前，我國已經是世界上環境污染最為嚴是世界上環境污染最為嚴重的國家之一，從城市到重的國家之一，從城市到鄉村，我國的大氣、河流、鄉村，我國的大氣、河流、湖泊、海洋和土壤等均受湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。到不同程度的污染。

4、 城市城市污染污染振蕩振蕩 水體水體污染污染水污染空氣污染城市污染大氣污染大氣污染土壤污染土壤污染生態破壞生態破壞2008-9化工學院環境生物工程課件8（1）水污染現狀水的污染有兩類：自然污染 人為污染 對水體危害較大的水污染可根據污染雜質的不同而主要分為: 化學性污染 物理性污染 生物性污染污染物主要有：（1）未經處理而排放的工業廢水； （2）未經處理而排放的生活污水； （3）使用化肥,農藥,除草劑的農田污水； （4）堆放在河邊的工業廢棄物和生活垃圾； （5）水土流失； （6）礦山污水。1984年頒布的中華人民共和國水污染防治法中為“水污染”下了明確的定義，即水體因某種物質的介入，而導致其化

5、學、物理、生物或者放射性等方面特征的改變，從而影響水的有效利用，危害人體健康或者破壞生態環境，造成水質惡化的現象稱為水污染。 2008-9化工學院環境生物工程課件9據環境部門監測，全國每年污水排放達360億噸，僅10%的生活污水和70%工業廢水得到處理，其中約有一半工業污水處理設施的出水達不到國家排放標準。其他未經處理的污水直接排入江河湖海，致使我國的水環境遭受嚴重污染和破壞。 l全國七大水系和內陸河流的110個重點河段中，屬4類和5類 水體的占39%；l城市地面水污染普遍嚴重，并有進一步惡化的趨勢，136條 流經城市的河流中，水質屬4類、5類和超過5類標準的高達 76.8%；l約50%的城市

6、地下水受到不同程度的污染；l全國大淡水湖(滇池,太湖和巢湖等)富營養化程度逐年加劇;l一些地區的飲用水源受到嚴重污染，對人民身體健康造成嚴 重危害。（1）水污染現狀2008-9化工學院環境生物工程課件10http:/ 公眾與環境研究中心公眾與環境研究中心 -中國水污染地圖中國水污染地圖 （1）水污染現狀2008-9化工學院環境生物工程課件111994年淮河水污染事件 ：2004年沱江“302”特大水污染事故：大量含氨氮的工藝冷凝液排入河南濮陽多年喝不上“放心水”：取水口發生持續4個多月的水污染2005年北江鎘污染事故：冶煉廠在設備檢修期間超標排放含鎘廢水2005年重慶綦（qi)河水污染：化肥有

7、限公司排除的廢水污染河水2005年松花江重大水污染事件：石化公司雙苯廠苯胺車間發生爆炸事故 事故產生的約100噸苯、苯胺和硝基苯等 有機污染物流入松花江所致2006年白洋淀死魚事件：由于水污染造成DO過低，造成大量魚類死亡2006年湖南岳陽砷污染事件：3家化工廠日常排放大量含砷廢水2007年太湖水污染事件：天氣連續高溫少雨,太湖水富營養化較重(藍藻)2007年江蘇沭陽水污染：短時間、大流量的污水侵入到位于淮沭河取水口 水污染現狀中國十大水污染公害事件我國屬于貧水國家，人均占有水量為2.51km3/a，低于世界上多數國家。水質惡化使水資源更趨于緊張。2008-9化工學院環境生物工程課件12 水污

