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　　资源循环科学与工程概论资源循环科学与工程概论资源循环科学与工程概论资源循环科学与工程概论资源循环科学的理论基础第一节减量化与多重利用原理第二节基于产业循环的资源利用原理第三节资源循环利用经济学原理第四节资源循环科学的生态学基础第一节资源循环科学的理论基础一、资源循环科学的生态学基础一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立生物环境生物环境非生物环境是指生物物种之间和物种内部各个体之间的关系包括土壤、岩石、水、沉积物、空气、温度和湿度等自然环境要素，也是资源的物质基础和基本组成。生态学：研究生物与其环境之间的相互关系的学科ecology德国生物学家ErnstHaeckel，1866年一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立生态系统(ecosystem)的重要概念——英国植物生态学家ArthurTansley，1935年。Odum(奧德姆)在《生态学基础》一书中指出生态系统的3个基本成分：群落、能量流动和物质循环。能量可以储存，但不能重复利用；而包括生命必须营养（如碳，氮、磷）和水在内的物质是可以反复循环利用的。一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立物质输入；生物输入系统（定界）输入环境输出环境能量和物质过程；生物迁出其他能量太阳图2-1生态系统物质流动模型（据Patten,1978）一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立生态系统的物质循环一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立生态系统的物质循环与能量循环的关系一、资源循环科学的生态学基础1.生态学基本概念与生态学的建立美国生态学家R.Lindeman在对Mondota湖——生态金字塔能量转换（十分之一定律）。由此，生态学成为一门具有自己的研究对象、任务和方法的比较完整和独立的学科。生物量从绿色植物向食草动物、食肉动物等按食物链的顺序在不同营养级上转移时，有稳定的数量级比例关系，通常后一级生物量只等于或者小于前一级生物量的1/10。而其余9/10由于呼吸，排泄，消费者采食时的选择性等被消耗掉。2.生态学学科发展早期发展：国内、国外17-19世纪学科形成：1859年达尔文的《物种起源》发表，促进了生物与环境关系的研究。20世纪发展：生态学成为受到高度重视的一门科学。20世纪50年代以来：人们发现解决问题都要从生态学的角度，考虑与其他学科相互渗透交叉，综合社会生活内容，才能取得效果。物竞天择，适者生存一、资源循环科学的生态学基础学《尔雅》可博物不惑，识鸟兽草木虫鱼之名一、资源循环科学的生态学基础3.生态学原理1环境2生态因子3种群4群落5生态系统生态学原理一、资源循环科学的生态学基础3.生态学原理环境：环境是指某一特定生物体或生物群体以外的空间，以及直接或间接影响该生物体或生物群体生存的一切要素的总和。生态因子：(ecologicalfactors)是指环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的环境因素，例如，温度、湿度、食物、氧气、二氧化碳和其他相关生物等。种群：（population）是在同一时期内占有一定空间的同种生物个体的集合。该定义表示种群是由同种个体组成的，占有一定的领域，是同种个体通过种内关系组成的一个统一体或系统。群落：生物群落（community）是指在特定时间、空间和生境下，具有一定生物种类组成、外貌结构（包括形态结构和营养结构），各种生物之间、生物和生境之间彼此互影响、相互作用，并具有特定功能的生物集合体。