纳米技术的优缺点范文

导语：如何才能写好一篇纳米技术的优缺点，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公文云整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词 纳米技术；水处理；TiO2光催化剂

中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)021-0163-01

纳米技术是20世纪90年代出现的一门新技术，介于纳米材料能够吸收水体中某些特殊的有机物，研究学者将纳米科技引入到现代水处理中，表现出良好的应用前景。

1 传统的污水处理技术

工业生产、生活废水中常常含有大量的有机物、泥沙、细菌等物质，甚至有些物质有巨大的毒性，为了除去这些有害物质，我国常用的传统方法有物理法、化学法和生物法。

1）物理法。物理法，顾名思义就是利用物理沉降、过滤等手段将污水中的悬浮污染物、泥沙等杂质除去，常用的物理法有沉淀法、过滤法、离心法、气浮法、蒸汽冷凝法等。

2）化学法。化学法就是在污水中加入某种化学试剂，利用化学反应来分离或者转化污水中的杂质及有毒物质，常用的化学法有中和法、吸附法、混凝法、化学沉淀法、化学氧化法、离子交换法等。

3）生物法。生物法就是利用某种微生物分解废水中的某种特定有机污染物，根据微生物的类别，生物法可以分为好氧生物处理和厌氧生物处理。

上述污水处理方法是我国常用的污水处理技术，这类污水处理方法的效果差、成本高，有些处理手段可能出现二次污染等问题，降低了污水处理的效果。而纳米技术的出现，以及其在水处理中的研究发展，可以提高污水处理技术水平。

2 纳米技术和纳米材料在世界的发展情况

纳米材料和纳米技术的出现，给未来高新技术的发展提供了一个很好的研究手段，各个国家都非常重视纳米技术的研究。美国国家基金委员会（NSF）在1998年对纳米功能材料进行了大量研究，并对其加工和合成作为重要的基础研究项目；日本在近7年以来制定了大量的纳米科技研究项目，如Oglala计划、量子功能器件的原理研究等；德国科研技术委员会也制定了发展纳米科技的计划。这都说明国外对纳米材料的研究都非常重视，在今后一段时间内都是国际研究热点和方向。

我国从“八五”期间以来，对纳米材料的研究取得了非常丰富的成果：如：①大面积定向碳管阵列合成；②超长纳米碳管；③硅衬底上纳米管阵列等，但是我国纳米科技水平与国外还是有一些差距的，尤其是欧美国家，但是由于我国科研队伍梯队完善，基础研究在国际上也具有一定地位，为我国纳米材料研究奠定的基础。

3 纳米催化剂在水处理中的应用

1）纳米材料作催化剂的优点及光催化原理。纳米材料的尺寸非常小，1 nm=10-9 m，这么小的颗粒比表面积非常大，并且颗粒表面的键态与电子态与颗粒内部有很大区别，表面原子配位不全会导致表面的活性位置增加，表现出催化特性。对纳米材料表面特性进行研究发现，随着粒径的减少，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，提高了水处理中化学反应的接触面。研究学者对超微粒进行研究发现，其作为催化剂能够提高化学反应的效果。光催化材料具有无污染，使用方便、节约能源等优点，其中半导体的光催化效应是指：在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴会将周围环境的羟基电子吸引过来，使得羟基变为自由基，成为强氧化剂，将酯类最终变成CO2，保证有机物能够完全降解，但是采用这种光催化剂在催化过程中半导体的能隙不能太宽也不能太窄，否者光催化效应的效果不好。

2）TiO2光催化剂的优缺点和纳米TiO2的优势。TiO2具有良好的光催化效果，是水处理常用的光催化剂，其主要特点为：催化条件简单，只需要太阳光即可，光催化剂吸收太阳光中的紫外线，表现出较强的氧化性；在酸碱性变化较大的污水中也能保证稳定性；污水处理中不产生有毒物质和有毒气体。

但是由于TiO2的禁带宽度为3.2 eV，只能吸收太阳光中波长＜387 nm的紫外线，光利用率低，另外TiO2的光量子效率也很低，有待进一步提高。研究学者发现纳米TiO2材料比一般的半导体材料的催化效果好，主要是因为：①由于量子尺寸效应使得导电和价带能级变成了分立级能，能隙变宽，导电电位变得更低，但是价带电位变得更高，使得纳米材料表现出更强的氧化效果和还原能力；②由于纳米半导体粒子的粒径非常小，能够通过扩展效应从粒子内迁移到表面，有利于得到或失去电子，保证氧化反应的正常进行。

3）纳米TiO2在水处理中的应用。纳米科技的发展为人类治理环境开辟了一条行之有效的新途径。

①有机污染物的处理。在太阳光的照射下，纳米TiO2通过产生的电子和空穴，表现出强还原性和氧化性，提高有机物降解的速度，氧化的产物为CO2、H2O等一些简单的无机物。目前纳米TiO2能够氧化一些脂肪酸、芳香酸和酚类等有机物，也能降解燃料、除草剂、杀虫剂和表面活性剂等一类物质。在利用纳米材料进行光催化过程中，纳米TiO2作为空心小球，当有机物通过这些小球时就会附着在上面，利用太阳光中的紫外线完成降解过程。

②无机污染物的处理。除有机物外，许多无机物在纳米表面也具有光化学活性，例如对Cr2O72-离子水溶液的处理，利用TiO2悬浮粉末经光照将Cr2O72-还原为Cr3+对含氰废水的处理，以TiO2光催化剂将CN-氧化为OCN-，再进一步反应生成CO2、N和NO3-；用Ti02光催化法可从Au(CN)4中还原Au，同时氧化CN-为NH3和CO2，该法可用于电镀工业废水的处理。不仅能还原镀液中的贵金属，而且还能消除镀液中氰化物对环境的污染，是一种有实用价值的处理方法。大量试验结果表明，纳米TiO2光催化反应对于工业废水具有很强的处理能力。但值得一提的是，由于光催化反应是基于体系对光能量的吸收，因此要求被处理体系具有良好的透光性。对于高浓度的工业废水，若杂质多、浊度高、透光性差。反应则难以进行。因此该方法在实际废水处理中，适用于后期的深度处理。