8、染現狀 2008-9化工學院環境生物工程課件13l我國大氣污染嚴重，屬于煤煙型污染，主要大氣污染物是 粉塵和二氧化硫；l太原、貴陽、重慶、北京、蘭州等5個城市位于世界十大 空氣污染最嚴重的城市之列；l全國600多個城市，大氣質量符合國家一級標準的不足1%。l全國范圍的酸雨危害的程度和區域日益擴大。 (2)大氣污染現狀我國酸雨覆蓋率以國土面積計已近40%并有半數以上城市受酸雨之害2008-9化工學院環境生物工程課件14 大氣污染現狀酸雨控制區和二氧化硫污染控制區2008-9化工學院環境生物工程課件15(3)城市污染固體廢棄物污染現狀城市垃圾和工業固體廢棄物與日俱增，工業廢棄物累計堆積量已超過66

9、億噸，占地超過5萬公頃，使200多個城市陷入垃圾包圍之中。而且有的垃圾越堆越寬，造成土壤和地下水的嚴重污染。This is a verycommon rubbishheap of one city!2008-9化工學院環境生物工程課件16(4)土壤污染現狀l農用化工產品：化肥，殺蟲劑，殺菌劑,除草劑l其它化學物品：石油污染，重金屬污染等l工業廢棄物：塑料，玻璃制品，電池等l農業廢棄物：塑料，秸稈l土壤的有機污染l土壤的重金屬污染：汞、鉛、鎘、鎳、硒、砷、鉻等l土壤的放射性污染 使用化肥、農藥、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類型有機氯農藥DDT 五氯酚鈉防治血吸蟲病二噁英類污

10、染 多環芳烴（PAHs）2008-9化工學院環境生物工程課件17 土壤污染現狀我國土壤有機染料的污染概況毗鄰污染源地區農業土壤環境中各種有機染料總含量達19-3114mg/kg錦州錦州大連大連北京北京天津天津濟南濟南青島青島蘇州蘇州上海上海紹興紹興 寧波寧波廈門廈門廣州廣州汕頭汕頭2008-9化工學院環境生物工程課件18(5)生態環境現狀森林覆蓋：森林覆蓋：森林覆蓋率穩步增長，但森林的人均占有量低 水土流失：水土流失：水土流失分布范圍廣、面積大，主要分布于西部地區， 其中以黃土高原地區的水土流失最為嚴重，造成的危害 最大。目前，中國約有1/3的耕地受到水土流失的危害. 每年流失的土壤總量達50

11、多億噸，相當于在全國的耕地 上刮去1厘米厚的地表土。濕濕 地：地：人類生產生活對濕地資源依賴與開發程度的提高，直接 導致了對濕地及其生物多樣性的普遍破壞。最近40年來， 已有近50的濱海灘涂濕地不復存在，黑龍江三江平原 78的天然沼澤濕地喪失，洪湖水生植物種類減少24種、 魚類減少約50種等等。土地沙化：土地沙化：土地沙化問題非常突出，且主要集中在西部。全國沙化 土地總面積已超過174 萬平方公里，占全國土地面積的 近二成，并且正在以每年約3400平方公里的速度擴張。 生物多樣性：生物多樣性：銳減，棲息地環境改變、生境破碎化日趨嚴重2008-9化工學院環境生物工程課件19由人類活動所造成的環境

12、污染和環境質量的惡化已成為制約我國社 會和經濟可持續發展的障礙。如何在經濟高速發展的同時控制環境 污染，改善環境質量，以實現社會、經濟可持續發展之目標是我國 亟待解決的重要問題。解決這一問題必須依靠科技進步，特別是高新技術的應用。僅靠傳 統的污染防治技術和手段，已遠遠不能滿足人類對生存環境質量的 要求，必須另辟新的途徑。生物工程及其與環境工程的滲透與結合生物工程及其與環境工程的滲透與結合 為解決上述問題提供了新的契機。結論結論生物技術在解決環境問題過程中所顯示的獨特功能和顯著優越性充 分體現在它是一個純生態過程純生態過程，從根本上實現了可持續發展的戰略 思想。隨著生物技術研究的進展和人們對環境

