我国核技术在农业上的应用及前景_核技术应用前景
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我国核技术在农业上的应用及前景
摘要:总结了我国近50年来核农学所取得的成就及其与发达国家的差距, 提出了重点发展领域。
关键词:核技术;农业;应用;发展
核技术在农业上的应用简称为核农学。我国核 农学的研究与应用开始于1956年, 现已在航天育
种、同位素示踪、农产品贮藏保鲜、害虫防治、低剂量 辐射刺激生长等方面均取得显著成绩, 创造了巨大 的经济、社会和生态效益。40 多年来, 培养和造就 了一批核农学人才和科技队伍, 我国核农学的卓越 成就得到了国际原子能机构和专家的高度赞誉, 1999年我国被国际原子能机构确认为亚太地区核 农学的牵头国。我国核技术在农业上的应用 1.1 作物辐射诱变育种
我国辐射诱变育种研究工作虽比国外晚约30 收稿日期:2004-10-15
基金项目:江苏省科协软科学课题(编号:R04207)。
作者简介:刘春泉(1959—), 男, 江苏如东人, 研究员, 主要从事农副 产品辐照加工标准化体系和产业化研究。Tel:(025)84390431;E-mail:lcq@jaas.ac.cn。
年, 但发展较快。到2001年底, 我国累计育成作物 新品种625个, 占全世界辐射诱变育成作物新品种 总数的27.2%, 总推广面积在330万hm2 以上。据 不完全统计, 辐射诱变育成的新品种每年为国家增 加粮食35亿kg、棉花1.5亿～ 1.8亿kg、油料0.75 亿kg, 创经济效益38 亿元左右。浙江农业大学育 成的水稻新品种浙辐802连续9年居全国常规稻推 广面积之首, 累计种植面积达140万hm2 , 创社会经 济效益22亿元;中国农业科学院原子能利用研究所 育成的多抗高产小麦品种原冬3号, 1986 ～ 1993年 累计推广面积100万hm2 , 增产小麦4.5亿kg, 创社 会经济效益5.4亿元。该所“九五”期间育成的中 原单32号粮饲兼用玉米于1997 和1998年分别通 过河北省和国家农作物品种审定、国家牧草品种审 定。1987年我国开展航天育种研究, 至2003 年共
育成水稻、小麦、棉花、大豆、蔬菜、莲等作物新品种 20多个, 示范推广面积超过30万hm2 , 居世界先进 水平。
1.2 农副产品辐照加工
我国农副产品与食品辐照加工研究始于1958
年, 经过40多年的发展, 在理论研究、工艺方法、装 置设施及产业化进程等方面均取得了较大的成就。到目前为止已批准辐照食品6大类国家卫生标准和 17种国家工艺标准, 并于2002年建成“农业部辐照 产品质量监督检验测试中心”。目前我国农用辐照 装置已超过70座, 分布于全国28个省、市、自治区 的40多个城市, 有100多个单位分别对200多种农 副产品进行了辐照保鲜、杀虫灭菌、改善品质等方面 的研究。“九五”期间, 全国农副产品辐照加工35 万t以上, 产值达60亿～ 65亿元, 并向集团化、商业 化方向发展。
1.3 同位素示踪技术
据近10年的不完全统计, 我国应用同位素示踪
法, 以水田、旱地、草场和林果地为研究对象, 阐明化 肥中营养元素被作物吸收利用造成的损失、农药损 失及其在土壤中的残留、新的施肥技术等方面的研 究成果, 为国家增产粮食19亿kg, 创社会经济效益 28亿元。1996年以来, 利用示踪技术研究出“保氮 复合碳铵”新工艺, 可提高氮肥利用率6% ～ 10%。应用15 N研究水稻基肥和穗肥施用技术, 累计推广 面积67万hm2 , 创社会经济效益4 000万元。同位 素示踪技术在农业生态环境、动物生产和健康等方 面都取得了显著的成就, 获国家级奖10多项。1.4 低剂量辐射刺激生长
20世纪60年代初, 我国利用低剂量辐射处理
作物种子, 促进其生长和发育, 提高产量, 该技术对 豆类作物和蔬菜增产效果尤为明显。利用快中子辐 照柞蚕卵可使蚕茧产量提高10% ～ 20%, 该项技术 已在山东、河南、辽宁等10多个省推广, 取得了显著 的经济效益。利用低剂量快中子辐照对虾的卵和虾 苗, 可使卵的孵化率提高6.9% ～ 18.4%, 虾苗成活 率提高10% ～ 30%, 虾生长健壮, 抗病能力强, 产量 一般可提高15% ～ 20%, 该技术已被国家科委列为 星火重点推广成果, 在沿海地区推广, 取得直接经济 效益1 000多万元。1.5 辐射不育防治昆虫
昆虫辐射不育技术是生物防治害虫的重要组成 部分, 也是现代生物防治方法中唯一有可能灭绝害 虫的有效手段。我国自20世纪60年代以来, 先后 对玉米螟、蚕咀蝇、小菜蛾、柑桔大实蝇、棉铃虫等 10多种害虫进行辐射不育实验室研究, 并对一些害 虫做了释放实验。中国农业科学院原子能利用研究 所成功实现柑桔大实蝇人工饲养, 并于1993年开始 在贵州惠水县118 hm2、计10万多株柑桔树的柑桔 园内, 连续释放160多万头不育虫蝇, 将柑桔大实蝇 危害率由释放前的5.19%降低到0.098%, 防效十 分显著。柑桔年产量释放前平均为23.7万kg, 释 放后当年为50.3万kg, 1994年为44.3万kg。2 我国核农学与国外发展水平的比较
我国核农学发展较快, 并在上述几方面取得了 显著的成就, 辐射诱变育成的新品种(品系)在数量 上占世界总和的1 /4以上, 在种植面积和增产方面 也是世界领先的。原国际原子能机构(IAEA)副总 干事来华参观后说:“中国核农学在诱变育种和同 位素示踪所取得的成绩是世界领先的。”原FAO/ IAEA食品辐照与环境保护科负责人LoaharanuP先 生来华访问时说:“中国是核大国, 又是核农大国, 也是食品辐照保鲜技术的应用大国。”我国民用非 动力核技术在农业上的推广应用取得了明显的社会 经济效益。