③微生物的灭杀。纳米TiO2微粒本身对微生物无毒性，当他们聚集在一起形成一定规模后才会对微生物造成一定危害。纳米TiO2光催化可以通过直接或间接方式消灭微生物，直接方式主要是利用太阳光激发TiO2，使得纳米材料出现光生电子和光生空穴，直接导致细胞壁、细胞膜破损，细胞因为功能性单元失活而出现细胞坏死。在悬浮液体中，TiO2颗粒可以吸附在微生物的表面，或者被生物体细胞吞噬，这些纳米TiO2颗粒利用产生的光生空穴和活性氧化直接与细胞内的组分发生化学反应，使得细胞失活。由于太阳光激发TiO2颗粒产生空穴具有非常强的氧化效果，并且生成的活性物质具有很强的反应活性。因此，不论是在悬浮液中还是在光阳极表面，太阳光激发TiO2颗粒均能够杀死乳酸杆菌、面包酵母菌、大肠杆菌以及海拉细胞、T24细胞等。

纳米技术作为21世纪前沿科学能够在环境保护中表现出极大的应用前景，可以预见，随着纳米技术研究的不断深入和实用化进程的加快，纳米水处理技术将在本世纪得到充分的发展，在污水处理中取得令人振奋的成果。

参考文献

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篇2

【摘要】

氧化铁纳米粒子是一种新型的磁功能材料，被广泛应用于生物、材料以及环境等众多领域。本文介绍了超顺磁氧化铁纳米粒子的制备方法，比较了各种方法的优缺点；评述了磁性氧化铁纳米粒子在细胞、蛋白质和核酸分离及生物检测中的应用，对多功能复合磁性氧化铁纳米粒子的构建， 在生物医学领域中的应用具有的指导意义。

【关键词】 超顺磁性氧化铁纳米粒子； 制备； 生物分离； 生物检测； 评述

Abstract Superparamagnetic iron oxide nanomaterials have been widely used in the biotechnology， materials and environmental chemistry， etc. In this review， the synthesis methods of superparamagnetic iron oxide， the merits and defects of these methods， and their application in cell， protein， nucleic acid separation and bioassay were reviewed.

Keywords Superparamagnetic iron oxide nanoparticles; Synthesis; Bioseparation； Bioassay; Review

1 引 言

磁性纳米粒子是近年来发展起来的一种新型材料，因其具有独特的磁学特性，如超顺磁性和高矫顽力，在生物分离和检测领域展现了广阔的应用前景[1]。同时，因磁性氧化铁纳米粒子具有小尺寸效应、良好的磁导向性、生物相容性、生物降解性和活性功能基团等特点[2～4]， 在核磁共振成像、靶向药物、酶的固定、免疫测定等生物医学领域表现出潜在的应用前景[5～7]。但由于其较高的比表面积，强烈的聚集倾向，所以通常对其表面进行修饰，降低粒子的表面，能得到分散性好、多功能的磁性纳米粒子。对磁性纳米粒子的表面进行特定修饰，如果在修饰后的粒子上引入靶向剂、药物分子、抗体、荧光素等多种生物分子，可以改善其分散稳定性和生物相容性， 以实现特定的生物医学应用。此外，适当的表面修饰或表面功能化还可以调节磁性纳米粒子表面的反应活性[8]，从而使其应用在细胞分离、蛋白质纯化、核酸分离和生物检测等领域。本文介绍了磁性氧化铁纳米粒子的制备方法， 比较了各种制备方法的优缺点，并对其在生物分离及检测中应用的最新进展进行了评述。

2 磁性氧化铁纳米粒子的合成方法

磁性纳米粒子的制备是其应用的基础。目前已发展了多种合成和制备方法，如共沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法和微乳液法等，上述方法均可制备高分散、粒度分布均匀的纳米粒子，并能方便地对其表面进行化学修饰，这些方法的优点和缺点见表1。

在这些合成方法当中，共沉淀法是水相合成氧化铁纳米粒子最常用的方法。该方法制备的磁性纳米颗粒具有粒径小，分散均匀，高度生物相容性等优点，但制得的颗粒存在形状不规则，结晶差等缺点。通过在反应体系中加入柠檬酸，可得到形状规则、分散性好的纳米粒子。利用这种方法合成的磁性纳米材料被广泛应用在生物化学及生物医学等领域[9]。微乳液法制备纳米粒子，产物均匀、单分散，可长期保持稳定，通过控制胶束、结构、极性等，可望从分子规模来控制粒子的大小、结构、特异性等。微乳液合成的磁性纳米粒子仅溶于有机溶剂，其应用受到限制。通常需要在磁性纳米粒子的表面修饰上亲水分子，使其溶于水，从而能应用于生物、医学等领域。

热分解法是有机相合成氧化铁纳米粒子最多也是最稳定的方法。利用热分解法制备的纳米Fe3O4颗粒产物具有好的单分散性，且呈疏水性，可以长期稳定地分散于非极性有机溶剂中。该方法合成的氧化铁纳米粒子虽然具有粒径均一的特点，但必须在其表面偶联亲水性及生物相容性好的生物分子或制备成核壳结构，才可用于生物医学领域。表1 磁性氧化铁纳米粒子的制备方法（略）

此外，绿色化学和生物方法合成氧化铁纳米粒子也备受关注[28，29]。磁性氧化铁纳米粒子除具有的表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应等纳米粒子基本特性外，它同时还具有超顺磁特性、类酶催化特性和生物相容性等特殊性质，因此在医学和生物技术领域中的应用引起了人们的广泛兴趣。

