環(huán)境工程科學的發(fā)展與展望

1、環(huán)境工程科學的發(fā)展與展望,主講人：楊鳳林,一、環(huán)境工程科學的發(fā)展歷程,土壤污染,海洋污染,放射性污染,,環(huán)境污染,環(huán)境問題的表現(xiàn),生態(tài)破壞,大氣污染,（一）、化工與環(huán)境科學的關系,1.環(huán)境科學學科的重要內容一環(huán)境化學-研究污染物在環(huán)境中的遷移、轉化、歸趨和效應.無機化學-環(huán)境無機化學（重金屬（Hg、Pb、As、Cr、Cd、Zn、Cu、Ni），營養(yǎng)物質（NH3-N、NO3-N、NO2-N、PO4-）SO2、NOx、F、-CN、H2S、C

2、l2、CO2等；有機化學-環(huán)境有機化學（酚類、單環(huán)芳烴、多環(huán)芳烴類、有機氯代烴、多氯聯(lián)苯、二惡英、硝基化合物、氨基化合物、有機溴代化合物、有機氟化合物以及農藥、染料、表面活性劑、阻燃劑、醫(yī)藥及健康護理品等；分析化學-環(huán)境分析化學與環(huán)境監(jiān)測。,2.環(huán)境工程學科的重要內容-污染源控制、廢物治理以及環(huán)境修復工程。,1、分離工程-氣固分離（除塵）；液固分離（污水沉淀、過濾、氣浮、膜分離）；氣氣分離（SO2吸收、活性碳吸附等）；液液分離（萃取

3、、吸附、絮凝、膜分離）2、反應工程（化學吸收、催化分解、TiO2光催化、濕式催化氧化、焚燒等）；3、生物工程（污水生物處理、有機固體廢物發(fā)酵、有機廢氣生物濾池處理等）。,（二）化學化工與環(huán)境工程的區(qū)別,化工學科 環(huán)境學科 1.目的不同 新產品性能、生產效率 廢物產生及環(huán)境影響 經濟效益

4、 環(huán)境效益 2.研究特點范圍小，特定的反應器內 范圍大，大氣、水體、土壤 濃度高，kg或噸計 濃度低，PPM或PPT 反應條件，可控 環(huán)境條件多變，多介質、遷移性 3.分析儀器精度 %，g或mg PPM或PPT、ug、n

5、g 4.發(fā)展歷史 學科歷史悠久（200年）、基礎好 起步晚（40年），發(fā)展快、 系統(tǒng)嚴密、較完善 不成熟 ，待完善,,化學工業(yè)廢物排放量位于行業(yè)第一位,制藥、精細化工—更需開發(fā)綠色化學,（三）環(huán)境污染治理目標在發(fā)生變化,20世紀60-80年代前，環(huán)境工程是為了滿足末端污染物處理的法規(guī)和標準；20世紀80-20世紀末，環(huán)境工程關注產品從搖籃到墳墓整個生命周期的環(huán)境管理,清潔

6、生產、ISO14000；21世紀開始，環(huán)境工程關注環(huán)境的可持續(xù)性問題，即能源、資源的耗竭、稀缺、價格上漲；氣候變化對生態(tài)環(huán)境的影響；重金屬及POPs、EDCS 、 PPCPs(pharmaceuticals and personal care products )以及新發(fā)現(xiàn)的污染物對人類健康的影響。環(huán)境舊賬沒有解決，新的環(huán)境問題在發(fā)展。因此中國的環(huán)境任務既要繼續(xù)解決氣（SO2、NOx）、水（ COD 、 NH3-N）、重金屬、垃圾等

