DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 4. 解决问题 电机带动主传动轴旋转，然后主传动轴在带动主驱动轮运转，主驱动轮安装在索道机头的横梁上再带动从动轮运转这就是架空乘人装置的工作原理，另外在索道机的尾梁上安装上从动轮进行驱动运行，有些架空乘人装置运行周期比较长，耗电量大，超负荷运行情况时有发生(由于运行过程中无法控制承载器之间的距离而导致超载)，承受最大载荷的部件是架空乘人装置的主传动轴。同时它还受到径向拉力、大扭矩、冲击性载荷等因素的影响，严重影响了其使用寿命，因此必须高度重视架空乘人装置的使用安全，确保矿井能够安全有序地发展 [ 10 ]。 4.1. 矿井概况 老石旦煤矿井田开拓方式是斜井和立井混合开拓方式。该矿目前主要开采北三采区的16 # 煤层。16 # 煤层有一个综放工作面。矿井采用中央分列式通风。矿井里有三个井筒。主井、缓坡斜井进入空气，回风立井回风。矿井主运输系统井筒中采用了大倾角皮带运输，井下运输巷道中采用了皮带运输来运输煤炭。辅助运输系统采用了架空乘人装置进行运输人员，运用电机车运输物料和设备。老石旦煤矿井井下第二部架空乘人装置上运用了新型断轴保护装置。 4.2. 工作原理 架空乘人装置防断轴保护的工作原理及技术方案：图1为新型架空乘人装置的防断轴保护装置。这种防断轴保护装置可以用8寸铁管及14 # 槽钢制作，其结构含有一块400 × 400 × 20 mm的钢板9和一块600 × 400 × 20 mm的钢板10组成。8寸铁管1底端焊接一块400 × 400 × 20 mm的钢板并用4根Ф18 × 1600 mm长的地锚与水泥平台进行固定。8寸铁管1顶端焊接一块400 × 400 × 20 mm的钢板并用12条M16 × 80 mm螺栓与框架3进行固定连接(框架3底座为600 × 400 × 20 mm的钢板)，这种连接方式便于安装和运输。架空乘人装置的防断轴保护装置包括1、支撑架、2、撑杆、3、框架、4、下横梁、5、后纵梁、6、上梁、4、5、6固定形成一个矩形固定架，驱动轮7位于固定框架内，断轴保护安装在主驱动轮中心下方略靠前的位置，固定架上有两套防脱夹片(即5)限位，当主驱动轮断裂时，驱动轮会掉落在固定框架内并由防脱夹有限，架空乘人装置不会因驱动轴断裂而脱落造成人员意外事故的发生，从而起到断轴保护装置的作用。 该新型断轴保护装置安装应用和注意事项： 1) 安装该新型断轴保护装置前工作人员必须进行培训，学习其工作原理。 2) 安装该新型断轴保护装置前施工负责人必须现场指挥协调各项工作，确保安全施工。 3) 安装该新型断轴保护装置前现场施工负责人必须认真检查发现隐患必须及时处理，确保不出现顶板和瓦斯事故。 4) 安装该新型断轴保护装置时运输队必须安排队领导现场统一协调指挥，防止搬运物料时发生伤人事故。 5) 安装该新型断轴保护装置时各个连接部件必须拧紧背牢。 6) 应当定期安排专人检查新型断轴保护装置，确保连接部件牢固可靠。 图1. 一种新型断轴保护装置示意图 这种新型防断轴保护装置的优点和特征如下： 1) 在主驱动轮和从动轮中心点下方稍靠前的位置安装新型架空乘人装置的防断轴保护(主驱动轮和从动轮在受力方向前方)，架空乘人装置运行时间长、超载。当主传动轴和从动轴断裂时，主驱动轮和从动轮脱落并固定在断轴保护装置的框架内。因此，当主动轴和从动轴从源头上断裂时，可以防止人跌倒，确保了人身安全。 2) 该新型断轴保护装置不仅大大提高了人员运输的可靠性，而且很大程度上减小了现场人员的巡查次数。 3) 从设计、选材、工程实践等方面考虑，研制出一种性能优越、灵敏可靠、结构紧凑，便于使用的装置，大大降低了生产运营成本，提高了人员的安全系数。
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user: 5. 结语 该新型防断轴保护装置在老石旦煤矿第二部架空乘人装置使用两年以来没有发生过一起伤人事故，同时具有安全、高效、成本低廉、拆装灵活等特点。 1) 从设计和选材上，选材、工程实践等方面考虑，研制出一种性能优越、灵敏可靠、结构紧凑、拆装方便、便于井下运输的断轴保护装置。 2) 架空乘人装置驱动轮防坠装置安装后，符合2016年新版《煤矿安全规程》关于架空乘人装置“应有断轴保护措施”的要求。 3) 该新型架空乘人装置防断轴保护使用范围广，尤其适用于煤矿平巷、斜巷的人员运输，推广后具有较好的社会价值和经济价值。 4) 一套架空乘人装置的断轴保护需要资金约5万元，老石旦煤矿共有3部架空乘人装置，其自行设计生产的成本每套500元左右，共计节约资金135，000万。