3 磁性氧化铁纳米材料在生物分离与生物检测的应用

3.1 磁性氧化铁纳米材料在生物分离的应用

磁性氧化铁纳米粒子可以通过外界磁场来控制纳米粒子的磁性能，从而达到分离的目的，如细胞分离[30，31]、蛋白分离[32] 和核酸分离[33]等。此外磁性氧化铁纳米粒子由于兼有纳米、磁学和类酶催化活性等性能，不仅能够实现被检测物的分离和富集，而且能够使检测信号放大，在生物分析领域也都具有很好的应用前景[34，35]。磁性纳米粒子（MNP）能够应用于这些领域主要基于它的表面化学修饰，包括非聚合物有机固定、聚合物有机固定、无机分子固定及靶向配体修饰等[36]（图1）。纳米粒子表面功能化修饰是目前研究的热点。

3.1.1 磁性氧化铁纳米材料在细胞分离方面的应用

细胞分离技术的目的是快速获得所需目标细胞。传统细胞分离技术主要根据细胞的大小、形态以及密度的差异进行分离，如采用微滤、超滤以及超离心等方法。这些方法操作简单，但是特异性差，而且存在纯度不高、制备量偏小、影响细胞活性等缺点，因此未能被广泛地用于细胞的纯化研究[37]。近年来，随着对磁性纳米粒子研究的深入，人们开始利用磁性纳米粒子来分离细胞[38，39]。如磁性氧化铁纳米粒子在其表面接上具有生物活性的吸附剂或配体（如抗体、荧光物质、外源凝结素等），利用它们与目标细胞的特异性结合，在外加磁场的作用下将细胞分离、分类以及对其种类、数量分布进行研究。张春明等[40]运用化学连接方法将单克隆抗体CD133连接到SiO2/Fe3O4复合粒子的表面得到免疫磁性Fe3O4纳米粒子，利用它分离出单核细胞和CD133细胞。经培养后可以看出，分离出来的CD133细胞与单核细胞一样，具有很好的活性，能够正常增殖形成集落，并且在整个分离过程中对细胞的形态以及活性没有明显的毒副作用，这与Kuhara等[30]]报道的采用磁分离技术分离CD19+和CD20+细胞的结果一致。Chatterjee等[39]采用外源凝结素分别修饰聚苯乙烯包被的磁性Fe3O4微球和白蛋白磁性微球，利用凝结素与红细胞良好的结合能力，快速、高效的分离了红细胞。此外，磁性粒子在分离癌细胞和正常细胞方面的动物实验也已获得成功。

3.1.2 磁性氧化铁纳米材料在蛋白质和核酸分离中的应用

利用传统的生物学技术（如溶剂萃取技术等）来分离蛋白质和核酸程序非常繁杂，而磁分离技术是分离蛋白、核酸及其他生物分子便捷而有效的方法。目前在外磁场作用下，超顺磁性氧化铁纳米粒子已广泛应用于蛋白质和核酸的分离。

Liu等[41]利用聚乙烯醇等表面活性剂存在下制备出共聚磁性高分子微球，表面用乙二胺修饰后用于分离鼠腹水抗体，得到很好的分离效果。Xu等[42]在磁性氧化铁纳米粒子表面偶联多巴胺分子，用于多种蛋白质的分离纯化。多巴胺分子具有二齿烯二醇配体，它可以与氧化铁纳米粒子表面配位不饱和的Fe原子配位，形成纳米颗粒多巴胺复合物，此复合物可以进一步偶联次氨基三乙酸分子（NTA），NTA分子可特异螯合Ni＋，对于具有6×His标签的蛋白质的分离纯化方面表现出很高的专一性。Liu等[43]用硅烷偶联剂（AEAPS）对核壳结构的SiO2/Fe2O3复合粒子的表面进行处理，研究复合磁性粒子对牛血清白蛋白（BSA）的吸附情况，结果表明BSA与磁性复合粒子之间是通过化学键作用被吸附的，复合粒子对BSA的最大吸附量达86 mg/g，显示出在白蛋白的分离和固定上有很大的应用潜力。Herdt等[44]利用羧基修饰的吸附/解离速度快的核壳型（Fe3O4/PAA）磁性纳米颗粒与Cu2+亚氨基二乙酸（IDA）共价交联，通过Cu2+与组氨酸较强的亲和能力实现了组氨酸标记蛋白的选择性分离，分离过程如图2所示。

磁性纳米粒子也是核酸分子分离的理想载体[45]。DNA/mRNA含有单一碱基错位，它们的富集和分离在人类疾病诊断学、基因表达研究方面有着至关重要的作用。Zhao等[46]合成了一种磁性纳米基因捕获器，用于富集、分离、检测痕量的DNA/mRNA分子。这种材料以磁性纳米粒子为核，包覆一层具有生物相容性的SiO2保护层，表面再偶联抗生素蛋白维生素H分子作为DNA分子的探针，可以将10－15 mol/L DNA/mRNA有效地富集，并能实时监控产物。Tayor等[47]用硅酸钠水解法、正硅酸乙酯水解法制备SiO2/Fe2O3磁性纳米粒子并对DNA进行了分离。结果表明，SiO2功能化的Fe2O3磁性纳米粒子对DNA的吸附分离效果明显好于单独Fe2O3磁性纳米粒子的分离效果，但是其吸附机理有待进一步研究。