7、老污染問題，又要解決CO2、POPs新的污染問題，還要履行國際環(huán)境義務和責任。,社會對環(huán)境響應的四個發(fā)展階段,國際社會可持續(xù)發(fā)展思想的歷史沿革,二、環(huán)境污染控制模式（一）戰(zhàn)略模式,結構控制-產業(yè)結構調整、布局優(yōu)化、產業(yè)準入政策工程控制-源頭與過程控制-清潔生產、循環(huán)經濟；末（管）端控制-污染治理工程、環(huán)境修復工程管理控制-監(jiān)督監(jiān)測、法律法規(guī)、宣傳教育、政策制度、標準（環(huán)境質量標準、污染物排放標準、總量控制標準、排污許可證制度等）、

8、環(huán)境影響評價、污染事故風險應急預案,（二）環(huán)境污染控制科學模式 1、微觀（分子水平）-綠色化學 2、中觀-為環(huán)境而設計與清潔生產 3、宏觀-產業(yè)生態(tài)學與循環(huán)經濟目標：社會、經濟、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展,,（三）環(huán)境工程技術發(fā)展的不同階段,,,,,,,廢棄物處理Waste Disposal,污染控制Pollution Control,回收再利用Recycling,廢物減量化Waste Minimization,,污

9、染預防Pollution Prevention,清潔生產Cleaner Production,工業(yè)生態(tài)Industrial Ecology,,,,可持續(xù)發(fā)展Sustainable Development,發(fā)展時間 (Time and Work),范疇廣度 (Scope and Result),環(huán)境管理系統(tǒng)　(ISO 14000)Environmental Management System,（Green Chemist

10、ry）綠色化學：—環(huán)境無害化學 —環(huán)境友好化學 —清潔化學★ 從源頭消除污染的途徑★ 新設計化學合成方法和化工產品來根除污 染源,1、綠色化學,綠色化學的內容,原料綠色化反應綠色化產品綠色化溶劑綠色化催化劑綠色化,綠色化學的主要內容,無毒無害原料可再生資源,環(huán)境友好產品回歸自然廢物回收利用,無毒

11、無害催化劑,,,,,,,無毒無害溶劑,原子經濟反應,,研究“廢物零排放”的“原子經濟”反應是綠色化學的重點,Barry Trost教授：原子經濟性(Atom Economy)概念 A ＋ B C ＋ D A ＋ B C ％原子經濟性＝

12、 ?100%,,,產物,,廢物,,廢物為零,被利用原子的原子量之和,反應中所有反應物的分子式量,綠色化學的12條原則,1.預防（prevention)：防止廢物產生優(yōu)于廢物產生后再處理或清理2.原子經濟性（atom economy）：應設計合成方法使其能把反應過程中利用的所有材料盡可能多地轉化到最終產物中3.低毒化學合成（low ha

13、zardous chemical synthesis）：只要可行，應設計合成方法使其利用和產生的物質對人類健康和環(huán)境無毒性或很低毒性。4. 設計安全化學品(designing safer chemicals):應設計化工產品使其保留功效，但降低毒性,5.安全的溶劑和助劑（ater solvents and auxiliaries）：應盡可能避免使用輔助物質（如溶劑、分離劑），如用時應是無毒的6.能量效率設計(design for e

14、nergy efficiency):應考慮到能源消耗對環(huán)境和經濟的影響，并應盡量少地使用能源。如有可能合成應在常溫和常壓下進行7.使用可再生原料(use renewable feedstocks):只要技術和經濟上可行，原料應是可再生的，而不是將耗竭的8.減少衍生物(reduce derivatives):應盡可能避免不必要的衍生化（阻斷基團，保護／脫保護，物理和化學過程的暫時修飾）因為這些步驟需要添加試劑并可能產生廢物,綠色化學1

15、2條原則,9.催化(catalysis):催化試劑（有盡可能好的選擇性）優(yōu)于化學計量試劑10.降解設計(design for degradation):應設計化工產品使其在完成使命后不在環(huán)境中久留，并降解為無毒的物質11.防止污染的快速分析(real-time analysis for pollution prevention):分析方法須進一步發(fā)展，以能夠進行即時的和在線的跟蹤及控制有害物質的生成12.本身安全、能防止意外事故的