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user: 摘要 长期暴露于高压环境下将影响大脑中具有调控情绪、行为表现的单胺类神经传导物质如多巴胺和血清素的浓度。精神益生菌被认为可在肠道中刺激神经传导物质的产生，再经由脑肠轴线的途径而对心理或行为方面产生正面有益的帮助，因此可利用身心压力的方式诱导类忧郁发生的模式来进行精神益生菌的筛选作业。在实验中，选用了ICR小鼠进行益生菌喂食两周后执行两周禁锢之测试，区分为禁锢组(RS)与乳酸菌补充之组别。比较每日管喂1.0 × 10 9 CFU乳酸菌株对禁锢鼠产生的影响。实验结束后牺牲小鼠，检测脑部中多巴胺与血清素的浓度，发现摄取GKF3四周后的小鼠脑中多巴胺与血清素显着的增加(p < 0.05)。这个结果表明了，发酵乳杆菌GKF3具有精神益生菌的特质，可应用在预防多巴胺或血清素低落所导致忧郁的脑部疾病预防方面具有的应用潜力。
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user: 1. 引言 益生菌(probiotics)在全球由成千上萬的科研团队研究下，接二连三地被发现、被开发、被验证其机能性并广受肯定。至今，最新的研究进一步显示益生菌对于脑部调控具有密切的关连性，其由Logan及katzman在2005年首次提出了益生菌可能与忧郁症具有关联性的论述 [ 1 ]。后来在Barrett进一步的提出了具有改善短链脂肪酸浓度而减缓精神相关压力所引起的肠胃道敏感性腹泻的潜力 [ 2 ] 重此开启了益生菌用于脑部代谢相关研究的新蓝海。 综合多年研究的积累，于2013年Timothy G. Dinan [ 3 ] 提出了精神益生菌(Psychobiotics)的定义，被认为精神益生菌是一种新机能性益生菌，具有产生或影响具有神经传导活性之功能，透过这些物质能影响肠–脑之间的双向沟通，不再是单向传递讯息。因双向沟通而经由肠道影响脑部活性，进而产生类似抗忧郁或焦虑的机能性。 菌–脑–肠轴线是现在精神益生菌研究的理论基础，目前肠道菌数量比人体细胞总数多了一倍，但肠道菌调控基因总数比人体增多了150倍以上！是个非常复杂与难解的微生物菌相生态圈。随着神经科学的研究，更发现肠道周遭除了免疫细胞之肠道免疫外，更是含有充沛与复杂的神经系统，超过一亿个以上神经细胞，散布在肠道周遭。因此在1999年，Michael [ 4 ] 即提出了第二大脑的概念，认为肠道因具有大量神经细胞，因此具有独自思考、感觉、学习及记忆的功能性。近年来，更因肠道中富含的菌相及基因产生了，各种神经传导物质因此可反馈影响大脑的活性，因此菌–肠–脑轴线的概念就此产生 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]。 在菌肠脑轴线中，负责联系沟通的物质即是神经活性船讨物质，具有神经传导活性的物质被定义为：1) 于神经元内被制造出来；2) 该神经活性物质在神经元内储存；3) 可被刺激而释放，进行神经细胞间的讯息传递；4) 具有回收机制或在体内可被分解而改变活性；5) 可被人工调节，产生之生物效应影响神经细胞活性。 目前跟肠道有关的神经活性物质大致可分为三大类： 1) 单胺类(monoamine)：如多巴胺(dopamine、DA)、血清素(Serotonin、5-HT)、正肾上腺素(noradrenaline、NA)、肾上腺素(epinephrine)、及退黑激素(melatonin)。 2) 胺基酸类：如胺基丁酸(γ-aminobutyric acid、GABA)、麸胺酸(glutamate)、丝胺酸(serine)及天门冬胺酸(aspartate)。 3) 其他类如：乙酰胆碱(acetlycholine)、一氧化氮(nitric oxide)及组织胺(histamine)等等。 