13、問題認識的深入，人 們已越 來越意識到，現代生物技術的發展，為從根本上解決環境問 題提供了無限的希望。生物技術已是環境保護中應用最廣的、最為重要的單項技術，其在 水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質的降解、清潔可再生能 源的開發、廢物處置（資源化）、環境監測、環境友好材料的合成 污染環境的修復和污染嚴重的工業企業的清潔生產等環境保護的各 個方面，發揮著重要的作用。2008-9化工學院環境生物工程課件202.生物工程技術解決環境污染的特點 生物技術處理污染物時，最終產物大都是無毒無害、穩定的物質； 生物處理方法也常是有機廢物資源化的首選技術； 由于大部分有機污染物適于作為生物過程反應的底物，其

14、中有機污 染物經生物過程處理后可轉化為沼氣,酒精,生物蛋白質等有用物質.反應過程通常是在常溫、常壓下進行的，且轉化效率高、副產物少； 生物過程是以酶促反應為基礎的，作為催化劑的酶是一種活性蛋白 質, 對底物有高 度的特異性.用生物過程代替化學過程可以降低生產活動的污染水平，有利于實 現工藝過程生態化或無廢生產，真正實現清潔生產的目標。生物處理技術除易于大規模應用外，還可利用天然水體或土壤作為 污染物的處理場所，從而大大節約處理過程費用。另外，生物技術 的產品或副產品基本上都是可以較快生物降解的。用生物制品代替一切可以取代的化學藥物、化石能源、人工合成物 等，有助于把人類活動產生的環境污染降至最

15、低程度，使經濟發展 進入可持續發展的軌道。鑒于此，環境友好材料的合成利用是生物 技術解決環境問題的又一個重要方面，當前其最主要 代表是生物可 降解塑料，還有一些環境友好的化學品、農藥及其它生物材料。2008-9化工學院環境生物工程課件21F第二節第二節 環境生物工程的定義及學科體系環境生物工程的定義及學科體系定義定義 環境生物工程學科體系環境生物工程學科體系 環境工程學生物工程學生物化學工程123環境生物工程環境生物工程是環境工程與生物工程的交叉學科，是生物技術在環境工程中的應用，即應用生物（主要是微生物）來進行環境污染的防治，使環境變化向有利于人類社會發 展的方向轉變。同時，應用生物技術還可

16、以實現廢棄物資源化，使人類更充分地利用自然資源，保持生態平衡。2008-9化工學院環境生物工程課件22環境工程學：把環境科學的基本原理與工程技術相結合， 通過工程技術措施對環境進行污染防治與控制的科學。1. 環境工程學環境工程學環境工程學科體系水質凈化與污染控制工程 污染控制工程 大氣環境污染控制工程固體廢棄物處理處置與管理工程噪聲、振動與其他公害防治技術環境評價與管理 環境規劃、管理和環境系統工程環境監測與環境質量評價清潔生產技術的推進與應用環境工程學2008-9化工學院環境生物工程課件23廢水處理的任務 是采用各種技術措施將廢水中所含的各種形態污染物分離出 來或將其分解、轉化為無害和穩定的

17、物質，使廢水得到凈化。1. 環境工程學環境工程學現代廢水生物法處理工藝 活性污泥法 生物膜法 厭氧生物處理法 自然生物處理法 脫氮除磷法2008-9化工學院環境生物工程課件242. 生物工程學生物工程學生物工程學生物工程學：研究如何利用微生物的科學，或者說研究由 微生物參與的工藝過程原理的科學，包括基因工程基因工程和細胞細胞 工程工程等。基因工程基因工程：主要涉及一些生物類型所共有的遺傳物質核 酸的分離提取、體外剪切、拼接重組、轉化和轉導以及擴 增與個體表達的技術. 將人們所需要的基因從DNA 或染色 體上切割下來或人工合成，在細胞體外將該基因連接到載 體上，通過轉化或轉導達到將重組的遺傳特性