3.2 磁性氧化铁纳米材料在生物检测中的应用

3.2.1 基于磁学性能的生物检测

磁性氧化铁纳米粒子因其特有的磁导向性、小尺寸效应及其偶联基团的活性，兼有分离和富集地作用，使其在生物检测领域有广泛的应用。当检测目标为低含量的蛋白分子时，不能通过聚合酶链反应（PCR）对其信号进行放大，而磁微球与有机染料或量子点荧光微球结合可以对某些特异性蛋白、细胞因子、抗原和核酸等进行多元化检测，实现信号放大的作用。Yang等[48]采用一对分子探针分别连接荧光光学条码（彩色）和磁珠（棕色），对DNA（顶端镶板）和蛋白质（底截镶板）生物分子进行目标分析（图3）。如果目标DNA序列或蛋白存在，它将与两个磁珠结合一起，形成了一个三明治结构，经过磁选，光学条码可以在单磁珠识别目标水平下，通过分光光度计或是在流式细胞仪读出。通过此方法检测目标分子是基于数百万个荧光基团组成的微米尺寸光学条码信号的扩增而检测出来，其基因和蛋白的检出限可达到amol/L量级，甚至更低。

Nam等［49］利用多孔微粒法（每个微粒可填充大量条形码DNA）和金纳米微粒为基础的比色法生物条形码检测技术检测了人白细胞介素2（IL2），检出限可达到30 amol/L，比普通的酶联免疫分析技术的灵敏度高3个数量级。Oh等 [50]利用荧光为基础的生物条形码放大方法检测了前列腺特异性抗原（PSA）的水平，其检出限也低于300 amol/L，而且实现了快速检测。

在免疫检测中，磁性纳米粒子作为抗体的固相载体，粒子上的抗体与特性抗原结合，形成抗原抗体复合物，在磁力作用下，使特异性抗原与其它物质分离，克服了放免和酶联免疫测定方法的缺点。这种分离具有灵敏度高、检测速度快、特异性高、重复性好等优点。Yang等[51]通过反相微乳液法制备了粒径很小的SiO2包覆的Fe3O4磁性纳米粒子，生物分子通过诱导这些高单分散的磁性纳米粒子可用于酶的固定和免疫检测。Lange等[52]采用直接或三明治固相免疫法（生物素基化抗IgG抗体和共轭连接链霉素的磁性纳米粒子组成三明治结构）和超导量子干涉法（SQUID），研究它们在确定抗原、抗体相互作用免疫检测中的应用，结果表明特异性键合的磁性纳米颗粒的驰豫信号大小依赖于抗原（人免疫球蛋白G，IgG）的用量，这种磁弛豫(Magnetic relaxation)免疫检测方法得到的结果与广泛使用的ELISA方法的结果相当。

因磁性纳米粒子独特的性能，在生物传感器上也有潜在的应用前景。Fan等［53］在磁珠上偶联被检测物的一级抗体，在金纳米颗粒上连接二级抗体，两者反应后，利用HClNaClBr2将Au氧化为Au3+，催化发光胺（Luminol）化学发光，人免疫球蛋白G（IgG）的检出限可达2 × 10－10 mol/L ，实现了磁性纳米颗粒化学发光免疫结合的方法对IgG进行生物传感分析（图4）。

3.2.2 类酶催化特性在生物检测中的应用

Cao等[54]发现Fe3O4磁性纳米粒子能够催化H2O2氧化3，3'，5，5'四甲基联苯胺（TMB）、3，3'二氨基联苯胺四盐酸盐（DAB）和邻苯二胺（OPD），使其发生显色反应，具有类辣根过氧化物酶（HRP）活性（图5），而且其催化活性比相同浓度的辣根过氧化物酶高40倍。并且Fe3O4磁性纳米粒子可以运用磁分离手段进行重复性利用，显著降低了生物检测的实验成本，利用此特性可进行多种生物分子的检测。

利用葡萄糖氧化酶（GOx）与Fe3O4磁性纳米粒子催化葡萄糖的反应(见式（1）和(2))，通过比色法检测葡萄糖，其检测的灵敏度达到5×10－5 ～ 1×10－3 mol/L 。由于Fe3O4磁性纳米粒子制备简单、稳定性好、活性高，成本低，因而比普通酶更有竞争优势，这也为葡萄糖的检测提供了高灵敏度和选择性的分析方法，在生物传感领域的应用上展现了巨大的潜能，为糖尿病人疾病的诊断提供了快速、灵敏的检测方法。然而要提高检测灵敏度，合成催化效率高的Fe3O4磁性纳米粒子及多功能磁性纳米粒子是关键。Peng等[56]用电化学方法比较了不同尺寸Fe3O4纳米粒子的催化活性发现，随着尺寸的变小，磁性纳米粒子的催化活性变高。Wang等[57]制备的单分散哑铃型PtFe3O4纳米粒子，由于本身尺寸和结构特点，可更大限度地提高催化活性。本研究组已经合成了分散性好和磁性高的氧化铁纳米粒子并对其进行了表征，利用其磁学和催化特性，已开展了葡萄糖等生物分子的检测，该方法的检出限达到1 μmol/L，具有灵敏度高、操作简便和成本低等优点[58]。

总之，Fe3O4磁性氧化铁纳米粒子不但具有显著的超顺磁性，而且具有类辣根过氧化物酶催化特性，可通过使用过氧化物敏感染料，设计了一系列（如乙肝病毒表面抗原等）的免疫检测模型[59]，因此超顺磁性纳米粒子在生物分离和免疫检测领域具有广阔的应用前景。

4 结 语

随着纳米技术的迅速发展，磁性氧化铁纳米粒子的开发及其在生物医学、生物分析、生物检测等领域的潜在应用已经越来越受到重视，但同时也面临很多挑战和问题。（1）构建并制备尺寸小、粒径均一、分散性和生物相容性好及催化性能高的多功能磁性纳米粒子；（2）根据被检测生物分子的特点设计多功能磁性氧化铁纳米粒子，实现高灵敏度、特异性检测；（3）利用纳米氧化铁颗粒作为分子探针进行实时、在线、原位、活体和细胞内生物分子的检测。这些问题不仅是纳米材料在生物分子检测领域应用需要解决的难点，也是目前其进行生物分子检测研究的热点和重点。