神经传导物质过多或过少都可能产生失调现象，最常见的神经传导物质中，以血清素、多巴胺及正肾上腺素为代表： 1) 血清素：使人产生满足感的重要贺尔蒙，浓度不足时，容易产生焦虑或情绪低落等等的行为表现。 2) 多巴胺：为脑部维持活动力的关键贺尔蒙，使人散发热情与活动力，浓度低时，容易产生丧志等特性，浓度高时却又容易较为亢奋甚至癫痫等副作用。 3) 正肾上腺素：具有振奋人心的关键贺尔蒙，通常处于高压紧张状态下容易提升正肾上腺素浓度，但久易导致中枢神经或心血管相关病变。 肠道表面树突中的神经细胞与肠道细胞存在着交互作用关系，受到肠内菌相引起的免疫系统调控 [ 9 ]，能防止细菌在肠道引起发炎或感染等等相关疾病。另一方面指出，树突细胞受到肠道细胞所调控之免疫系统细胞激素所影响 [ 10 ]，能够通过细胞激素调节肠道神经，分泌上述多种神经传导物质。 因此推论益生菌透过脑–肠–调控之可能性为：1) 益生菌分泌相关神经传导物质或脑源性滋养因子；2) 调控肠道附近神经；3) 保护肠道黏膜完整性，降低肠漏现象；4) 调控肠道黏膜免疫系统。 从脑部开始调控改变肠道菌项之可能性为：1) 影响肠道黏膜细胞活性；2) 调控肠道蠕动；3) 影响肠道通道性；4) 调控免疫系统。 目前研究推论为的关键在于迷走神经(vagus nerve)，其负责联系菌–肠–脑轴线之反应，主要原因是迷走神经具有大脑与肠道双向沟通之特性，在肠道中更可受到肠内菌之内毒素、肿瘤坏死因子-α及IL-1β等等细胞激素之影响，这些关键性细胞激素，在肠道中具有调控发炎或抑制发炎等等的相关机能性，因而经由迷走神经反向联系脑部，进而改变ENS-CNS双向神经讯息 [ 11 ]。 因此可进一步的运用动物实验模式，给予刺激伤害后，诱导实验鼠产生类忧郁或类焦躁行为，改变神经系统中的神经传导物质浓度改变而产生动物行为上的偏差，藉此由精神益生菌的介入或预防，进行实验鼠的治疗或改善特性分析，以用来开发效果更显着之精神益生菌。
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user: 2. 材料与方法 2.1. 实验菌株 经体外细胞实验与动物实验筛选具有降低发炎因子之菌株，可调控发炎相关细胞激素之益生菌进行下列实验。 1) 植物乳杆菌GKM3：自传统发酵泡菜分离筛选获得，经16SrRNA鉴定为发酵乳杆菌并寄存于中国普通微生物菌种保藏管理中心，菌种编号：CGMCC NO.14565。 2) 罗伊氏乳杆菌GKR1：自婴儿粪便检体中分离筛选获得，经16SrRNA鉴定为发酵乳杆菌并寄存于中国普通微生物菌种保藏管理中心，菌种编号：CGMCC NO.15201。 3) 发酵乳杆菌GKF3：自传统发酵泡菜分离筛选获得，经16SrRNA鉴定为发酵乳杆菌并寄存于中国普通微生物菌种保藏管理中心，菌种编号：CGMCC NO.15203。 4) 市售品分离植物乳杆菌PS株：市售多国专利具有神经调节机能性之益生菌株，经16SrRNA鉴定确认为植物乳杆菌，以进行对照组设定使用。 2.2. 益生菌冻干粉末制备 实验所用从−80℃冷冻库中取出保存管，经37℃水浴退冰后，在无菌操作台中，菌液经四分画线分离于MRS agar平板后反置，经过37℃ 40~48小时培养后，挑取单一菌落于各别培养于1 L MRS培养基中，经 37℃、16小时静置培养后，以5000 RPM、25℃、离心10分钟取得菌泥，混入菌泥重量相当之20%脱脂乳粉水溶液后冷冻干燥而得。冷冻干燥研磨过筛20目之粉末，调整菌数为1 × 1011 cfu/g保存于−20℃备用。 2.3. 试验动物与饲养 本次试验遵守动物伦理委员会3R规范，以八周大SPF 级 ICR小白鼠进行试验，体重介于20~25 g之雄性小白鼠经一周稳定其后进行六周的实验饲养。动物房温度控制在23℃ ± 2℃，湿度控制在60%~80%，光照与黑暗各十二小时(07:00~19:00为光照期；19:00~07:00为黑暗期)。 2.4. 样品分析试剂 1) 血清素(5-HT) ELISA 套组：BioVision， Inc. Milpitas， CA。 2) 多巴胺(DA) ELISA 套组：BioVision， Inc. Milpitas， CA。 2.5. 实验流程 ICR小鼠经过7天适应期之后随机分为五组，造症组每日喂食0.85%食盐水100 μL/mice，其余四组每组分别喂食不同乳酸菌样品，乳酸菌喂食剂量为1.0 × 10 9 cfu/mice，连续14天。