环境生物处理技术课件

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1、环境生物技术 Environmental Biotechnology,田晋红,一、环境有关的概念：,1 气候 2. 大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈、生 物圈 3 生物圈：食物链能量金字塔 4 生物环境、化学环境、物理环境、人文环境 5 水环境、大气环境、土壤环境、气候环境,1. 环境Environment：,物理环境声、光、电、温度、湿度 化学环境 生物环境 水环境 土壤环境: 大气环境,2环境污染pollution,土壤污染： 水污染： 河流、湖塘、海洋、地表水、地下水 大气污染：工厂废气、汽车尾气、沙尘微粒、酸雨 点源污染 线源污染 面源污染 物理污染：光污染、声污染、热污染、塑料、玻璃 化

2、学污染: 化工产品、环境激素、 生物污染：有害动植物，赤潮,3污染物和废弃物,固体污染物（废弃物): 城市垃圾，农业废弃物、 废矿渣 液体污染物（废弃物): 气体污染物（废弃物): SO2、CO、N/O化合物、粉尘,5. 环境污染的治理与修复：,物理手段：过滤、沉淀、吸附、粉碎、燃烧、填埋、隔离、光降解 化学手段：分解、中和、聚合、结合、改性 生物手段：降解、转化、修饰、富集、替代、阻隔、修复,二、人类的环境与发展问题,1.自然灾害,自然灾害是人类依赖的自然界中所发生的异常现象，自然灾害对人类社会所造成的危害往往是触目惊心的。它们之中既有地震、火山爆发、泥石流、海啸、台风、洪水等突发性灾害；也

3、有地面沉降、土地沙漠化、干旱、海岸线变化等在较长时间中才能逐渐显现的渐变性灾害；还有臭氧层变化、水体污染、水土流失、酸雨等人类活动导致的环境灾害。这些自然灾害和环境破坏之间又有着复杂的相互联系。人类要从科学的意义上认识这些灾害的发生、发展以及尽可能减小它们所造成的危害，已是国际社会的一个共同主题。,1.1 地震,地震(earthquake)是大地的振动。它发源于地下某一点，该点称为震源(focus)。振动从震源传出，在地球中传播。地面上离震源最近的一点称为震中，它是接受振动最早的部位。大地振动是地震最直观、最普遍的表现。在海底或滨海地区发生的强烈地震，能引起巨大的波浪，称为海啸。地震是极其频繁

4、的，全球每年发生地震约500万次。,1.2 火山,火山爆发呈现了大自然疯狂的一面。一座爆发中的火山,可能会流出灼热的红色熔岩流,或是喷出大量的火山灰和火山气体。这样的自然浩劫可能造成成千上万人伤亡的惨剧,不过大多数火山爆发对生命和财产只造成轻微的伤害。 火山爆发是世界各地都可能发生的自然灾害,只是有些地区发生得比较频繁而已。,1.3 海啸,海啸是一种具有强大破坏力的海浪。这种波浪运动会引发狂涛骇浪，汹涌澎湃，它卷起的海涛，波高可达数十米。这种“水墙”内含极大的能量，冲上陆地后所向披靡，往往造成对生命和财产的严重摧残。智利大海啸形成的波涛，移动了上万公里仍不减雄风，足见它的巨大威力。,1.4 龙

5、卷风,龙卷风长期以来一直是个谜，正是因为这个理由，所以有必要去了解它。龙卷风的袭击突然而猛烈，产生的风是地面最强的。由于它的出现和分散都十分突然，所以很难对它进行有效的观测。,1.5 泥石流,泥石流是介于流水与滑坡之间的一种地质作用。典型的泥石流由悬浮着粗大固体碎屑物并富含粉砂及粘土的粘稠泥浆组成。在适当的地形条件下，大量的水体浸透山坡或沟床中的固体堆积物质，使其稳定性降低，饱含水分的固体堆积物质在自身重力作用下发生运动，就形成了泥石流。泥石流是一种灾害性的地质现象。泥石流经常突然爆发，来势凶猛，可携带巨大的石块，并以高速前进，具有强大的能量，因而破坏性极大。泥石流所到之处，一切尽被摧毁。,2

6、.生态破坏和环境污染,植被破坏导致的水土流失和沙漠化 湿地、荒地导致的生物多样性变化 围湖、围海造田 工业化导致的温室效应和气候变化 食物链的断裂和动植物种类的减少 化学污染物和难降解物质导致的生物和人类健康问题,三、我国环境保护的现状,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，也日益严重地影响着我国国民经济的可持续发展。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 ，目前环境状况十分严峻。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 。 我国是世界上环境污染最为严重的国家之一。,贵阳、重庆、北京、兰州等五个城市位于世界十大空气污染最严重的城市中之列，

7、全国600多个城市中、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。,1.空气污染,2.水污染,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。全国每年污水排放达360亿吨，仅10%的生活污水 和70%的工业废水得到处理，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。据统计，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，并呈进一步恶化的趋势，136条流经城市的河流中，属4类、5类和超过5类标准的高 达76.8

8、%；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，对人民健康造成严重危害。,3.城市污染,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。,4.生态环境,严重的生态破坏，加重了1998年的长江洪水灾难，给人民的生命财产及国民经济造成了严重损失。,5.土壤污染,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,当前我国社会经济仍然保持着高度发展的态