然而就总体水平比较, 我国和发达国家相比还 有相当大的差距。虽然取得的成果较多, 但只有少 量进入了中间试验, 形成产业化规模的很少。以食 品辐照为例, 我国农用钴源有70多座, 但装机容量 大于30万Ci的很少。南京辐照中心新源室装源量 全国第一, 也仅为80万Ci, 国外一座商业化钴源的 装源量都在1 000 万Ci以上。又如昆虫辐射不育 技术, 虽然对不少害虫进行了不育技术的研究, 但没 有对一种害虫进行大规模工业化生产和大面积释 放, 而发达国家对螺旋蝇、墨西哥果蝇、采采蝇等均 建有工厂化生产车间, 连续几年大面积释放, 收到明 显的防治效果。另外, 我国产品质量不稳定, 国际市 场竞争力弱, 多在国内销售。我国在研究方面, 一是 国家投入不够, 二是研究人员创新不够, 研究工作的 总体水平不高, 注重形态和表现研究较多, 急于想出 成果。育种方面, 选育方法多采用滚雪球的办法, 从 细胞水平、分子水平研究的较少;辐射加工方面, 辐 照产品标准的制订落后, 辐照降解物的研究处于起 步阶段, 配套技术的研究滞后, 辐照产品鉴别方法的 研究及质量检测同样处于滞后阶段, 究其原因是国 家投入资金少, 没有经费支撑研究;在仪器设备上我 们也落后较多, 多是20世纪70年代的设备;在人才 问题上, 一大批核农学技术骨干纷纷退休, 培养的青 — 12 — 江苏农业科学 2005年第2期
年科技人才, 由于国家课题经费投入少而无法全心 投入研究工作。核农学的发展前景及重点发展领域
民用非动力核技术作为高新技术在农业上的应
用推广, 其前景广阔, 潜力巨大。据资料介绍, 美国、日本应用核技术所创造的产值占GDP的2%, 而我国 不足0.5%。2004年1月国家发展与改革委员会发 布了组织实施“民用非动力核技术高技术产业化专 项”的通知, 提出了要在5年左右使我国核技术应用 产业产值达到1 000亿元的规模, 并保持年均15%的 增长速度, 这是对核技术应用的极大支持和鞭策。同 时在国家重视解决“三农”问题的大好形势下,核农学 必将发挥重要作用, 近期应重点发展以下领域。3.1 加强作物辐射诱变与遗传育种研究
利用以辐射诱变为核心的诱变遗传操作技术，创造对作物产量、品质、抗逆性等重要经济性状有突 破性影响的突变材料, 重点提高农作物对病虫害和 环境胁迫的抗(耐)性, 逐步实现定向选育农作物高
产、优质、高效新种质、新品系和新品种, 大力开发花 卉果蔬的诱变育种。研究和开发旨在大幅度提高基 因突变频率和高效调控基因变异方向的诱变遗传操 作技术, 重点研究辐射诱发基因突变的新因素、新技 术、基因突变的分子生物机理以及突变基因的早期 识别技术。
3.2 积极开展空间诱变育种及机理研究
充分利用国家批准的航天育种项目, 在加快航 天育种新品种选育的同时, 加强对空间诱变育种机 理的研究, 探索空间环境对生物的诱变分子机理。利用空间技术与生物技术相结合, 塑造新种质, 培育 新品种, 将农业空间诱变育种技术发展成为21世纪 农业高新技术产业。
3.3 大力开拓农产品辐照加工技术研究 加强农产品辐照加工标准和质量保证体系建
设, 大力发展农产品辐照加工的商业化和产业化, 向 自动化、规模化、集约化转变, 不断拓宽辐照技术的 应用领域, 加强辐照食品和农产品辐照海关检疫技 术的研究与应用, 加速开发农用辐照新材料和功能 产品及其在农业环境保护中的应用, 建立相关企业, 实现农产品辐照加工的产业化, 使之发展为高新技 术支柱产业。
3.4 加强同位素示踪与农业资源环境技术研究 利用同位素示踪技术与相关技术相结合, 监测
和评价化肥和农药在土壤—作物系统中污染物的迁 移与积累及其对农业生态环境的影响, 利用137 Cs研 究土壤侵蚀和荒漠化, 用核素示踪研究水土流失、草 场退化等区域性环境问题, 为我国农业生态环境建 设提供技术支撑。利用中子测水技术研究节水农 业, 提高水资源利用率。加强集航空定向技术、核探 测技术、水文地质测量和地下水渗流计算技术于一 体的智能化地下水动态参数测量仪的开发与应用, 解决水库大坝渗漏、水源地的开采、农田污染物的溶 质运移、水盐运动、环境地下水的弥散度及弥散系数 等一系列工程技术问题, 同时对南水北调工程地下 水的运动情况进行监测, 提供可靠的技术参数, 为国 民经济发展作出贡献。
3.5 积极探索核技术与生物技术的结合, 大力推广 辐射不育防治害虫技术研究
将核技术和现代生物技术相结合, 研究提高动
物的营养水平, 改进家畜的受精作用, 开发新型的动 物饲料, 提高动物生产力。利用放射性免疫分析技 术和相关技术研究口蹄疫、禽流感等重大疫病的早 期诊断及防治措施, 预防和控制重要畜禽疾病的发 生, 促进畜牧业持续发展, 提高农牧民的收入等。针 对严重危害我国生物安全的重大检疫害虫, 进行预 警和辐射不育防治技术研究及应用, 以保护我国农 业生产和农产品贸易的正常发展, 维护生态安全。3.6 继续辐射聚合与缓释放技术结合应用研究 应用辐射聚合技术, 制备具有良好环境和谐性、生物相容性、可调控微孔孔径、微孔结构、在微结构 上适宜于氮循环细菌生长、增值的“微生态”型固定 化载体。利用载体的环境和谐性、生物相容性和 “微生态”性增强固定化氮循环细菌在湖泊水体中 的扩散作用, 强化湖泊水体中的氮素污染物在氮循 环细菌作用下的转化过程, 加强水体的硝化—反硝 化功能, 进而控制湖泊水体氮污染和富营养化的进 程, 减轻水体生态系统的恶化, 增强湖泊等天然水资 源的可持续利用能力等。参考文献:
[ 1] 温贤芳, 汪勋清.中国核农学的现状及发展建议[ J].核农学报, 2004, 18(3):164 ～ 169.[ 2] 刘春泉, 朱佳廷, 赵永富.关于制订辐照产品企业标准的探讨 [ J].江苏农业科学, 2004,(3):72 ～ 75.[ 3] 刘春泉.江苏省60 Co辐照加工持续发展探讨[ A].中国核学会 2004 学术年会论文集[ C] , 2004.145 ～ 148.刘春泉等:我国核技术在农业上的应用及前景— 13 — 核技术及其在环境保护上的应用
刘 刚1 李 淼2 俞汉青3 吴晓磊4 刘锦淮5 余增亮2
(1.安徽省巢湖市环境保护监测站,安徽巢湖238000;2.中国科学院等离子体物理研究所离子束生物工程学重点实验室, 安徽合肥230031;
3.中国科技大学化学与材料科学学院, 安徽合肥230026;4.清华大学环境科学与工程系, 北京100084;
5.中国科学院合肥智能机械研究所, 安徽合肥230031)
摘要 核技术是治理环境污染方兴未艾的高新技术之一, 在环境保护领域具有广阔的应用前景。在简要概述了核技 术在环境保护中应用、研究现状的基础上, 对其存在的问题及今后的主要研究方向进行探讨与展望。
关键词 核技术 辐射技术 等离子体技术 环境保护 应用 0 引言
当前已兴起许多高新环保技术, 如膜分离技术、高梯度磁分离技术、超过滤技术、活性碳技术和核技 术等。目前, 核技术在环境保护领域正逐步得到广泛 的应用, 如:烟道气净化、流体和固体废物的辐照处 理、放射性示踪剂研究、核分析技术在环境监测和研 究中的应用等。核技术在环保中的应用研究始于20 世纪70 年代, 并逐步开始了有效的工艺实验[ 1-4]。核技术方法就是利用其放射性核素或加速器产
生的射线或粒子来治理废水、废气和固体废物的, 目 前已发展到利用高效等离子体新型核技术方法进行 高温无氧热解处理高危废物阶段。它是一项治理“三 废”的新技术, 也是和平利用原子能的重要方面。核 技术的优点是:节约能源, 处理能力高, 不添加任何化 学物质, 避免了二次污染, 因此非常安全可靠。核技 术还解决了一些其他方法难以解决的问题, 如染料脱 色、聚四氟乙烯回收和废气中氯化物去除等问题[ 4]。1 核技术概述
1.1 辐射源-核技术应用的基础
电离辐射与物质相互作用, 可以使物质产生物
理、化学、生物等一系列变化。这些变化与辐射类型、能量和被辐射物质的组成有关, 并且依赖于被照物质 所吸收的能量。电离辐射对环境有污染、对公众健康 有危害, 然而, 它也是一种有用的能量形式。其有用 的辐射类型通常包括:γ射线、高能电子、X 射线以及 紫外线。单位物质所吸收的能量定义为吸收剂量, 它 的单位是Gy(戈瑞)。目前用于辐射处理的射线主要 有3 种:电子束、γ射线和X 射线。除电子束辐射外, 其他常用类型辐射源的性质如下:(1)γ射线:放射性 原子衰变时, 放射出的γ射线具有相当强的贯穿力。工业上最常用的放射性核素是60 Co(半衰期T1 2 = 5.26 a , 能量E r =1.17 , 1.33 MeV)和137 Cs(半衰期 T1 2 =30 a , 能量Er =0.66MeV), 达到给定剂量时, 辐 照时间取决于γ射线源的强度及其他一些因素。γ
射线常用于废水和污泥的处理。(2)X 射线:X 射线 是用加速电子打到金属靶上产生的, 转成X 射线的 效率较低, 但X 射线比电子有更大穿透力, 可消毒辐 照脱水污泥, 由于其要求流体体积小, 且成本高, 目前 还未用于水与废水处理。(3)紫外线:紫外线辐射介 于可见光和X 射线之间, 其辐射能用波长来表示, 约
为180 ～ 280 nm。波长为200、310 nm的紫外线具有很 高杀菌效力, 而波长260 nm的紫外线几乎对所有的微 生物都具有最大效力。紫外线代替氯化处理, 进行废 水辐射消毒已有显著增长。(4)其他方法:辐射处理 可以用较低的剂量与其他方法联合处理, 一些联合方 法包括:氧化辐射是一种兼用辐照和氧化的处理方 法, 当辐照时空气或氧气是分散在材料中的。臭氧辐 射则是一种兼用辐照和臭氧的处理方法, 使用时氧气 中含有臭氧。热辐射是在辐照前或后对材料直接加 热, 辐照前用氧气或厌氧消化的方法消毒污泥可获得 再利用[ 1-3]。
1.2 电子束辐射技术
电子束作为辐射类型的一种, 因其工艺技术适用
范围广泛, 正在成为环境保护的重要手段之一。低能 或高能电子束是由加速器产生的。电子加速器的辐 照功率为电子束电流与加速电压的乘积。高速电子 的穿透力是很强的。当不使用加速器时可立即关闭。辐射处理, 指的是应用电离辐射能在物质材料中产生 有用的变化。辐射能被某种物质材料吸收的总剂量 91
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取决于这种材料本身的化学和物理性质, 以及辐射能 的类型及其能量分布等[ 1-3]。辐射处理使物质材料吸 收足够剂量是需要有一定条件的, 在生物学方面, 微 生物或病菌对于给定剂量的辐射的敏感性(微生物辐 射效应)既取决于物理因素(温度和辐射质量)和化学 因素(激活剂和保护剂), 又取决于生物的或生理的因 素[ 5-6](生长和DNA 总量)。1.3 等离子体辐照技术