经过14天喂食后开始，开始进行类忧郁模式造症。每只小鼠禁锢于30 mm × 100 mm之小鼠抽血固定器中，每天禁锢2小时并每日喂食试验物。连续禁锢14天后牺牲，随即取出脑部组织，并以液态氮冻结后研磨均质化，所得之脑部组织保存于−80℃冰箱中，再以商业套组ELISA进行脑部组织中，多巴胺(DA)与血清素(5-HT)含量分析。 2.6. 统计分析 统计分析实验数据使用SPSS计算机统计软件进行分析。变异数分析则以PROC ANOVA与Duncan’s multiple range test进行分析，p < 0.05为具有显着性差异。
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user: 3. 结果 3.1. 多巴胺含量分析 经过类忧郁症试验后可以发现三株乳酸菌对于小鼠脑内多巴胺浓度具有不同程度的调控性，如图1所示。每日喂食GKF3发酵乳杆菌之小鼠脑内具有最高浓度的多巴胺，证明在禁锢试验中，GKF3发酵乳杆菌可以有效地的刺激性脑内多巴胺分泌，维持多巴胺浓度，对于外在因素破坏脑内多巴胺浓度具有最佳保护性，其多巴胺浓度达到统计上的差异，与造症组相比提高了27%，效果显着。其次佳者为GKR1罗伊氏杆菌，GKR1益生菌株在本次试验中，具有提升多巴胺15%之结果且达统计差异(P < 0.05)略差于GKF3株。在先前试验中，具有消炎能力极佳之GKM3植物乳杆菌株则无显着差异，但是市售调节脑常轴线之植物乳杆菌PS株，在本试验中也被证实具有提升脑内多巴胺的能力，效果与GKF3相当，两者间无显着差异，证实乳酸菌对于脑内多巴胺调控具有显着的差异性且其中存在着菌株的差别，不同株之间植物乳杆菌同时存在着菌株间的差异。 图1. 乳酸菌株用于预防类忧郁症老鼠试验中，小鼠脑内多巴胺浓度分析 3.2. 血清素浓度分析 在血清素分析的方面发现，GKF3发酵乳杆菌组具有最高的血清素浓度，经图2的结果可发现，浓度可达21 ng/mg，较造症组11 ng增加了90%，具有十分显着的提高，并达到统计上的差异性(P < 0.01)。再次高组中，可发现GKR1及PS株同样具有显着的血清素刺激性，可以刺激血清素浓度达到13 ng/mg，对比造症组18%的增加。但是GKM3植物乳杆菌则无差异。 图2. 乳酸菌株用于预防类忧郁症老鼠试验中，小鼠脑内血清素浓度分析
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user: 4. 讨论 根据世界卫生组织评估，忧郁症将成为全球导致人类失能疾病的第二位。当全球化的影响，社会环境变迁加速，人们面临工作压力或是生活上家庭上的变故，将更易产生忧郁的情绪，如同遭禁锢的老鼠般，易因为内分泌或细胞激素受到压力影响而导致罹患忧郁症的风险增加。此现象的发生被认为与脑内神经传导物质浓度愈有密切关连性。具有神经传导活性物质主要可在神经系统中被传递、储存或代谢而进行神经细胞间的讯息传递与维护正常机能。目前医学上针对忧郁症患者药物治疗的角度往往锁定于补充神经传导物质、抑制神经传导物质被代谢或较不易被代谢且具有相同活性知之结构物，以达到提高神经传导方面的活性。但这些方法往往效果较为不佳，也因此迫切地寻找是否更安全且有效的方法来进行脑部神经传讨方面异常之改善方式。 脑内具有神经传讨因子之活性物质可分为三类：1) 单胺类：如多巴胺、血清素、正肾上腺素等；2) 胺基酸类：胺基丁酸、麸胺酸、丝胺酸等等；3) 其他类如：乙酰胆碱、一氧化氮及组织胺等等。脑内神经传导物质若以摄取的方式补充，绝大多数因无法通过大脑屏障而无法呈现活性，因此往往导致口服或静脉注射无效。因此藉由给予刺激物的方式，提高自体神经传导活性物质浓度，是目前认为效益较佳的方式。 精神益生菌被认为可以有效提升单胺类神经传导物质，因此在本实验中，我们锁定多巴胺与血清素作为评估的依据，在图1脑内多巴胺及图2血清素浓度的结果显示了，禁锢所产生的类忧郁诱导行为，对实验鼠脑内与忧郁症密切相关的神经传导物产生实质且显著的调降，而这些忧郁的现象，可藉由精神益生菌的补充，而得到了缓解改善，证实了来自肠道的回馈控制讯号——也就是脑肠轴线的调控 [ 12 ] [ 13 ]，随着科学对肠道的了解，许多单胺类神经传导物质可由肠道中所合成 [ 14 ]，合成后的神经传导物质藉由肠道周遭的迷走神经负责联系脑部，因此过度活耀的肠道或脑部，都将互相影响。