16、化學(inherently safer chemistry for accident prevention):在化學轉換過程中，所用的物質和物質的形態(tài)應盡可能地降低發(fā)生化學事故的可能性，包括：泄漏、爆炸、和火災,綠色化學12條原則,2、為環(huán)境而設計 (Design for Environment;DfE),系統(tǒng)化地考量在產品及制作過程的整個生命周期中環(huán)境、健康與安全目標的設計績效。 又稱：生態(tài)設計、綠色設計，面向

17、環(huán)境的設 計或生命周期設計，被認為是實施清潔生產新 的臺階,,為環(huán)境設計的基本思想 產品設計的基本思想在于從產品的孕育階段開始即遵循污染預防的原則，把改善產品的環(huán)境影響的努力凝固在產品設計之中。 經過生態(tài)設計的產品對生態(tài)環(huán)境的影響限制在閾值范圍內，在持續(xù)使用中是安全的，對能源和自然資源的利用是有效的，并且是可以再循環(huán)、再生或易于安全處置的。,環(huán)境化設

18、計的基本條件,環(huán)境化設計,社會效益及目標,污染預防,回收再利用,基本準則基線指標（生命周期分析LCA）改善方針及技術工具,,,,環(huán)境化設計的定性準則,1.為回收再利用設計2.為易拆解性設計3.為減廢設計4.為節(jié)能設計5.為省資源設計6.為降低長期風險設計7.為避免意外設計,DfE定性準則—為回收再利用設計,(1)為材料回收設計避免使用復合材料標示可回收材料使用可回收之包裝(2)為元件回收設計使用可再利用容器為

19、易整修設計為可再制造設計,DfE定性準則—為易拆解性設計,(1)增進元件運作的方便性拆解程序的最佳化增加拆解及元件取出的方便性避免嵌入式元件(2)簡化元件的界面避免使用彈簧、滑輪、硬化處理避免黏合及焊接避免螺絲固定(3)簡化性設計減少產品復雜性減少零件數(shù)設計多功能零件使用共通性零件,DfE定性準則—為減廢設計,(1)源頭減廢降低產品尺寸 ??規(guī)范輕質材料設計薄層包覆 ??增加液體濃度降

20、低元件重量 ??減少包裝重量使用電子文件(2)為分離而設計加強材料濫編編號盡量使用少種類材料使用相同或相容材料(3)避免材料污染(4)考量回收、再利用及處理的方便性及設計,DfE定性準則—為節(jié)能設計,(1)減省生產過程的能源使用(2)降低設備的能源需求(3)降低配售過程中的能源 短運送距離及避免緊急送貨 降低運送體積/重量(4)使用再生資源,DfE定性準則—為節(jié)省資源設計,(1)設計多功能產

21、品(2)使用回收及可再生材料(3)使用再制元件(4)設計長效/使用產品增長功能有效期設計可提升功能元件設計可重復使用基座設計可修護的方便性設計耐用產品,(5)設計可閉環(huán)式回收(6)設計可回收包裝(7)設計可重復使用容器(8)發(fā)展租借方案,DfE定性準則—為降低長期風險設計,(1)減少制程排放物(2)避免有毒及具危害性物質(3)避免長期累積于環(huán)境的化學物質(4)使用水性（非溶劑型）技術(5)增加產品生物可分解

22、性(6)增加產品易處理/處置性,DfE定性準則—為避免意外設計,(1)避免使用腐蝕性及易燃性材料(2)提供釋壓功能(3)減少滲透可能(4)使用避免孩童打開的蓋子(5)避免顧客錯誤使用的設計,3、清潔生產聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署對清潔生產的定義是： “清潔生產是將綜合性、預防性的環(huán)境戰(zhàn)略持續(xù)地應用于生產過程、產品和服務中，以提高效率和降低對人類和環(huán)境的危害。 對生產過程來講，清潔生產指節(jié)約能源和原材料，淘汰有

