农业废弃物在非耕地设施中的利用现状及应用前景
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。
1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15n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4000万元。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1000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118hm2、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1000万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。
3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1000亿元的规模,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137cs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:
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[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.
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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60co(半衰期t12=5.26a,能量er=1.17,
1.33mev)和137cs(半衰期t12=30a,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180~280nm。波长为200、310nm的紫外线具有很高杀菌效力,而波长260nm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
环境工程
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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20000~
30000℃,火炬边缘温度也可达到3000℃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-
2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3×105m3h,辐照剂量3kgy,去除80%的so2和20%的no2;副产品(肥料)产量为2470kgh。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3.3kgy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10kgy[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
8亿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1000t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5000kjkg。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
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environmentalengineeringvol.26,no.6,december,2008