最典型的脑部压力影响肠胃道的案例即是紧张、压力所引起的肠躁症 [ 15 ]。在这次的实验中，我们假设环境因素引起肠炎而导致脑部贺尔蒙的变化，故挑选具抗发炎机能性之菌株，经由禁锢的方式，使的小鼠产生类忧郁症。在实验中可以发现摄取GKF3发酵乳杆菌具有显着提升单胺类神经传导物质血清素及多巴胺的效果，在多巴胺的浓度方面与据有神经调节之菌株PS株效果类似，但是在血清素方面，则GKF3及PS株具有显着的差异，这个结果告诉了我们多巴胺与血清素之间，并无绝对正相关的关系，两者菌株之间GKF3针对血清素的刺激性更佳。若以多巴胺为考虑，则两者无差异，但是若希望以血清素为指标的提升，GKF3株将优于PS株。植物乳杆菌GKM3在血清素测试中几乎无异于造症组，证实了刺激脑部贺尔蒙变化的脑肠轴线与免疫系统调节路径具有差异，提升脑中或肠道中血清素有助于体内发炎的调控，但是发炎反应的调节与血清素的调控无绝对相关 [ 16 ]。精神益生菌的筛选与开发工作将随着文明的发展、社会的进步而更显重要，如何进一步筛选找寻具有更佳脑部神经活性调节之机能性。在初步成功筛选具有大幅度提升脑内单胺类之后，下一步将持续重复筛选及进行忧郁症行为模式改善评估与下一阶段的临床人体试验评估，期待能找寻显着且有效的脑部益生菌。
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user: 摘要 人工湿地–微生物燃料电池系统(CW-MFC)是将微生物燃料电池(MFC)与人工湿地(CW)耦合的一种新兴强化污水处理技术。随着研究的深入，焦点逐渐从CW-MFC产电、有机物的去除等转到了强化脱氮。在实体模型中，氨氮( N H 4 + - N )在开路系统中的去除率为57.6 ± 1.45%，闭路系统中为67.6 ± 4.74%。在此基础上开创性地借助Hydrus湿地模块建立了CW-MFC脱氮过程的数值模拟模型，以人工湿地模型为基础，构建水流运动及生化反应模型，并通过调整模型参数来拟合闭路耦合系统的强化脱氮效果，并取得了良好的仿真结果。基于模型预测结果，可通过采用单侧进水、双侧出水的方式来改善系统水流均一性问题。另外，可适当增加电极厚度以富集更多微生物，有利于提高电极的强化作用，进而提升系统的脱氮性能。实验数据与数值模拟手段的结合，有助于预测复杂耦合系统的脱氮效果，为系统设计的量化、工艺的优化、规模的放大化提供理论支撑和参考依据。
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user: 1. 引言 人工湿地(CW)是一种发展于自然或半自然湿地系统的污水净化技术 [ 1 ]。人工湿地建设运营简单、维护管理廉价、污染物去除效果稳定，可用于多种污水及雨水的净化处理。微生物燃料电池(MFC)是以微生物为催化剂将底物中的化学能转化为电能的清洁能源生产单元 [ 2 ]，降解污染物。人工湿地的底部是厌氧的而表层是好氧的，这种自然形成的氧化还原环境正好可以满足微生物燃料电池所需的阳极区厌氧和阴极区好氧的要求 [ 3 ]，这样为二者的结合创造了条件，共同促进污染物降解作用。 长期以来，人工湿地被视为“黑箱模式”，其中一系列交互的物理、化学、生物作用让湿地机理研究变得复杂 [ 4 ]。应用模型方法来描述水流运动、溶质运移以及污染物降解是理解湿地功能的一个很好手段。与此同时，微生物燃料电池与人工湿地有着共同点，即反应复杂且受到微生物影响较大。微生物燃料电池涉及大量的生物电化学耦合反应，这使其具有较强的非线性特性特征和显著的滞后特性，难以直接控制和优化其产电过程。因此，应用数学模型以了解整个系统的主要影响因素 [ 5 ]，并理解限制系统的主要瓶颈，是提升微生物燃料电池性能的有效途径，也是微生物燃料电池成功实施的关键。 在过去的二十多年里，大量文献报道了人工湿地中物理–化学–生物过程的建模工作，采用黑箱法将一些基本假设计算用作模拟生活污水的处理，其以一级速率方程为基础，运用神经网络等理论，校正进出水的污染物浓度 [ 6 ]。随后机理模型出现，同时考虑人工湿地系统中的流体动力学和生物降解过程，用于工业废水、地表径流等多种来源污水处理模拟 [ 7 ]。