23、害原材料，減少污染物和廢物的排放和它們的有害性。 對產品來說，清潔生產指降低產品整個產品生命周期（包括從原材料的生產到生命終結的處置）對環(huán)境的有害影響。 對服務來說，清潔生產指將預防性的戰(zhàn)略結合到服務的設計和提供活動中?！?清潔生產技術執(zhí)行步驟,六、進行成本/效益評估和提出行動方案,清潔生產的延伸 從最初著眼于生產過程，逐步延伸到對產品的關注，這意味著清潔生產從生產領域擴展到了消費領域，關注產品能贏得更好的

24、經濟效益； 從對產品生產的關注，進一步轉向對產品服務的關注，亦即清潔生產已經擴展到產品的流通、使用消費、報廢直至進入環(huán)境的行為，即從搖籃到墳墓的整個生命周期過程。,工業(yè)生態(tài)學又譯產業(yè)生態(tài)學，它的基本思想是將工業(yè)系統(tǒng)乃至整個經濟系統(tǒng)作為特殊的生態(tài)系統(tǒng)看待，將其納入到生物圈之中。在生物圈中，圍繞著各個物種在不同的環(huán)境中的代謝活動，物質流、能量流和信息流都有其恰到好處的構造和運作方式。,4、工業(yè)生態(tài)學,,工業(yè)生態(tài)學利用自然生態(tài)系統(tǒng)中

25、物質循環(huán)和能量流動的原理，構建生態(tài)工業(yè)鏈，將一個企業(yè)的廢物作為另一個企業(yè)的原料，形成一個物質循環(huán)閉合鏈，實現(xiàn)資源利用最大化和廢物最小化 工業(yè)生態(tài)學主張企業(yè)、團體、公眾等全社會共同努力減少污染，保護環(huán)境。不限于一個企業(yè)，多個企業(yè)互為共生，一個企業(yè)的廢棄物可以是另一個企業(yè)的原料。,工業(yè)生態(tài)園,1) 生態(tài)工業(yè)園是一個市場共同體，其中各部分相互合作，并有效地分享資源(信息、原料、水、能源、基礎設施和自然環(huán)

26、境等)，從而導致經濟增長和環(huán)境質量的改善，使市場和區(qū)域共同發(fā)展所需資源合理配置。2) 生態(tài)工業(yè)園是一個計劃好的原材料和能源交換體系，他尋求能源、原材料的使用以及廢物的最小化，并建立可持續(xù)的經濟、生態(tài)和社會關系。3) 生態(tài)工業(yè)園是建立在一塊地域上的由制造企業(yè)和行政企業(yè)形成的社區(qū)。,工業(yè)生態(tài)學Industrial ecologyIE 核心概念,生態(tài)工業(yè)區(qū)EIP,產業(yè)共生IS,副產品交換BPX,生態(tài)網絡EIN,產業(yè)代謝I

27、M,其他方法,永續(xù)發(fā)展,生態(tài)城鄉(xiāng)Eco-Town,生態(tài)工業(yè)園區(qū)鏈(石化),石化煉油,廢氣,發(fā)電廠,石膏,建材公司,熱,供熱,養(yǎng)殖,煤灰,,,,,,,,水泥公司,,,,,,太陽能,汽電共生,,,,,天然氣甲醇汽油裂解,燃料電池,,,CO2,地下儲槽,油井加壓,消防,超臨界流,,,,,,有價金屬利用,,有機溶劑回收,半導體汽車橡膠,,生態(tài)工業(yè)鏈(冶金),生態(tài)工業(yè)園區(qū)鏈(農業(yè)),生態(tài)化社區(qū),太陽能,,居民,中水回收,,綠建筑,,生活污水