18、在菌種中表 達出來或創造新菌種的目的。細胞工程：細胞工程：包括對一切生物類型的基本單位細胞的離體 培養、繁殖、再生和融合，以及細胞核、細胞質乃至染色 體與細胞器（如線粒體、葉綠體）的移植與改建等操作技 術。簡單的說，就是動物、植物細胞人工培養技術的研究 領域，它包括細胞的原生質體融合技術、植物細胞培養技 術以及動物細胞培養技術。2008-9化工學院環境生物工程課件25FF大連理工大學基因工程實驗室大連理工大學基因工程實驗室特色特色：分子雜交技術FISH(熒光原位雜交） DNA指紋技術RISE（16SrRNA基因間隔序列分析） 構建基因工程菌 宏基因組技術2008-9化工學院環境生物工程課件26

19、FF單菌的鑒定單菌的鑒定微生物的鑒定一般需要三個步驟： 首先獲得微生物的純種培養物； 其次測定一系列必要的鑒定指標； 最后查找權威性的鑒定手冊確定微生物的類別。鑒定指標 指標特征描述 生長特征對溫度、pH、o2 等的需求情況 形態 特征菌落特征菌落結構、質地、顏色等細胞形態細胞對顏色的反應；細胞細微結構，如莢膜、鞭毛、芽孢等 生理特征碳、氮源需求及代謝產物情況 生化特征細胞壁的氨基酸成分、糖成分、細胞膜成分等 核酸分析G+C含量、保守基因如16SrRNA 基因序列純培養的細菌形態2008-9化工學院環境生物工程課件27根據基因測序結果，在NCBI檢索同源性序列并進行分析，結果如圖。提取DNA基

20、因測序同源性比對系統進化樹核酸水平FF單菌的鑒定單菌的鑒定2008-9化工學院環境生物工程課件28l方法：RIS指紋分析16S rDNA 序列分析技術 系統進化樹的構建：使用Mega3.1軟 件，構建方法使用了鄰接 法，進化距離計算采用的是Juke-Cantor法 基因組DNA提取：采用反復凍融法 FF菌落結構的解析菌落結構的解析菌株QYY電鏡照片RIS指紋圖譜圖5.20(a) 初始AQDS還原菌群克隆文庫1#的進化分析 E n tero b acteialesB a cteroid alesL a cto b a cillales 1 -1 2 (E U 0 1 4 8 6 3 ) 1 -2

21、 0 (E U 0 1 4 8 7 1 ) 1 -1 4 (E U 0 1 4 8 6 5 ) 1 -6 (E U 0 1 4 8 5 7 ) 1 -1 0 (E U 0 1 4 8 6 1 ) 1 -7 (E U 0 1 4 8 5 8 ) T rich ococcu s floccu liform is (Y 1 7 3 0 1 ) 1 -1 3 (E U 0 1 4 8 6 4 ) L a ctosp h a era p a steu rii (X 8 7 1 5 0 ) 1 -8 (E U 0 1 4 8 5 9 ) 1 -1 5 (E U 0 1 4 8 6 6 ) 1 -1 8 (

22、E U 0 1 4 8 6 9 ) L a ctococcu s sp . (A Y 7 6 2 1 0 4 ) 1 -4 (E U 0 1 4 8 5 5 ) 1 -1 1 (E U 0 1 4 8 6 2 ) 1 -1 7 (E U 0 1 4 8 6 8 ) 1 -3 (E U 0 1 4 8 5 4 ) 1 -9 (E U 0 1 4 8 6 0 ) 1 -1 6 (E U 0 1 4 8 6 7 ) 1 -2 (E U 0 1 4 8 5 3 ) 1 -1 (E U 0 1 4 8 5 2 ) E n terob a cter a erog en es (A J2 5 1 4 6 8