基于此，大量饱和/不饱和、垂直/水平、表面/潜流的人工湿地得以成功建设 [ 8 ]。Pálfy等 [ 9 ] 应用CW2D来模拟SBR反应器的出水，以提升其处理效果。Morvannou等 [ 10 ] 用CW2D模拟了法式垂直流湿地，他们通过了两周的数据采集，着重模拟了氨氮的去除。Pálfy等 [ 11 ] 模拟了饱和序批式系统，涉及了水流、传热等过程，通过调整参数及利用实测数据校正，验证了CWM1模型的可行性。Rizzo等 [ 12 ] 利用CWM1探讨了不稳定负荷下的生化过程(包括氨氮及COD的去除)，并利用实测数据的均值，对模拟数据进行了定量的分析。因此，将实验数据与数值模拟手段结合可建立CW-MFC模型，为系统设计的量化、工艺的优化、规模的放大化提供理论支撑和参考依据，实现在强化人工湿地污水处理过程中回收电能，为清洁能源生产和环境污染防治提供新思路、新方法、新实践。
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user: 2. 材料与方法 2.1. 实体模型的构建 人工湿地–微生物燃料电池系统(CW-MFC)是在人工湿地中加入微生物燃料电池的电极，构成耦合装置。耦合系统示意图见图1。 图1. CW-MFC耦合系统示意图 装置的框架为圆柱筒体(φ = 30 cm，h = 60 cm，d = 0.5 cm)，材质为聚甲基丙烯酸甲酯。耦合系统对应的内部分区见表1，微生物燃料电池电极材料为炭纤维毡(φ = 25 cm，d = 30 cm)，电极间距为30 cm，以耐腐蚀、抗氧化的金属材料钛丝(φ = 1 mm，纯度为99.99%)穿入碳毡内部作为电子导体。阴阳极之间以铜质导线连接阻值为1000 Ω (±5 Ω)的定值电阻，在电阻两段并联数字信号采集器，可根据需要按照不同时间间隔自动采集外电阻两端的电压。人工湿地的基质为陶粒，粒径3~8 mm。选用污染物去除效果好、生命力旺盛的美人蕉作为湿地植物，每个装置栽种3棵，均匀分布在碳毡与筒壁的缝隙之间。以蠕动泵从配水槽中抽取人工配制的模拟污水从装置底部连续注入系统(水力负荷为100 mm/d)，装置顶端的出水用橡胶管导入至废水收集装置中。 Table 1 The internal partition of CW-MFC plo 区域 底层区 阳极区 中间区 阴极区 位置及高度 0~10 cm 10~20 cm (阳极：10 cm) 20~40 cm 40~45 cm (阴极：45 cm) 表1. 耦合系统对应内部分区 注：装置底部为0 cm处。 2.2. 分析模型的建立 利用Hydrus 2.05软件，采用Richards方程作为水流控制方程，根据系统实际的构造、尺寸及基质参数(空隙率、饱和渗透系数等)，设置域特性、有限元网格、边界条件及初始值，完成CW-MFC耦合系统的水力模型构建(见表2)。在此基础上，利用软件内置CWM1及CW2D湿地模型，代入进水污染物实际浓度及水质参数值进行计算，模拟生化反应过程。比对模拟值和实测值的差异并进行参数调整至拟合良好，完成耦合系统脱氮过程模拟。 Table 2 The modeling description of CW-MFC plo 系统情况 描述 几何域 2D-XZ方向 长度单位 厘米(cm) 定义范围 29 × 45矩形 时间单位 小时(h) 基质种类 2种(陶粒和碳毡) 离散化设置 X方向14；Y方向35 有限元网格数980 系统运行条件 连续上行流(取HLR = 100 mm/d的水力条件) 模拟内容 水力传输及 NH 4 + 去除情况 表2. 耦合系统建模描述 2.2.1. 水力模型的建立 水力传导是模型的基础，在精准的水力模型基础上，才能建立溶质运移、生化反应的平衡。根据系统实际的水力停留时间，取50 h的模拟时长，建立水力平衡状态。设置模拟时间、迭代参数等相关信息(见表3)。 表3. 水力模型时间设置 选取van Genuchten-Mualem平衡方程作为水力模型的控制方程 [ 9 ]，表达式如下： θ ( h ) = θ r + θ s − θ r [ 1 + | α ⋅ h | n ] m     ( h < 0 ) θ ( h ) = θ s     ( h ≥ 0 ) K ( h ) = K s ⋅ S e l ⋅ [ 1 − ( 1 − S e 1 m ) m ] 2 S e = θ − θ r θ s − θ r 式中： θ 为含水量； θ ( h ) 为体积含水率； θ ( r ) 为固定含水量； θ s 为饱和含水量； K ( h ) 为不饱和水力传导函数； K s 为饱和水力传导系数；l为空隙连通参数，α、n为经验参数； m = 1 − 1 / n ，h为水头； S e 为有效水含量。 