生态系统：（ecosystem）是指在一定空间范围内，由生物及其所生存的环境所构成的、包含能量流动与物质循环过程，具有相互作用、相互依存的动态复合体系。一、资源循环科学的生态学基础3.生态学原理生产者（绿色植物）消费者分解者（细菌、真菌）（动物）生态系统物质循环环境一、资源循环科学的生态学基础4.资源循环科学的生态学基础物质在植物（生产者）—动物（消费者）—微生物（分解者）之间循环往复地被利用——资源循环的基本过程和实质。生态系统的生物部分与非生物部分相互依存，生物作为一个耗散系统必须与外界进行能量、物质和信息交驱动这一物质循环的推动力——太阳光，地球生态系统持续发展，其中最重要的是物质循环利用原则。二、资源循环科学的化学化工基础与资源循环相关的化学化工原理绿色化学绿色化学的基本原则是从源头消除污染，重新设计化学合成工艺及产品制造方法，根除污染来源。资源替代利用可再生资源或可更新资源逐步替代传统资源，推进资源循环利用。绿色化工从源头上阻止环境污染的化工技术，基础是绿色化学。传统对“三废”的处理一般末端处理，绿色化工与传统化工最主要的区别是从源头上阻止环境污染。使用无毒无害原料及可再生资源。原子经济性反应和高选择反应。采用无毒无害催化剂。采用无毒无害溶剂。生产环境无害的绿色化学产品。资源循环相关的化学化工基础1.与资源循环科学相关的地学发展地学，或地球科学，是自然科学的六大分支之一，广义的地学理论囊括了地表地球科学（地理学、土壤学和水利学等）、固体地球科学（地质学、地球物理、地球化学等）、大气科学和海洋科学。三、资源循环科学的地学基础岩浆岩变质岩风化物沉积岩环境生产者分解者消费者地质大循环生物小循环地质大循环与生物小循环示意图（据侯耀喜等，1987）三、资源循环科学的地学基础2.地质大循环与生物小循环3.地球化学循环与生物地球化学循环地球的组成元素不是静止不变的，而是处于一定理化和地质特征的周期性变化过程中，通常称之为地球化学循环地球化学循环。生物地球化学循环生物地球化学循环以生物为主要成分的生态系统的物质循环是指各种有机物质经过分解者分解生成可被生产者利用的物质形式，归还到环境中再被重复利用过程。三、资源循环科学的地学基础狭义：目前技术条件下，可为人们利用的那一部分淡水，包括河水、淡水湖泊水和浅层地下水。三、资源循环科学的地学基础三、资源循环科学的地学基础水资源循环三、资源循环科学的地学基础（1）自然水循环：水文循环可以分为大循环和小循环两种基本形式。水文大循环就是水在陆地、海洋、大气中的相互转化.小循环就是上述三种介质中任意两种之间的水相互移动，如陆地中的水，通过植物蒸腾的形式进入大气，然后又回到陆地的过程。水资源循环三、资源循环科学的地学基础碳的主要循环形式是从大气的二氧化碳蓄库开始，经过生产者的光合作用，把碳固定，生成糖类，然后经过消费者和分解者，在呼吸和残体腐败分解后，再回到大气蓄除了大气，碳的另一个储存库是海洋，它的碳含量是大气的50倍，更重要的是海洋对于调节大气中的碳含量起着重要的作用。5.碳循环三、资源循环科学的地学基础COCO22大气蓄库大气蓄库主要通过海洋生态系统主要通过海洋生态系统 碳酸盐岩石 碳酸盐岩石 火山活动 火山活动 风蚀 风蚀 化石燃料 化石燃料 呼吸作用 呼吸作用 死的有机物 死的有机物 燃烧 燃烧 动物 动物 植物 植物 光合作用 光合作用 燃烧 燃烧 6.氮循环生命结构的原料。大气化学成分中氮的含量非常丰富，有78%为 氮，然而氮是一种惰性体，植物不能够直接利用。 固氮作用 土壤氮利用 含氮有机物分解 三、资源循环科学的地学基础 理论基础 第二节减量化与多重利用原理实例分析 减量化原则要求资源消耗减量，可以直接保护资源。 减量化原则要求废物排放减量，可以直接收到环境效益、保护资源。 减量化原则要求废物资源化多重利用赛酷体育。