等离子体通常是含有大量电子、离子、分子、原子 以及自由基的电离气体, 但其宏观上呈电中性, 并具 有很高的化学活性, 是物质固、液、气3 种形态之外的 第4 种形态。正因为等离子体具有较高的温度和大 量活性粒子, 所以能够加速化学反应速度, 彻底分解 污染物[ 7-9]。已开发出处理废弃物的等离子体发生装 置———等离子体火炬的中心温度可高达20 000 ～000 ℃, 火炬边缘温度也可达到3 000 ℃左右。当 等离子体火炬或发生所希望的化学反应, 从而使有害 物质变为无害物质, 甚至能变为可再利用的资源。因 此, 等离子体废物处理是一个废料分解和再重组过 程, 它可将有毒有害的有机、无机废物转成有价值的 产品。
等离子体分解有机废物可得到氢气及一氧化碳, 并可通过一个附属设备提取。它们可用作化学原料 去生产其它产品, 如聚合物或其他化学产品。氢气是 十分有价值的商业气体, 可应用在多种制造日用品的 工艺中, 例如:氨及塑料、药物、维生素、食油等。它亦 可为燃料电池提供能量。燃料电池被广泛认为是未 来解决污染问题的洁净能源。从无机废物中得到的 可再用的产品包括可用于冶金工业的合成金属, 可用 于建筑及研磨材料的玻璃状的硅石[ 9-10]。总之, 几乎 所有废料均可被等离子体处理并转换成有用的产品。2 核技术在环境保护中的应用 2.1 核技术在废水处理中的应用
电子束辐射处理污水及清洁水源时, 可使水中产 生活性物质, 如OH自由基可气化和
分解水中任何有机污染物。此外, 通过辐射处理废水 还可以降低污水中生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD), 同时也有效地杀死了水中病菌等有害微生物 和除去了水的臭味。辐射处理工业废水可以除去有 害物质。合成洗涤剂在水中存在时, 使得鱼类难以生 存;辐射法可以使其大量分解, 失去发泡能力。辐射 还可以对废水中所含的苯酚、农药、氰化物和有机溶 剂进行降解处理, 含有染料的废水可以用辐射法进行 分解和脱色。如:用电子束辐照代替氯处理二次污 水, 既不会产生有毒的含氯有机物, 又能进行有效的 灭菌。灭菌效果取决于辐照区域内水层的厚度、水的 属性以及不同类型的病菌对辐射的敏感度的影响。目前辐射处理废水在美国、意大利、巴西、韩国和前苏 联等国家已经实现工业生产。其他许多国家也正在试验[ 11-12 , 14]。与传统的水处理方法———活化污泥法 相比, 电子辐照技术工艺是一项处理污水更有效的技 术。此外, 利用脉冲放电等离子体, 可以应用于硝基 苯等废水的处理。脉冲放电等离子体水处理技术主 要是利用高压毫微脉冲发生装置, 在气液混合体中发 生高压脉冲放电产生高能电子, 紫外线以及气体放电 产生臭氧多因素综合作用, 增强处理效果, 从而达到 降解有机物的目的 [ 13-14]。
2.2 核技术在大气污染治理中的应用
辐射处理是去除废气中的NOX 和SO2 的最有效 方法, 用时还得到了有用的肥料。在辐射过程中, 空 气中的氧和水分被分离生成O、OH、HO2 等氧化能力 很强的活性粒子。这些粒子与SO2、NOX 发生反应, 生成硫酸和硝酸, 被收集器收集起来。如果在反应过 程中加入少量的氨, 不仅可以提高废气去除率, 还得 到了硫酸铵和硝酸铵的复盐, 是有用的肥料。对于烟 道气净化, 入射电子束的能量大部分被烟道气中的主
要成分N2、O2、H2O、CO2、SO2、NOX 等基质气体吸收, 导致母体分子电离和破碎, 形成活性物质, 如:OH、NH-等自由基, 有水时可使SO2 和NOX 分别氧
化生成H2SO4 和HNO3。辐照前在烟道气中预先加入 化学计量的氨, 使酸转化为粉末状的氨盐, 由于这些 氨盐以固体颗粒形式存在, 可以通过静电沉降等方法 收集起来。多级辐射可以获得更高的去除效率。电 子束干法除尘(EDBS)净化烟道气技术, 不仅可以同
时去除SO2、NOX , 还可以清除其他污染物, 其最终产 物能用作化肥, 不产生需要处理的泥浆和沉渣, 因而 不会产生污染物的处置问题。日本、德国、意大利、波 兰、美国等国已经开始的基础研究和半工业、工业实 验表明, 电子束辐照技术具有以下优点:(1)同时去除 SO2 和NOX , 清除效率高;(2)由于是干法处理技术, 无需废水处理;(3)反应生成可利用的副产品;(4)无 需催化剂;(5)比传统方法更经济。缺点是:电能需求 大, 电子束剂量需求高, 辐照后气溶胶的过滤等。另 92
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外, 电子束辐照方法能有效净化其他工业废气, 如:易 挥发的有机物(VOCS), 汽车尾气, 有气味、有毒的气 体及焚烧炉的废气等。当然, 电子束处理污染废气的 技术涉及到许多不同的物理化学机制, 如:能量吸收，气相反应, 颗粒形成, 气固相的相互影响等[ 1 , 3 , 14]。目 前, 烟道气的电子束净化在国际原子能机构的倡导 下, 在美国、日本、德国和前苏联等国的努力之下已经 从实验阶段过渡到工业规模。中国四川电子束脱硫 工厂于1997 年9 月正式运作。该厂使用两台加速
器, 处理煤电厂烟道气, 处理量为3 ×105m3 h , 辐照剂 量3 kGy , 去除80 %的SO2 和20 %的NO2;副产品(肥 料)产量为2 470 kg h。另外, 等离子体技术在大气污 染控制中的应用, 也有较大前景, 如应用于挥发性有 机化合物(VOC)的转化、氮氧化合物的脱除、汽车尾 气净化、烟气脱硫脱硝工业试验装置的设计等 方面[ 14-20]。
2.3 核技术在污泥处理中的应用