按照van Genuchten-Mualem方程的基本原理，在HYDRUS软件中设置运算所需的初始条件、边界条件，代入运算(见表4)。 Table 4 The operation table of hydraulic mode 要素 设置 平衡方差 van Genuchten-Mualem 1) 饱和渗透系数 材料特性 陶粒：3508.02 cm/h，碳毡：495.50 cm/h 2) 孔隙率 陶粒：0.0413，碳毡：0.958 初始条件 Pressure head (水头平衡) 边界条件 进水：时变边界条件记录 出水恒定水头 表4. 水力模型运算表 2.2.2. 溶质运移与生化反应模型建立 系统的生化反应是建立在溶质运移(彼此运输、接触、碰撞等)的基础之上的。考虑到垂直上行流人工湿地的特点，选取CWM1湿地模块来建立湿地生化反应模型 [ 13 ]。各物质的迁移转化以如下方程为基础： d S k k d t = α ⋅ [ ( 1 − f ) ⋅ k s ， k ⋅ c k β k 1 + η k ⋅ c k β k − S k k ] 方程当中， S k k 为假定时变吸附浓度， c k 为液相浓度，α为一级交换速率系数，当 η k = 0 时 k s ， k 和 β k 为吸附等温系数，f为假定溶液相平衡时的交换位点比例(在湿地模型当中设置为0)。 生化模型以水力模型为基础，因此以1.2.2中的水力平衡终态为生化模型的初值。考虑到生化反应的规律和系统的稳定性，将迭代运算的最大步长缩小以提高运算精准度，并延长模拟时长至5 d (120 h)，直至系统内各组分平衡且稳定(主要是 NH 4 + -N 不再发生明显变化)。通过调整模型内相关参数 [ 11 ] [ 14 ]，至拟合良好，详见表5。 Table 5 The operation table of hydraulic mode 要素 设置 模拟过程 Water flow and Solute transport 初始条件 水力平衡结果(1.2.1) 模拟时长 120 h 迭代参数 最大步长0.01 h 生化模型 CWM1湿地模块 主要参数 水解速率常数：0.00625 h −1 自养菌最大增长速率：0.0417 h −1 氧利用饱和系数：1 mg O 2 /L 氨利用饱和系数：0.5 mg N/L 表5. 水力模型运算表 2.3. 实验条件 实验在同济大学南校区玻璃房内进行，光照充沛。实验用水为模拟初沉池生活污水，运行期间水温25℃~30℃，进水水质COD浓度为120 mg/L、氨氮( NH 4 + -N )浓度为35 mg/L。 2.4. 水质分析与数据分析 从2019年10月~2019年11月，对CW-MFC耦合系统的进水及沿程出水进行连续采样。 NH 4 + -N 采用连续流动–水杨酸分光光度法测定(HJ665-2013， SEAL-AA3， GER) [ 15 ]。实验数据采用OriginPro 2017进行分析。
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user: 3. 结果与讨论 3.1. 实体模型的氨氮去除结果 开、闭路系统对 NH 4 + -N 的去除率分别为57.6 ± 1.45%与67.6 ± 4.74%。由图2可知，底层区对 NH 4 + -N 去除(40%)有较大贡献，这可能是进水中溶解氧浓度较高，在底部大量消耗 [ 16 ]， NH 4 + -N 得以氧化，因此底层区取得了较好的去除效果。进入阳极区后，开路系统 NH 4 + -N 浓度变化不大，闭路系统则有所下降。电极所在的位置(15 cm)由于碳毡材料较为致密，对 NH 4 + -N 的吸附较强，而开路系统中阳极产生的电子无法沿闭合回路导出，可能会导致 NH 4 + -N 浓度变化不大。而在闭路系统中，由于电子传输速度提升使电极附近附着了种类丰富的微生物(如假单胞菌属、地杆菌属) [ 17 ]。