9、势，环境保护的压力将进一步加重，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。据中国社会科学院1998年度调查和估计，我国环境污染和生态破坏造成的经济损失每年超过2000亿 元人民币。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目前亟待解决的重要问题。,四、生物技术的概念：,“生物技术”一词首先由匈牙利的 Karl Ereky 与1917年提出。 生物技术（Biotechnology），国内外的许多学者曾对它下过多种大同小异的定义。简单地概括起来，不妨将生物技术理解为“利用生物有机体（从微生物直至高等动物、植物）

10、或其组成部分（包括器官、组织、细胞或细胞器等）发展新产品或新工艺的一种体系”。或定义为“操纵生物（微生物、植物、动物）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”。 一般认为，生物技术包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四个方面。,五、环境生物技术,南京大学的程树培教授在其1994年出版的国内第一本环境生物技术一书中提出，环境生物技术的定义可以由生物技术的定义延伸扩展而获得，即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

11、境生物技术。,五、环境生物技术,德国 K.N.Timmis博士对环境生物技术下的定义是，环境生物技术是应用生物圈的某些部分使环境得以控制，或治理预定要进人生物圈的污染物的生物技术，包括环境中污染物的生物减少（Bioelimination)、污染场地的生物恢复（Bioremediation）和生物可降解材料的开发和应用等。 还有一些学者给出了更简单和通俗的定义，他们认为环境生物技术就是应用于环境污染治理方面的生物技术。近10年来，环境生物技术发展极其迅速，目前已成为一种经济效益和环境效益俱佳的、解决复杂环境污染问题的最有效手段。,1.环境生物技术的研究内容,有学者从技术难度和理论深度的角度，提出

12、可分为三个部分或三个层次。 第一层次为现代环境生物技术，是指以基因工程为主导的现代污染防治生物技术如构建降解杀虫剂、除草剂、多环芳烃类化合物等污染物的高效基因工程菌，创造抗污染型转基因植物等。这一层次知识密集，为快速、有效地防治污染开辟了新途径，使解决日益出现的大量环境难题成为可能。,1.环境生物技术的研究内容,第二层次是指传统的生物处理技术，如活性污泥法、生物膜法，及其在新的理论和技术背景下产生出的强化处理技术和工艺，如生物流化床、生物强化工艺等。这是目前广泛使用的治理污染的生物技术，仍在不断强化和改进，已为控制现时的环境质量起到了极其重要的作用。,1.环境生物技术的研究内容,第三层次是指利

13、用天然处理系统进行废物处理的技术，如氧化塘、人工湿地和农业生态工程等，其特点是最大限度地发挥自然界的生物环境功能，投资运行费用少，易于操作管理。 应该指出的是环境生物技术中的三个层次没有重要与不重要之分。,1.环境生物技术的研究内容,国外学者认为生物技术中的三个部分属于环境生物技术范畴： 一是在环境中应用的生物技术。 二是涉及到环境中的某些可看作为一个 生物反应器部分的生物技术。 三是作用于一些必定要进入环境的材料的生物技术。,1.环境生物技术的研究内容,从国内外的研究可以发现，目前环境生物技术的主要研究内容包括四个方面： 降解污染物的工程菌和抗污染型转基因植物的相关研究。 环境友好材料生物合

14、成技术的相关研究。 危险性化合物的降解和污染场地的生物补救研究。 以及废物强化处理技术研究。 这些研究工作不仅最大限度地发挥自然界的生物环境功能，为控制现时的环境质量起到了极其重要的作用，而且使解决日益出现的大量环境难题成为可能。,在英国现代生物学公司出版的生物技术现代观点(Current Opinion in Biotechnology)杂志中，每年的第三期为环境生物技术专刊，其中的每篇文章均为环境生物技术某一专题的研究综述。统计1992至t997年该专刊上的所有文章并将内容分为四部分，即降解污染物的工程菌和抗污染型转基因植物的相关研究，无害化或无污染生物产品生产工艺的相关研究，危险性化合物

15、的降解和污染场地的生物修复研究，和废水强化处理技术研究，结果如表11所示。 此表可作为环境生物技术研究内容的一个说明。,从国内外的研究与应用现状可以发现，目前环境生物技术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污染事故的现场修复技术以及可降解材料的生物合成技术。为了更清楚地了解环境生物技术在这些领域的研究内容，这里以污染场地的生物恢复为例进行介绍。生物恢复是一种采用生物技术，对已被污染物污染或由于生态系统的管理不善而被破坏的区域进行恢复的救急方法。日前，生物恢复的优先研究内容包括五个方面：,(1)探讨在环境变化和新的生存压力下微生物系统在结构和动力学方面的反应； (2)

16、确定生化机理，包括参与污染物好氧，特别是厌氧降解的酶的作用途径；(3)深入了解微生物遗传学，以提高微生物降解污染物的能力；,(4）对新的生物补救技术进行微观和宏观系统的实践研究，从成本和效率角度确定技术的实际可行性，并建立长期区域性研究的基地；(5)不断开发、试验和评价一些创新的生物技术，如用于现场监测生物补救的传感器，生物补救中的生物过程模型以及生物补救效能的可靠评价方法。,环境生物技术的进展 可以从最近刚刚召开的国际专题学术讨论会加以分析2000年7月913日，在日本京都，国际环境生物技术学会和日本环境生物技术学会共同组织召开了第五届国际环境生物技术学术研讨会。来自美国、英国、德国、日本、韩国、加拿大、中国及台湾等20多个国家和地区的专家学者参加了会议。会议除9个专题讲座外，口头发表论文163篇，墙报论文226篇，具体各专题标题和论文情况见表12 ,研究者最感兴趣的课题是： 氯代有机化合物的生物降解 石油污染的生物补救 废水生物处理生物监测 其次有： 重金属去除 N和P的代谢和去除 生物可降