一个百万人口的城市每年大约产生10 亿t 废 水, 其中有1 %是污泥。污泥中通常含有大量病原 菌、寄生虫和病毒。如果直接将它施于农田, 细菌和 病毒会在土壤中长期生存、造成土壤和水体污染, 威 胁人类和牲畜的健康。但污泥经辐照灭菌后, 可作为 肥料直接在农田中使用。采用辐射法处理污泥, 不仅 可以达到彻底灭菌的目的, 而且, 电离辐射破坏了污 泥的胶体性质, 颗粒变大, 使污泥具有良好的脱水和 沉降性能。处理后的活性污泥可用作肥料施于农田。现在, 美国、德国和印度等国都已实现了辐照处理污 泥。德国一个处理污泥的辐照装置已运行近20 年。日本已开始研究一种有效的处理污泥的工艺———电 子束先灭菌后制成堆肥, 并进行半工业实验, 比传统 的方法———先进行堆肥再灭菌, 可获得更好的效果。在泰国, 啤酒工业的污泥经辐照处理后烘干, 再经 3.3 kGy辐照灭菌后用作鱼饲料。污泥处理大多数用 Co-60γ射线源, 辐照剂量约10 kGy [ 1 , 3, 11]。此外, 以造
纸厂的废纸浆污泥为原料, 与定量的石粉混合后, 用 辐射方法制备的复合材料, 还是一种新型工业材料。2.4 核技术在固体废弃物处理中的应用
1998 年统计, 全国工业固体废物产生量已达到亿t , 其中工业危险废物约占3 %～ 5 %。由于危险 废物处理技术及经济上的种种原因, 中国目前对于危 险废物的处理大多采用直接填埋或堆放的方法, 不仅 占用大量土地, 而且严重污染土壤、地下水和大气, 威 胁着人们的健康, 破坏了周围的环境。对于那些不能 被生物降解的废物, 如废弃的变压器油和橡胶轮胎、石棉废物、旧电池及电路板各种化学品、液晶显示屏 等电子废料, 直接填埋会严重污染环境, 危害人类。一个百万人口的城市, 每天要产生1 000t左右的固体废物———垃圾。它们污染了环境, 也是资源的巨 大浪费。到目前为止, 垃圾的处理方法主要有三种: 焚烧, 填埋, 垃圾分类、减量、资源回收。从经济性, 无 害性, 易操作性来综合评定上述三种方法, 一个普遍 的看法焚烧是三者中较好的一种方法。因此国内外 大部分工作都集中于此。普通焚烧处理炉子的平均 温度在800 ℃左右, 基本用垃圾自身的热值进行焚 烧, 它们是目前国内正在发展的垃圾焚烧方法。它有 以下主要缺点:(1)设备投资大, 运行费用高, 经济性 差;(2)由于低温焚烧, 很多有害有机物不能得到分解 而直接挥发到空气中, 造成二次污染。国外对焚烧炉 的废气进行再次处理, 这势必提高垃圾的处理成本和 处理过程的复杂性;(3)对垃圾热值有较高要求, 即垃 圾的热值不低于5 000 kJ kg。而最近所发展的核辐 射废物处理技术与等离子体废物处理技术在固体废 弃物处理中正起着越来越大的作用。
2.4.1 电离辐射技术在固体废弃物处理中的应用 人们正在研究一些变废为宝的方法。辐射处理
方法在这方面也是可以有所作为的。采用辐照技术, 可有效处理有毒废物、液体及固体废物。辐照处理是 一种技术先进的能量处理方式, 当固态、液态、气态的 靶子经辐照后电离, 当离子浓度大于热平稳浓度时, 便产生化学活性, 其后通常伴随靶子温度和化学组成 发生变化。垃圾中的有机物大部分是纤维素, 将旧报 纸、木屑之类的纤维素废料加水调桨, 照射50 ～
kGy , 加入添加剂在高温高压下进行反应, 最后生 成葡萄糖-聚四氟乙烯, 俗称塑料王, 用化学方法很 难处理。它经200 kGy 以上的辐照后, 降解成为新的 官能团产物, 可以用来制作润滑剂或表面活性剂。农 产品加工厂的垃圾经辐照灭菌后, 可以用于动物饲料 或肥料。另外, 用于环境保护的纤维和膜也可以用辐 射接枝、交联和固化技术来制备[ 1 ,3]。
2.4.2 等离子体辐照技术在固体废弃物处理中的 应用
等离子体技术应用于环境污染防治领域具有处
理效率高、投资省、运行成本低、不产生二次污染等优 点, 已成功地运用于固体废物、废水和废气的治理, 并 93
环 境 工 程
2008 年12 月第26 卷第6 期 成为近年来全世界广泛研究的课题。目前主要在大 气污染控制中应用, 汽车尾气治理技术, 废气治理的 低温等离子体-催化协同净化技术, 脉冲放电等离子 体处理硝基苯废水技术, 脉冲电晕等离子体法烟气脱 硫脱硝技术, 等离子体烟气脱硫脱硝工业试验装置与 处理废弃物的等离子体发生装置开发, 脉冲等离子体 脱硝技术等方面研究比较活跃。利用大功率等离子 体处理危险有害的废弃物, 使得这类废物无害化, 减 容化和资源再生化, 并达到污染“零排放”标准, 为解 决日益增加的危险或有害垃圾的处理问题提供一个 科学、有效、经济的技术手段[ 7-10]。
等离子体废物处理系统为解决废物处理及其资
源化利用这一难题提供了最先进的技术和解决方案。该项技术在美国、日本、欧洲等国已开始走向实用化。目前由中国科学院等离子体所开发出的高功率等离 子体火炬, 是一个新型而又高效的废物处理系统。等 离子体火炬处理废物主要有如下特点:(1)灵活性及 多功能性即可以处理所有种类的有毒有害危险及非 危险废物, 包括有机的、无机的、气体、液体及固体;(2)卓越的性能即能够完全地、安全地将有毒废料转 化成无毒有使用价值的产品;(3)不会排出有毒物质 及产生二次污染, 符合最严格的排放标准;(4)废物可 转换成具有循环使用价值的产品;(5)减容比高, 减小 废物体积高达99.7 %;(6)操作及维修简单, 只需一名 技术员及少数操作人员便可操作及维护一部日处理 10 t 的机器;(7)可在短时间停止及启动操作即可使 操作更灵活适应废物种类的转换, 不需保持连续 动作。
等离子体火炬对垃圾的处理机理, 完全不同于普