28、,廢余樹枝,,,,,處理后澆灌,堆肥后農作施肥,,,廢棄物燃料,高透水率,,5、循環(huán)經濟,循環(huán)經濟本質上是一種生態(tài)經濟，它要求運用生態(tài)學規(guī)律來指導人類社會的經濟活動。它以“減量化、再利用、再循環(huán)”(3R原則)為社會經濟活動的行為準則，運用生態(tài)學規(guī)律把經濟活動組織成一個“資源→產品→再生資源”的反饋式流程，實現(xiàn)“低開采、高利用、低排放”，以最大限度利用進入系統(tǒng)的物質和能量，提高資源利用率，最大限度地減少污染物排放，提升經濟運行質量和效益。

29、,循環(huán)經濟與直線經濟的比較,傳統(tǒng)經濟資源 -> 產品 -> 污染排放高開采、低利用、多排放,合理和持久地利用物質和能量，基本上不產生或者只產生很少的廢物。,循環(huán)經濟資源 -> 產品 -> 再生資源低開采、高利用、少排放,,按照自然生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)律組織經濟活動,循環(huán)經濟的三個原則,減量化Reduce,再循環(huán)Recycle,再利用Reuse,輸入端,過程中,輸出端,減少進入生產和消費過程的物質量,從源頭

30、節(jié)約資源使用和減少污染物的排放。,提高產品和服務的利用效率,要求產品或包裝以初始形式多次使用,減少一次污染。,要求物品完成使用的功能后重新變成再生資源。,,,,,,,,,全過程都必須做到無毒化、無害化,三、環(huán)境工程治理新思維,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Potable

31、 Water,Wastewater,Transfer to treatment,Membrane Bio Reactor,UV/Ozone Disinfection,Reuse Water Reservoir,MembraneBackwash,To Irrigation,Distributed Water Reuse System Schematic,,Aerobic,Membrane Filters,Flush Water,Coo

32、ling Tower,,Anoxic,,,,,,,,,,,,,Transfer to treatment,Stormwater Feed Tank,Wastewater Feed Tank,,,,,,,,Laundry Water,Cooling Water,,,,,,Cooling,,Wastewater,Reuse Water,,,,Stormwater overflowHighly variable,1a,1b,3,4,5,1,

33、Wastewater and stormwater collected,2,Screening,Biological treatment,Final polishing and disinfection,Storage for nonpotable reuse,5,4,3,,Discharge Sewers,,,Discharge Sewers,,,,,,,,2,,,新加坡再生水廠（NeWater Plant）,,,,,,污水源熱泵系統(tǒng)

34、原理,系統(tǒng)原理,優(yōu)點:1.機組運行穩(wěn)定：水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動，是很好的熱泵熱源和空調冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經濟性2.高效節(jié)能：冬季：污水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高；夏季：水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式，機組效率提高3.環(huán)保效益顯

35、著：將城市廢熱作為冷熱源供熱時：省去了燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統(tǒng)供冷時：冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染,,,,四、環(huán)境領域核心新技術,原則-低碳廢物處理技術◆最小的資源能源消耗；◆最大限度的資源能源回收；◆最低的溫室氣體（CO2、CH4 、N2O）排放；◆最省的土地占用；◆最小的環(huán)境影響。,1、廢氣處理技術,二氧化碳等溫室氣體減排技術二氧化碳回收與封存技術鍋爐燃煤脫硫脫硝技術汽車尾氣排放控制技術惡臭廢氣處

36、理凈化技術揮發(fā)性有機化合物（VOCs）處理技術有毒有害廢氣處理（二惡英、稠環(huán)芳烴等）技術重金屬粉塵(汞、鉛等）處理技術,2、廢水處理技術,化學技術絮凝劑（超高分子絮凝劑、生物質絮凝劑、微生物絮凝劑）；高級氧化技術（原位電Fenton氧化、光催化、超聲波與微波催化、低壓濕式催化氧化等）；生物技術厭氧消化產甲烷生物制氫生物回收硫磺技術生物制乙醇生物柴油技術（藻類、污泥、生物質、廢油脂等）短程硝化/反硝化厭氧氨氧化