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篇3

制糖废水处理技术

目前制糖废水的处理技术主要包括物化法和生化法，由于制糖废水的可生化性好，国内外对此废水的处理常采用生化法。生化法主要有厌氧处理法、好氧处理法、厌氧—好氧处理法等。

1物化法

物化法主要用于对废水进行预处理，该方法包括:混凝沉淀法、吸附法、离子交换法、萃取法、扩散渗析法、电渗析法等［7］。近年来，对物化法的研究涉及到一些新的领域，纳米技术的应用研究为制糖废水的预处理提供了新的思路。钟福新等［8］的研究表明，La/Fe共掺杂TiO2纳米管阵列对甲基橙和制糖废水具有催化降解效果。光照时间和pH是影响La/Fe掺杂TiO2纳米管阵列光催化降解制糖废水的主要因素，在强碱性条件下，La/Fe掺杂TiO2纳米管阵列对制糖废水的光催化降解效率最高，光照20h时可达97%以上。

2厌氧生物法

废水的厌氧处理在有机物含量较高时很适用。由于厌氧处理时，污泥产生量少，对营养元素要求低，同时产生的甲烷可作潜在的能源，可消除气体排放的污染，投资成本一般较低，运行管理费用也大大低于好氧工艺［9］。在制糖工业废水处理中得到了广泛的应用。上流式厌氧污泥床反应器(UASB)是厌氧处理的一个有代表性的形式。在反应器中，废水从底部均匀进入并向上运动，反应器下部为浓度较高的污泥床，上部为浓度较低的悬浮污泥床，一般情况下处理甜菜制糖废水时，容积负荷可达到20.7kgCOD/(m3•d)，COD去除率为82%左右［10］。河南某厂［11］建成1700m3UASB厌氧系统处理制糖废水，在近中温(30℃～35℃)条件下启动运行，当进水COD浓度平均为8000mg/L时，工程稳定运行，日处理废水近1000m3，COD去除率80%以上，UASB有效容积负荷为5.0kgCOD/(m3•d)以上。运行实践证明，采用UASB工艺处理制糖废水，具有有机负荷高，HRT短，无需填料、污泥回流装置及搅拌装置，效率高，运行成本低等优点。同时UASB工艺也存在以下缺点:①三相分离器还没有一个成熟的设计方法;②颗粒污泥的培养较困难，初次启动和形成稳定颗粒污泥用时较长;③大多数UASB反应器需对进水悬浮物浓度进行适当控制，以防止堵塞和短流;④耐冲击负荷能力不强，出水水质还达不到传统二级处理工艺的出水水质。为了解决UASB颗粒污泥培养的问题，可以在厌氧启动过程中加入惰性物质，加速颗粒化的形成。韩洪军等［12～13］的研究表明，在系统中加入颗粒活性炭，可以加快颗粒污泥的形成;Yu［14］等人向反应器中投加150～300mg/LCa2+，提高了生物量的积累，加速了反应器的启动。新型的反应器是折流式厌氧反应器(ABR)，它综合了UASB反应器的优点，属于分阶段多相厌氧生物处理工艺技术。该反应器借助于废水流动和沼气上升的作用，反应器内污泥上下运动，污水在折流板的作用下，水流绕其流动而使其流经的总长度加长，再加上折流板的阻挡及污泥的沉降作用，污泥在水平方向上的流速极其缓慢，生物固体被有效地截留在反应器内［15］。与UASB反应器相比，ABR反应器具有独特的分格式结构及推流式流态，具有运行稳定，操作灵活，工艺简单，投资少，固液分离效果、耐冲击、对毒性物质适应性强，良好的生物固体截留能力等优点。ABR自问世以来就一直备受研究者们的关注，人们从不同角度对其进行研究探讨，如反应器结构的创新［16～17］、水力学特性的优化［18～19］、反应器启动及颗粒污泥的形成［20］、微生物群落分布及生理生态［21～22］研究等方面，从这些研究中可以总结出以下对优化ABR工艺的措施:①减少降流区宽度，使主反应区的升流区内聚集更多的微生物，有利于厌氧污泥停留在上向流中，使每个小单位UASB优势更加突出:水流方向与产气上升方向一致，不仅减少了堵塞的机会，还加强了气体对污泥床的搅拌作用，使微生物与进水基质充分混合，有助于形成颗粒污泥;②增加了折流板角度，有利于进水向上引向流室中心，实现了布水的均匀性，同时还可增大水力搅拌作用;③接种污泥用几种不同来源的厌氧污泥混合而成，采用好氧曝气法启动。ABR反应器虽然有很多优点，但目前国际上关于ABR反应器的研究尚处于试验阶段，实际工程应用方面的研究实例还不多，国内报道的工程应用更少。因此，在ABR反应器实际工程进一步推广之前，需要通过大量中试寻求合适的设计参数，结合机理分析，以便更深入地了解ABR的工艺特性，为生产应用提供可靠的依据。