通的焚烧。高功率等离子体火炬的对垃圾的处理, 是 将垃圾中的分子和原子进行重新组合和分类, 因而也 就避免了以上提到的普通焚烧方法中的许多问题。等离子体处理废物系统可用于以下方面:(1)废弃电 子线路板、电池等;(2)含多氯联苯废物;(3)医院废 物、废药物、药品;(4)农药废物;(5)有机树脂类废物;(6)含金属羰基化合物废物;(7)含有色金属、重金属 废物;(8)石棉废物;(9)有机溶剂废物及放射性废物、爆炸性废物、生化武器的销毁等数千种有毒有害废 物。对于危险废物及难于处理的废物, 等离子体废物 处理的独特处理方法表现出安全、高效、无二次污染 和广泛适用性, 它为危险废物及城市固体废物的无害 化、减容化和资源化回收提供了一个十分科学有效的 方法。
最新报道的中科院等离子体所自筹经费数百万 元研制的150 kW高效电弧等离子体无氧热解处理高 危废物炉近期获得成功。这是国内第1 台严格意义 上的等离子体高温热解装置, 性能价格比明显优于国 外同类型装置。该装置的研制成功为国内固体废物 的“减容化”、“无害化”、“资源化”三化处理开拓了一 个新途径和新的研究平台。该实验炉主要部件包括 等离子体反应釜系统、废物馈入系统、电极驱动及冷 却密封系统、熔融金属及玻璃体排出高温热阀。其 中, 高温热阀的研制填补了国内的空白, 为熔融的金 属和玻璃体排出提供了一个安全、便捷的手段。实验 炉每日可处理电路板500 kg , 还可以处理危险废物、工业废物、医疗垃圾、市政垃圾和废旧轮胎等, 适应面 较广, 在国内有潜在的巨大应用前景和商业市场。该 实验炉进行了以固体电子垃圾为典型代表的废旧印 刷电路板的处理实验, 处理后的金属、玻璃体和尾气 三类物质从各自的排放通道被有效地分离开, 并已经 完成环保方面的检测。检测结果显示有害排放量远 远低于国家医疗废弃物处理的排放标准(国家尚无电 子垃圾处理排放标准), 特别是由于无氧热解处理带 来的氧化物量的超低排放, 将会对我国高危垃圾处 理, 减少二次污染具有重大的贡献。目前, 等离子体 所正在规划研制更大规模的高危垃圾等离子体处理 炉, 朝着大规模市场化的方向努力。3 问题与展望
目前, 许多国家都开展了有关水、废水、污泥、工 业固体废物等辐照处理的基础研究和工业实践。如: 工业废水中难溶有机物、染料、有毒物质等的分解, 城 市废水的消毒, 生物医学废物、垃圾和废物、废塑料及 橡胶再生等。核辐照技术是处理与回收诸如医院废 物、解决特殊问题的方法之一。尽管初期投资较高, 但有许多优点, 如:杀菌速度快、效果好、不会造成任 何污染、可使有害废物再利用。另外, 辐射技术在一 系列工业应用中证明, 其在环境方面的优势在于它具 有更高的能量利用率, 并避免释放一些毒物。现在多种核分析技术及与核相关的分析已广泛 应用于大气污染物监测、水体和各类环境样品的分 析, 以及对有害元素及物质在环境介质中的影响和迁 移转化规律的研究等。我国在环境研究中, 核技术的 应用包括:(1)示踪技术;(2)加速器质谱技术;(3)中
子活化技术;目前已从总量分析发展到元素的化学总 94
环 境 工 程
2008 年12 月第26 卷第6 期
态分析;(4)质子激发x 射线分析和扫描质子微探针, 已广泛应用于大气细颗粒的源识别;(5)同步辐射技 术;(6)穆斯堡尔谱学, 已成功用于大气中铁微粒的鉴 别, 不仅能分析出污染量, 而且能给出污染物的化学 总态;(7)低温等离子体技术, 已广泛应用于污染物的 分析鉴别及废气、废液及废渣的治理;(8)固体核径迹 探测技术。在灾变环境、室内氧气的监测等方面有重 要作用;(9)基于加速器的电子束燃煤烟气脱硫脱
硝[ 21-22]。长期以来等离子体火炬的研制及其在各领 域的应用是世界许多核科学家重要的研究方向。当 前中国科学院等离子体所正与俄罗斯的等离子体加 热器研究部门建立协作关系, 进行广泛的合作, 开发 研究出技术比较成熟等离子体加热器, 努力拓展其应 用领域的广度和深度。现已取得了一些专利成果, 开 发出了具有国内领先水平的长阴极寿命的各种功率(数十至数百千瓦)的等离子体火炬设备, 并已用于等 离子体切割机和等离子体加热器的产品开发。目前 正在进行等离子体火炬与电弧用于环保方面的研究 开发工作。
核技术目前在大气环境、水环境、土壤环境、农业 环境、体内环境、灾变环境、海洋环境、宇宙环境以及 泥沙侵蚀环境等方面已取得了显著成果。这些成果 不仅具有重要的科学意义, 而且为我国的环境污染治 理提供了崭新的科学思路。随着该项技术的广泛应 用, 定将产生巨大的经济效益、环境效益和社会效益。尽管人们对使用核技术来治理环境污染还心存疑虑, 但从当前世界各国研究核技术应用的工作进展情况 来看, 无论是发达国家还是发展中国家, 今后都将会 更广泛地应用核技术来解决环境问题[ 23]。因此, 核 技术在环境污染治理研究中的地位将日趋重要。在 某些环境问题的研究中, 核科学技术甚至是惟一的解 决办法, 在环境保护与环境科学研究领域有着很大的 应用潜力。
因此, 从事环境科学研究和环境保护工作的科技
人员, 与核化学、放射化学、核技术或核物理学学科的 专业人员的合作是必要的。综上所述, 核技术在环境 保护中的应用前景是美好的。参考文献
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作者通信处 刘刚 238000 安徽省巢湖市环境保护监测站 E-mail glchepb @sina.com 2008-03-27 收稿 95
环 境 工 程 2008 年12 月第26 卷第6 期
This article demonstrate the chemical principle , proce flow and compares the advantage and shortcoming with wet proce.It raises some problems