23、 ) K leb siella sp . (A Y3 6 3 3 8 6 ) 1 -5 (E U 0 1 4 8 5 6 ) 1 -1 9 (E U 0 1 4 8 7 0 ) D ysg on om on a s w im p en n yi (A Y6 4 3 4 9 2 )99645855342399374599994148492099410.05(a ) E n tero b acteialesB a cteroid alesL a cto b a cillales 1 -1 2 (E U 0 1 4 8 6 3 ) 1 -2 0 (E U 0 1 4 8 7 1 ) 1 -1 4 (

24、E U 0 1 4 8 6 5 ) 1 -6 (E U 0 1 4 8 5 7 ) 1 -1 0 (E U 0 1 4 8 6 1 ) 1 -7 (E U 0 1 4 8 5 8 ) T rich ococcu s floccu liform is (Y 1 7 3 0 1 ) 1 -1 3 (E U 0 1 4 8 6 4 ) L a ctosp h a era p a steu rii (X 8 7 1 5 0 ) 1 -8 (E U 0 1 4 8 5 9 ) 1 -1 5 (E U 0 1 4 8 6 6 ) 1 -1 8 (E U 0 1 4 8 6 9 ) L a ctococcu

25、 s sp . (A Y 7 6 2 1 0 4 ) 1 -4 (E U 0 1 4 8 5 5 ) 1 -1 1 (E U 0 1 4 8 6 2 ) 1 -1 7 (E U 0 1 4 8 6 8 ) 1 -3 (E U 0 1 4 8 5 4 ) 1 -9 (E U 0 1 4 8 6 0 ) 1 -1 6 (E U 0 1 4 8 6 7 ) 1 -2 (E U 0 1 4 8 5 3 ) 1 -1 (E U 0 1 4 8 5 2 ) E n terob a cter a erog en es (A J2 5 1 4 6 8 ) K leb siella sp . (A Y3 6 3

26、 3 8 6 ) 1 -5 (E U 0 1 4 8 5 6 ) 1 -1 9 (E U 0 1 4 8 7 0 ) D ysg on om on a s w im p en n yi (A Y6 4 3 4 9 2 )99645855342399374599994148492099410.05(a ) (乳桿菌目)(腸桿菌目) (擬桿菌目)2008-9化工學院環境生物工程課件29生物化學工程：應用化學工程的原理和方法，研究解決 有生物體或生物活性物質參與的生產過程即生物反應過 程中的基礎理論及工程技術問題。它是生物化學，微生 物學，化學工程學的邊緣科學。生物化學工程學科體系3. 生物化學工程

27、生物化學工程生物化學工程發酵動力學酶動力學生物反應工 程傳遞過程生物分離工 程2008-9化工學院環境生物工程課件30F第三節環境生物工程的發展進程第三節環境生物工程的發展進程 1.環境生物工程的過去環境生物工程的過去（1）自然界的碳循環）自然界的碳循環2008-9化工學院環境生物工程課件31大氣大氣700109tctc植 物 光 合 作 用 吸 收植 物 光 合 作 用 吸 收（194109tctc）綠色植物本身呼吸綠色植物本身呼吸84109tctc 動物呼吸動物呼吸20109tctc人類呼吸人類呼吸0.6109tctc微生物呼吸微生物呼吸84.5109tctc火災火災5109tctc110

28、109tctc0.5109tctc腐腐殖質殖質碳酸鹽碳酸鹽1016tctc水溶解水溶解35000109tctc土壤土壤 700109tctc天然氣、石油、天然氣、石油、煤煤1013tctc結晶巖、火山結晶巖、火山巖巖1016tctc2008-9化工學院環境生物工程課件32F第三節環境生物工程的發展進程第三節環境生物工程的發展進程 （2）人工生物凈化的誕生）人工生物凈化的誕生 2008-9化工學院環境生物工程課件33（2）人工生物凈化的誕生）人工生物凈化的誕生u基于土壤凈化的人工凈化構筑物 生物膜法生物膜法是天然生物處理法中土壤自凈的人工化，是使 微生物群體附著于其他物體表面上呈膜狀，并與污水接