3好氧生物法

好氧生物法主要有活性污泥法和生物膜法。

1）活性污泥法。活性污泥法就是以活性污泥为主体的生物处理法，其实质是以存在于污水中的有机物为培养基，在有氧的条件下，对各种微生物群体进行混合连续培养，通过凝聚、吸附、氧化分解、沉淀等过程去除有机物的一种方法［23］。李鑫华等［24］研究采用活性污泥法处理甘蔗制糖废水，工程规模日处理量Q=14000m3/d，经过多年的运行，出水符合标准，且该工艺具有操作简单、维护技术要求低、处理效果好、投资及运行费用低等优点。但是，活性污泥法也存在抗冲击负荷能力弱，系统稳定性差，易发生污泥膨胀等问题。序批式活性污泥法简称SBR法，主要构筑物是SBR反应池，在该池中依次完成进水、反应、沉淀、滗水、排泥等过程［25］。该工艺相对于连续式活性污泥法有处理构筑物少、污泥好氧稳定、抗冲击负荷强、氧利用率高、污泥膨胀的概率低、处理效果稳定等优点。该工艺在实际工程中通常与其他工艺联合使用，邯郸市某生物技术中心［26］采用UASB—SBR工艺处理淀粉制糖废水，SBR池的水力停留时间为12h，容积负荷为1.2kgCOD/(m3•d)，运行结果表明，对COD的去除率可达85%以上，对BOD5的去除率达90%以上，对SS的去除率达85%以上，处理出水优于国家二级排放标准，且该工艺处理效果好、技术成熟可靠、运行稳定。但是SBR因其序批操作的运行方式也带来了相应的弊端:①对自动控制设备的依赖性强，但是这些设备的故障率较高;②反应器的利用率偏低;③单元进水是间歇的，在污水厂来水和排水要求连续时需要把系统划分为较多的的单元才能保证整体的连续性，或者是设置较大的进水水量调节池;④间歇运行曝气器容易堵塞。针对SBR的缺点和不同的使用目的出现了很多变形工艺，其中用于制糖废水处理的工艺有循环式活性污泥系统，即CASS工艺。该工艺在运行方式上采用循环进水，反应器分为选择器、缺氧区和主反应区三个区。该工艺完善了活性污泥选择器的设计，并且设计和运行方式灵活，既体现了SBR的流程简单、建筑物少等优点，又克服了SBR的一些缺点。有研究表明，CASS工艺用来处理制糖末端废水具有明显的优势。林传松等［27］的研究表明，用CASS工艺处理制糖末端废水，对系统的CODCr和SS的去除率分别为91.96%和73.77%，同时对营养物有明显去除效果，省略了剩余污泥处理装置，降低了建设费用和运行成本。通过控制工艺运行条件可以优化CASS工艺的处理效果，邓超冰等［28］的实验表明，在曝气时间为2h，曝气量0.375m3/h，污泥浓度4000mg/L左右，沉淀时间60min，排水比1/3的条件下，工艺条件最佳。各因素对COD去除效果影响的主次关系是:曝气量＞排水比＞沉淀时间，故在实际工艺运行管理过程中可优先考虑调节曝气量。CASS运行过程的控制一般由可编程序控制器来进行，主要根据进水量、DO、进水水质(COD、pH等)、出水水质等进行实时控制，自动调整各部件的运行状况以达到最佳的效果及最经济的运转［29］。目前，该技术在国内应用的关键主要是进一步完善工艺设计方法及研究其设计的有关参数，同时提高自动控制装置的可靠性及运行和操作管理人员的素质，使其更加符合国内制糖废水处理的实际情况。

2）生物膜法。生物膜处理法的工艺有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化设备和生物流化床。其中用于制糖废水处理的有内循环好氧生物流化床工艺。该工艺是一种将微生物固定化技术与传统流态化技术相结合的生化处理设备，具有结构简单、传质效率高、负荷高、去除效率高、能耗低、抗冲击负荷能力较强、占地少等优点。田雪莲等［30］利用内循环好氧生物流化床对CODCr和NH3－N质量浓度分别为350～580mg/L和7～12mg/L的甘蔗制糖废水进行处理，结果表明，在进气量为40L/h，水力停留时间为3～4h的条件下，CODCr和NH3－N的平均去除率分别为90.7%和86.5%，出水CODCr和NH3－N稳定在60mg/L和2mg/L以下，表明采用内循环好氧生物流化床处理制糖废水具有良好的效果，为制糖废水的高效处理提供了一种新方法。但是传统生物流化床工艺仍存在不足，主要有以下几点:①流化床的流态化特性十分复杂，给设计造成了困难;②以沉淀原理为基础的三相分离器中，泥水分离靠重力作用，以致分离效率依赖活性污泥沉降性能，而由于沉淀时间短，固液分离效果不理想，出水中SS含量可能很高，影响出水水质;③载体易流失。针对以上传统生物流化床的缺陷，将其与膜分离单元有机结合，可解决传统生物流化床出水悬浮物浓度偏高、载体易流失的问题。

3）生物膜/活性污泥联合工艺。该联合工艺是把活性污泥法与生物膜法相结合的一种污水生物处理技术。它一方面具有生物膜法负荷高的特点，因而减少了构筑物体积，降低了投资;另一方面也具有活性污泥法固液接触充分的特点，有机污染物去除效率高，出水水质稳定良好［31］。郑育毅等人［32］的研究表明，采用联合工艺处理淀粉制糖废水时可使出水水质达到GB/8978－1996的一级标准，同时比单纯的活性污泥或生物膜工艺启动要快、运行也更稳定，且基本不会出现污泥膨胀等问题。

4）好氧工艺存在的问题。好氧处理技术有较多优势，如降解工艺的投资较低，操作条件简单，所以是有机污染废水处理的首选，但是对于像制糖废水这样的含高浓度有机物的情况，好氧处理仍然存在着许多原理和工艺上的限制条件，因而在实际应用上不如厌氧处理普遍，如运行期间的污泥系统的规划与治理，如何较好地防治污泥的膨胀等都成为学者的热门研究问题［33］。