during the ENS semidry proce and offers a proposal of optimizing production.Keywords sintered smoke ENS semidry defluorination and desulfurization technology clean application
TECHNOLOGIES OF NOX EMISSION CONTROL FOR COAL-FIRED POWER PLANTS Zhou Tao Liu Shaoguang Wu Jinming et al(82)„ … … …
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Abstract NOX is one of the main pollutants in the atmosphere.It has made big hazard to the environment and the human body.Coal-fired
power plant is one of the main sources emitting NOX.Now how to eliminate NOX from coal-fired power plant effectively is to be a priority and a
difficulty.The mechanism of NOX formation during the proce of coal combustion is discued.At the same time , it is introduced in detail the
main methods and technical features of low NOX combustion technology and flue gas denitration technology.Keywords coal-fired power plant nitrogen oxides low NOX combustion flue gas denitration
DESIGN AND USE OF AN INTEGRATED SYSTEM WITH DRY EXTRACTING DREGS AND POSITIVE PRESSURE PNEUMATIC CONVEYLING DREGS IN HUANENG DALIAN POWER PLANT
Chen Huiyan Gao „„„„„„„„„„„„„„„„„ „„„„„„„„„„„„„ Deshun Deng Fang(86)
Abstract Coal-fired boiler is of hydraulic deslagging with wasting of water resources, and slag can not be used as construction materials.An integrated system with dry extracting dregs and positive preure pneumatic conveyling dregs is used in Huaneng Dalian Power Plant.Comparing
the wet extracting dregs , it was elaborated that the characteristics, the superiority and the improvement measures after operation of the system.It was proved by the practice that the system could realize the goal of coal-burning power plant energy conservation and emiion reduction for a
coal-fired power plant, and dry-slag was reused too , a circular economy was obtained.Keywords dry extracting dregs positive preure pneumatic conveyling dregs conservating energy and reducing emiion
NEW TECHNOLOGY FOR RESOURCE UTILIZATION AND HARMLESS TREATMENT OF
WASTE CIRCUIT BOARD SLUDGE „„„ „„„„„ Li Haiying Xie Fengchun Li Chuncheng et al(88)
Abstract The key problem of resource utilization and harmle treatment of waste circuit board sludge is to separate the various metals in
sludge effectively.The combination of acid leaching and ammonia leaching method was adopted.Through two leaching procees, copper and other
metals were separated.So , this method has its particular advantages:good effect of separation , simple proce , stable product quality as well