29、 觸而使污水得到凈化的方法固定生長法。 u基于水體凈化的人工凈化構筑物 活性污泥法是天然生物處理法中水體自凈的人工化，是 使微生物群體在反應器中呈懸浮狀，并與污水接觸得到 凈化的方法懸浮生長法。 活性污泥法生物氧化塘生物接觸氧化法 深井曝氣純氧曝氣生物氧化溝生物濾池生物轉盤2008-9化工學院環境生物工程課件342.環境生物工程的現在環境生物工程的現在隨著研究與應用的深入，廢水生化處理的方法、設備 和流程不斷發展與革新，與傳統方法相比，現代生物 處理方法在處理的污染物種類、濃度、負荷、規模 以 及處理效果、費用和穩定性等方面都得到了大大改善。現在的生物凈化方法追求：追求更高的單位容積生物量（k

30、g/m3）。追求更高的容積負荷（去除kg BOD5/m3d）。追求更高的氧效率及動力效率。2008-9化工學院環境生物工程課件35塔式生物濾池、組合式生物氧化塔（CBOT)生物流化床（VSAB）加壓接觸氧化法射流曝氣、微孔曝氣吸附-生化法（A-B法） 厭氧-好氧及缺氧-好氧法（A/O及A2/O法）氧化-水解法（H/O法）新型的處理方法主要包括：2.環境生物工程的現在環境生物工程的現在2008-9化工學院環境生物工程課件36(1)新型，優異的生物處理工藝及設備。n目前，國內外污水處理技術的發展已經越來越成熟，以上述 處理方法為代表的生物化學法處理污水已經廣泛為人們所接 受，并大量應用于污水處理工

31、藝中。但是，這些傳統的或者 改進的生物處理法都存在著許多自身難以克服的缺點，它們 很難從節能、省地、高效這三者實現高度的統一，它們都或 多或少地在某一方面失之偏頗。n對好氧生物處理來說，供氧問題是整個處理設施的關鍵，它 不僅直接關系到好氧處理效率的高低，同時也決定了整個處 理系統運行費用的高低。考察對氧利用率的設施，深井曝氣 法有其獨到的,高出其他設施的優點,它的氧轉移率在井深100 米的條件下達到90%，并且具有占地省、能耗低的優點，但 深井曝氣法又存在基建投資大，技術要求高，難度大，檢修 維護不方便等缺點，成為推廣該技術的巨大障礙。2008-9化工學院環境生物工程課件37u 即垂直折流多功

32、能生化反應器，本設備的設計構想是把深井曝氣 氧轉移率高的優點繼承下來，把它搬到地面作為一種地面設施， 以便于管理、檢修和維護；同時它又具有生物膜法的許多優點， 設計的生化反應器處理效率高，生物活性好，處理時間短，不需 污泥回流，且能承受水質水量的突變，占地面積省，設備流程簡 單，可以大大減少基建投資。u 總之，整套裝置以生物膜法帶動，成為一套固定膜式垂直折流多 功能生化反應裝置。該生化反應器分別獲得中國和英國專利；該 裝置由兩個以上的固定膜塔式生物反應器串聯組成，VTBR 好氧 裝置是其中一種應用最廣泛，特性最突出的工藝。（30）2008-9化工學院環境生物工程課件38u其生物學原理為：固定在生物載體上的微生物利用水中的溶解氧將水 中的有機物氧化分解，達到脫除污染物的目的。其動力學特征為：由 特定管線連接的VTBR反應器，將空氣依次導入各個反應器，使空氣 與液體的接觸時間延長，使氧氣傳遞效率提高，能耗下降，同時，壓 力的升高使水中氧的溶解度增大，處理污水的適應范圍向高濃度擴 展。在上述基礎上，提高了生物處理的容積負荷及設備效率，體現了 技術經濟的