制糖废水处理工艺总结

(1)厌氧处理法中应用较多的是UASB工艺，但该工艺存在不足，如颗粒污泥的培养困难等。针对该工艺的缺陷可以根据实际运行情况对工艺进行改进，如在系统中加入颗粒活性炭，加速颗粒化的形成。(2)厌氧处理法中较为先进的工艺是ABR工艺，该工艺不仅综合了UASB的优点，而且在一定程度上弥补了UASB的缺陷，但ABR反应器尚处于实验研究阶段，需要寻求合适的设计参数以在实际工程中进一步推广。(3)活性污泥处理法中用于制糖废水处理的方法主要有连续式流活性污泥法和SBR法，但这两种工艺仍存在弊端。针对这些弊端，CASS工艺的应用具有明显的优势，但在工艺运行管理过程中，要对运行的参数(如曝气量、排水比、沉淀时间等)进行合理地控制，同时要提高自动控制装置的可靠性及运行和操作管理人员的素质。(4)生物膜法中用于制糖废水处理的工艺主要是生物流化床工艺，对该工艺进行合理的改进，如将其与膜分离单元有机结合，可以弥补该工艺在实际运行中的部分缺陷。(5)各处理工艺各有优缺点，因此，在实际应用中，应采用将多种工艺相结合的组合工艺，充分利用每种工艺的优点，取长补短，协调控制工艺条件，以到达较经济、环保的处理效果。孟庆辉等［36］的研究表明，对甜菜制糖废水采用水解—好氧—化学氧化—混凝沉淀的处理工艺，突出了两类生化处理技术的优势，工程运行费用低，操作方便，且出水水质优于一般单纯生物法。

篇4

关键词：高技术产业 经济学特性 政策选择 发展经济

高技术产业不同于其他的普通行业，其具有独一无二的经济学特征，在成本、生产要素、竞争以及价值链接等方面都有明显体现，除了其经济学特性外，还具有传统产业应具备的特性。对于高技术产业来说，不论是传统产业的性质，还是其独有的经济学特征，都是在发展过程中不断体现的。人才是掌握技术的根源，换言之，人才和技术是推动高技术产业发展的动力。当然，高技术产业与传统产业的区别决定了我们在制定相应高技术产业政策措施时，不能与同产业相提并论，应针对其特有的特质进行科学化的经济学特性制定、选择相关的产政策和措施。

一、高技术产业的经济学特性概述

二十一世纪是全球经济发展的重要时期，也是高技术产业发展迅速的时期，这一时期中计算机信息技术、互联网技术、纳米技术等的产生都为我们的生活带来了极大的便利和利益，全世界正面临着一场新的技术革命和产业结构调整的大趋势。高技术产业主要以技术和人才为发展基础，在我国的经济发展中显示了其越来越重要的不可代替的地位，不仅是对国家生产总值的贡献，更是在一定程度上带动了传统产业的发展和技术改进，正是因为高技术产业，各行各业犹如雨后春笋般的不断涌现。

传统产业在经过长期发展后，主要体现的特性是技术稳定，规模经营。其技术支持具有稳定性，但技术水平仍然较低，经营规模较大，但是起生产模式与管理概念相对落后，资金周转缓慢，产品更新周期过长，企业冗员，各部门科室繁琐复杂，但是传统产业属于劳动密集型产业，在解决劳动力和就业压力方面具有巨大的优势。针对我国目前的经济进行分析，传统产业仍然占主导地位，换句话说，传统产业关系着国家的民生和经济支持。由于传统的管理经营概念根深蒂固，国际上先进的管理经营理念难以深入到传统企业中，即使得到了应用，但效果达不到预期。但就高技术产业来说，在很多方面都优于传统产业，它不仅具有传统产业的有点，还具备了传统产业不具备的经济学特性，那么深入研究高技术产业的经济学特性，有利于高技术产业的发展，并具有理论意义。

（一）高技术产业经济特性体现在成本上

只要是产业，都具有成本，但凡是经营运作状况良好的高技术企业其共同特点就是具有高固定成本和低边际成本。什么是固定成本？就是在高技术产业发展前期所进行的科学研发各项投入，如何才能够保证在投入之后能够有效回收利益，使其不会成为沉没成本，那就需要在日益激烈的市场竞争中将技术作为发展支柱和基础，因此作为高技术企业来说都会话费巨大的自己进行技术开发。什么是边际成本？即是没增加一项成果研发所投入的资金成本较低，但能去的较高的收益。也就是说高技术产品生产成功，重复生产不需要太多成本。例如计算机软件的研发和面世，软件的开发往往都需要耗费大量的资金和人工等成本，但是当此软件成功被研发后，在不断的复制到多张盘上就不需要投入大量的成本，用较低的成本就能够保持高成本不便。正是由于这样问题，很多企业因为高技术产业前期投资巨大，担心后面无法收回成本而放弃高技术产业经营，在某种程度上来说这不仅仅需要将高额自己支付给其他企业进行科研成果的购买，也是降低了本企业自主创新的能力。这样一来，不利于企业更大程度的占有市场份额。

（二）高技术产业经济特性体现在生产要素方面

资金、人员配置和技术等都属于一个企业的生产要素，传统产业的发展主要靠的是降低成本来实现企业的发展，但是高技术产业却与之不同，更多地是依靠人才的力量和技术的更新来实现企业的发展，因此可以说高技术产业的发展基础就是技术和人才，而技术和人才也是建立在知识和智慧的发展之上的。这也为高技术产业的发展提供了源源不断的动力。

如今的社会是能源缺乏的时代，高技术产业发展出来依靠技术和人才之外，万万不能依靠索取资源进行发展，更加不能破坏资源来进行配置外的经济增长。也就是说高技术产业的生产要素是技术、人才、智慧和知识。各高技术企业也制定了五花八门的人才政策来吸引高技术人才的加入，我国若想让经济再上一个高度，就必须注重高技术人才的培养和引进，那么教育就显得尤为重要。在留住本国优秀高技术人才之外，更要能吸引外来的人才为我国的经济发展做出贡献。