as no secondary pollution.In this paper, the proce flow is put forward.The technical and economical index of each procedure is investigated by
test.It is shown that the recovery ratios of copper and iron reach more than 95% , the recovery of tin also reaches more than 90 %, and the product
quality is qualified.Solid waste and water waste of technical proce could be discharged after coming up to the standard.Keywords heavy metals waste sludge recovery leaching separation
NUCLEAR TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION IN CONSERVATION OF ENVIRONMENT Liu Gang Li Miao Yu Hanqing et al(91)
„
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Abstract Nuclear technology , a high and new means of solving the pollution of the environment, has wide application prospects in the domain
of environmental protection.The paper briefly summarizes the nuclear technology and its application and research actuality relating to environmental
protection , and also discues the problems of using nuclear technology in environment research, and the main research direction in the future.Keywords nuclear technology radiation technology technology of plasma environmental protection application
RESEARCH ON THE ENVIRONMENTAL BEHAVIOR OF MTBE Zhang Shenghan J ia Li Quan Yuheng(96)„ … … … … … … … … … … … … … … … …
„ … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …
Abstract The environmental behavior of MTBE is comprehensively evaluated.And the pollution source , pollutant pathway and toxicology are
analyzed based on a large quantity of information as well.The poor adsorption and high water solubility make it a persistent diffusing underground
pollutant.There are both point source and non-point source of MTBE.The main exposure approaches to MTBE are through the air and water.Keywords MTBE environmental behavior pollution source pollution pathway
Manager: China Iron and Steel Aociation
Sponsor: Central Research Institute of Building and Construction of MCC Group Publisher: Industrial Construction Magazine Agency
Editor: The Editorial Department of Environmental Engineering(33 , Xitucheng Road , Haidian Di strict , Beijing 100088 , China)Telephone:(010)82227638 82227678
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ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol.26 , No.6 ,December ,2008