37、好氧顆粒污泥生物電系統(tǒng)（MFC、 MEC),核心生物技術,以高效厭氧為核心的發(fā)酵技術（甲烷發(fā)酵、生物制氫、生物制乙醇、提出蛋白質等）；先進生物工程技術（有效工程菌和基因工程菌，短程硝化-反硝化，同時硝化-反硝化，厭氧氨氧化（Anammox），（SHRON-Anammox）工藝，反硝化氨氧化（DEAMOX），好氧顆粒污泥等）。膜分離-生物法耦合技術（膜生物反應器（MBR），萃取膜生物反應器（EMBR），無泡曝氣膜生物反應器（MABR

38、），MBR-RO。,高級氧化技術（AOP）：TiO2光催化，電催化，F(xiàn)enton試劑法（H2O2/Fe），濕式催化氧化，超臨界水氧化，紫外線滅菌等。絮凝劑：無機高分子絮凝劑，生物質絮凝劑，微生物絮凝劑。低壓、抗污染膜膜技術（微濾（MF），超濾（UF），納濾（NF），反滲透（RO）。絮凝過濾:纖維束過濾、圓盤過濾機、微濾/超濾,核心化學技術,3 、 Membrane technology,膜分離技術MBR高通量、親水性、抗菌性抗污

39、染分離膜（MF、UF）材料；納濾（NF）、反滲透（RO）低壓、高通量、抗污染、耐氯性膜材料；正滲透（FO）膜材料及汲取液和工藝納米碳膜及無機膜材料,4、環(huán)境材料,碳納米材料（碳納米管、泡沫碳、石墨烯等）光催化新材料催化材料電極材料吸附材料膜分離材料生物膜載體材料高吸油材料（溢油修復、含油污水處理）,5、固體廢物資源化與處理處置,遵循三原則：減量化、資源化、無害化一般工業(yè)固體廢物（建筑材料）危險廢物（回收、焚燒、安

40、全處置）生活垃圾(衛(wèi)生填埋、焚燒發(fā)電、堆肥及厭氧發(fā)酵制沼氣或綜合運用)農業(yè)廢物和禽畜養(yǎng)殖廢物（厭氧發(fā)酵-沼氣、好氧堆肥、干餾和裂解制燃料氣）,5、固體廢物資源化與處理處置,生物發(fā)酵技術（CH4、H2、乙醇、醋酸、PHB、柴油等）焚燒發(fā)電技術熱解回收能量與資源技術機械化學分解POPs技術電子線路板（PCB）回收稀有金屬技術水泥窯協(xié)同處理技術電站鍋爐協(xié)同處理技術,6、新工藝、新技術●以分散處理為主，集中處理為輔；企業(yè)、園

41、區(qū)（社區(qū)）、城市（流域）三級控制；● 回收能源、水資源和有價值的產品；● 厭氧生物處理為主，好氧生物處理為輔的工藝● 生物和物化處理與膜分離技術結合（MBR)；● 環(huán)境工程與生態(tài)工程技術結合；● 采用新技術、新工藝、新材料；● 工藝過程自動控制與在線監(jiān)測；,7、環(huán)境監(jiān)測和分析技術,（1）化學與儀器分析技術Inductively coupled plasma (ICP)Gas chromatography (GC)Mas

42、s spectrometry (MS)High performance liquid chromatography (HPLC)Laser ablation – (ICP – MS)Electrospray (ES – MS),（2）現(xiàn)代生物分析技術,Oligonucleotide probesFluorescence in-situ hydration (FISH)Polymerase chair reaction (PCR

43、)Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE)Transmission electron microscopic (TEM)Scanning electron microscopic (SEM) (cryogenic option, X-ray option)Atomic force microscopy（AFM）,五、展望,（1）廢物處理由單項技術向系統(tǒng)集成技術轉變；處理目標由