（三）高技术产业经济特性体现在竞争上

高技术产业经济特性在竞争方面的体现为对需求方规模经济的表现。高技术产业的产品在当今社会已经出现了虚拟网络化得现象，这是一种巨大的需求覆盖，高技术产品在虚拟的网络中的消费者包括两部分，网络效应决定了需求方规模经济的产生，而需求方规模经济的产生有在一定程度上大力强化了网络的需求效应，这样就能够保证高技术企业的客户雨来越多，那么高技术产业的商品使用价值也会愈来愈大，产品的需求量得到迅速增长，当到达一定的临界容量时，企业就占有了一定的市场份额，这就是一种竞争标准。高技术产业的固定资本巨大，上文提到的高技术企业的边际成本极低，所以说高技术产业是一种集技术和资金为一体的密集型产业，也就是供给方规模经济。

（四）高技术产业经济特性体现在风险上

是投资都会具有风险。高技术产业在进行有机化得道路上可以分成三个阶段，第一个阶段是对基础研究进行开发，第二个阶段是针对产品进行大规模的生产研发；第三个阶段是在产品投放入市场后进行有效的市场运营和良好的售后服务阶段。但是在这三个阶段中，每个阶段都面临着很多不确定因素的影响，就是风险，在不同程度上影响着高技术产业企业的进程是否成功，因此我们风险也要有一定认识。高技术产业本身各方面都具有不确定性，因此要在科学可行的基础之上进行高技术产业发展，同时，高技术产业的市场也是具有很大不确定性的，在这三个阶段里，每个阶段都有着这样或那样的不确定因素和风险，高技术产业的最终目的就是将研究出来的高技术产品顺利投放到市场上得到消费者的认可，取得好的经济效益，因此要注意在投资前对风险的评估以及对市场的预计。

二、高技术产业的政策

高技术产业的政策确定应该根据高技术产业的特性来进行制定，因为其有独特的经济学特征，因此不能与传统产业同日而语，制定合适的政策措施有利于高技术产业的发展，并带动整个国民经济的发展。与世界上的发达国家相比较，我国在高技术产业的各个方面还存有很多弊端，不论是技术上还是管理经营上都具有较大的差距。因此我们在改进的时候不仅要引进国外的先进经验，更要认识到自身的不足，从而“取其精华，去其糟粕”，“用人之长，补已之短”，保证我国高技术产业迅速稳定的发展，为社会主义的经济事业贡献能量。

（一）税收政策

根据上述分析，可以得知的是高技术产业的成本特性具有不确定性，因此高技术产业的发展具有较大的风险性，这就牵扯到一般投资者的前期高额资金投入问题，因此政府在这一方面要给与一部分支持，注入适量的自己，不仅解决了投资者的资金问题，又能带动高技术产业的发展，同时还应该根据高技术产业的生命周期来进行不同的技术自己引导。在税收政策方面，政府要根据地方实际情况进行相应的调整和改革，在增值税方面的改革最好是遵循渐进，稳步转型的原则，因为高技术产业的资本有机成分高，如果增值税不进行调整就相当于对高技术企业进行了重复征税，如此一来加重了企业的资金负担。在所得税方面，我国一直实行的有差别的税收优惠政策，对外来投资的税收优惠程度较大，这就导致了不平等竞争的发生，因此最好的办法是统一企业所得税的缴纳规范。

（二）人力资源政策

高技术产业的发展离不开知识的推动。人才是掌握知识的载体，通过人才才能将知识转化为技术更好地对高技术企业服务。因此政府应该大力提倡发展技术型人才。高技术产业企业应该高度重视技术人才的培养与引进。各国为了发展高技术，争相改进教育科研体制，因此我国政府应该增加对教育产业的投入和科学研究领域的成就奖励。设立专门的科学奖金，对高技术人才给与高额报酬，并能够创造优良的科技研发环境。当然，吸引外来人员为本国的高技术产业服务也是发展高技术产业的有效途径，放宽对高技术人才的移民限制，提供优厚的待遇政策。

（三）制定设和我国国情的战略发展计划

针对我国的基本国情，当务之急是组织领导机构制定适合我国国情的高技术产业发展战略计划，要结合我国的经济、技术、资源等方面，调整或制定一个合理的、科学的、可行的中长期发展计划，并能够有效的将高技术产业发展与国家的战略发展计划进行有机融合，首先在体制和机制上，为高技术产业的发展提供基础。

（四）增加对科研成果开发的投资

从近些年来看，我国对各项科研成果的开发投资呈上升趋势，并保持有一定的增长率，政府在提高对科研成果的资金投入外，更应该制定相应的优惠鼓励措施，激励高技术企业积极踊跃的参加科技研发的队伍当中来，还要针对投资的风险进行评估，建立一套有效的、科学的、合理的风险投资机制，不仅是对高技术产业投资者就能写了利益保护，也是规范投资市场的风险运作，也是变相的推动高技术产业的发展。

政府对于从事高技术研发的单位或组织应提供无常的补贴与资金投入，对于有需要进行信贷业务的高技术企业，政府应适当放宽贷款的限制条件，并能够延长还款时间或降低贷款利息。最重要的一点是要进行知识产权的保护，这也是对自己国家和社会负责。另外要在知识产权方面的法律法规进行规范，加强立法保护，制定中小企业知识产权保护政策，这样也有利于国家与国家质检的国际合作。

（五）兴办高新技术产业园区

政府应该大力发展高新技术产业园，将高新技术企业规划到政府特批的工业院内，能够有效促进科学研发一体化的发展，例如美国的硅谷，我国的中关村，还有日本的筑波科学城等，都是对高技术园区进行有效统一规划的好例子。各类技术工业园的兴起，带动了各地的高技术产业发展。

综上所述，我们很清楚的了解到高技术产业的经济学特性，并根据各个特性提出了一些政策措施，世界上发达国家对高技术产业的特点、传统产业的优缺点进行了充分了解，我国也应该引进国外的先进管理经验以及改革措施，进而更好的发展本国高技术产业。

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