一、理论基础 Reuse Reduce Recycle 一、理论基础 1015 20 25 30 2003年 2004年 2005年 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 工业固体废物产生量(亿吨 工业固体废物综合利用量(亿吨 我国工业固体废物综合利用情况(基于国家统计数据库)二、3R原则 减量化原则——少用原料和能源。再利用原则——包装容器等能够以初始的形式被 反复使用。 再循环原则——完成使用功能的物品能重新变成 可以利用的资源。 输入控制 过程控制 输出控制 经济效益 经济效益 环境效益 环境效益 生态效益 生态效益 社会效益 社会效益 图2-6 “3R”原则与资源利用 二、3R原则 通过“3R”原则的实施实现资源利用最大化，也就是使可更新和不可更新资源开发 利用无限接近100%再循环，通过工艺和产品设计使资源保持永续利用的潜力。 二、3R原则 减量化原则实例——化肥化肥利用率 低，不仅带来严重 的经济损失，更带 来严重的环境问题 化肥污染的特点是量大、面广 、潜伏性强。 二、3R原则 水体含氮量过高会导致富营养化，水生生物大量死亡。60/130大中型湖泊—富营养化，水体氮磷含量严重超标。 地下水硝酸盐含量严重超标。京津唐地区14个县市的69个点的地下水、饮用水硝酸盐含量高于 50mg/L的超过50%，有的达300mg/L，远高于我国类水质指标 (20mg/L)。 在蔬菜生产发达地区，地下水中硝态氮含量高达61.6～120.4 mg/L。而WHO饮用水质标准中硝态氮的最高允许浓度为10 mg/L。 我国一些大城市的蔬菜硝酸盐和亚硝酸盐含量偏高，有的高达 3000～4000 mg/kg。 饮用水中硝酸盐过量会导致高铁血红蛋白症，诱发癌症。二、3R原则 减量化原则实例——化肥（灵巧化学品合成）大颗粒尿素 mm)长效缓释包膜大颗粒尿素 mm)包膜缓释和控释化肥——包膜缓释尿素 Film Coating No.X502025，高效控释尿素包覆技术应用基础研究。中石化股份有限公司基础研究项目，2002.09～2005.09 减量化原则实例——化肥（灵巧化学品合成）磷酸二胺尿基复合肥 mm)可根据市场需要和现 场条件，对一种肥料颗粒 表面包覆其它营养成分， 形成多元包覆的复合肥， 在NPK复合肥表面包覆尿素。 包膜缓释和控释化肥——多元包覆复合肥 绿色反应条件奖：Dow AgroSciences 化学一直是现代农业的重要组成部分，如今的农场比 以往任何时候更依赖于化肥和农药。为了降低对环境的 污染以及非目标生物的毒性，农用化学品现在被设计的 更具选择性，从而降低使用量和使用频率。 陶氏农业科学（Dow AgroSciences）的Instinct就 是一个很好的例子，这种新技术可以大幅提高农田氮肥 的使用效率。 化学一直是现代农业的重要组成部分，如今的农场比 以往任何时候更依赖于化肥和农药。为了降低对环境的 污染以及非目标生物的毒性，农用化学品现在被设计的 更具选择性，从而降低使用量和使用频率。 陶氏农业科学（Dow AgroSciences）的Instinct就 是一个很好的例子，这种新技术可以大幅提高农田氮肥 的使用效率。 绿色反应条件奖：Dow AgroSciences 在土壤中，铵阳离子倾向于留在植物的根部区域，而硝酸盐阴离子更倾 向于移动，渗入地下水，从而迚入河流和湖泊。通过在聚脲微胶囊中封装 氨单加氧酶抑制剂nitrapyrin（2-chloro-6-(trichloromethyl)pyridine） ，并将其不化肥或粪肥一起施用，Instinct可以防止土壤中的微生物将肥料 中的铵转换成更容易流失的硝酸盐，同时也减少由农业活动导温室气体氧 化亚氮的排放。 在土壤中，铵阳离子倾向于留在植物的根部区域，而硝酸盐阴离子更倾 向于移动，渗入地下水，从而迚入河流和湖泊。通过在聚脲微胶囊中封装 氨单加氧酶抑制剂nitrapyrin（2-chloro-6-(trichloromethyl)pyridine）

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