Wang等指出，阳极附近富集了大量电化学活性菌，其中弧菌属对于氨的氧化作用(将氨氧化为亚硝酸盐)具有重要作用 [ 18 ]，这可能是阳极区 NH 4 + -N 下降的重要原因。在中间区， NH 4 + -N 下降不明显，尤其是在20~30 cm的位置，这可能是由于这一段处在好氧与厌氧交替位置的缘故。Oon等 [ 19 ] 也报道了类似的现象，位于阳极与阴极之间的中间区域，系统的氧化还原电位处于好氧(>100 mV)与厌氧(<−100 mV)之间。而进入到阴极区后，由于空气的复氧作用、植物根系的泌氧作用以及植物根系的吸附吸收作用使得 NH 4 + -N 有较多的去除。相比于开路系统，闭路系统 NH 4 + -N 下降趋势更大，这说明电路的作用使得生物阴极发挥了更好的脱氮作用，这在先前的研究中已经阐明 [ 20 ]。 图2. 耦合系统 NH 4 + -N 沿程变化图 3.2. 数值模拟解析 由图3，系统在进水口(左下)和出水口(右上)位置，水流速度较大；而在左上角和右下角位置，流速明显很小。水流流经阴极阳极碳毡位置时，流速变缓，而相应地在电极两侧流速增大。在其余位置，水流速度基本恒定。 图3. 系统水力传导模拟情况 在进水口和出水口，水流分别受到蠕动泵动力和自由出流重力的影响，流速很大。而在远离进出水口的其他沿壁区域，由于器壁限制和流动形式的影响，则各产生一个流动性很差的死水区，这对于整个系统的生化反应是不利的，相当于削弱了系统的处理能力并且使其内部传质受限、扩散不均 [ 4 ]。另外，由于碳毡电极水力传导系数较小，流体流速则变缓，这有利于污水充分接触电极表面的生物膜，促进其对污染物的去除作用。 将系统内各层的NH 4 + -N浓度的模型模拟值与实测值对比(图4)，就总体而言， NH 4 + -N 浓度的拟合度良好(R² = 0.966)。在10 cm、15 cm、20 cm高度处，模拟值高于实测平均值。而在30 cm、40 cm、45 cm各层模拟值略低于实测平均值。从最终出水的 NH 4 + -N 浓度来看，实测值为12.7 ± 1.44 mg/L，而模拟值为12.5 mg/L，其结果表明CW-MFC模型拟合效果良好。 图4. 系统 NH 4 + -N 浓度模拟对照图 对于拟合值和实测值之间的差异，主要可以归结为以下几点原因：一方面如水力分析当中提到的，存在一些死水区及流速大的区域 [ 21 ]，系统内各处流速不均，这对系统的影响是不能忽略的 [ 6 ]。因此各点位生化反应的溶质平衡结果也不均匀，模拟结果需取各点的平均值，这给模拟值带来了一定的误差。另一方面，在采样过程中，靠下端的采样点受到水压的影响较大，导致其出水流速较大，对其周围的水层存在一定扰动。此外，所选取的建模平面是圆筒直径矩形面，是情况最为简单、最理想化的一个反应面，而实际情况中圆筒反应器其他弦截面并不均一，情况更为复杂。想要建立更加全面完整的反应模型，则需要更加完善的建模思路和更高的计算能力。 3.3. 系统优化分析 3.3.1. 改善水力传导条件 系统脱氮是溶质运移和生化反应作用的结果，而溶质运移则是生化反应的基础。尤其是在连续流系统中，良好的水力传导条件对于溶质运移尤为重要。考虑到实验所采用的系统中水流不均匀的区域较大(图5(a))，现改变进水或出水方式，并重新进行模拟，分别得到图5中图5(b)、图5(c)、图5(d)的结果。 其中图5(b)为进水方式不变，改为从左上角位置出水；图5(c)为进水方式不变，改为左上、右上双侧出水；图5(d)为左下、右下双侧进水(流量减半)，且左上、右上双侧出水。由图可见图5(d)方式水流均一性最好，死水区和流速过大区面积明显减小，其次是图5(c)方式，而图5(b)方式死水区和流速过大区面积均增大且分化严重，水流更加不均。 图5. 不同进水方式下系统水力传导模拟图 因此，图5(d)方式水力条件最佳。但由于增加进水点位，将导致机械设备增加(进水泵等)。考虑到成本问题，图5(c)方式较为可取，即底端单侧进水、顶端双侧出水，有利于水流均一化。 3.3.2. 优化系统微生物 NH 4 + -N 的去除主要依赖于氨氧化细菌的生化活动，这些微生物主要是自养菌。取采样位置所在的不同层级的自养微生物平衡结果，如图6所示。模型模拟结果表明30 cm、40 cm位置处生物量最少；而10 cm位置处生物量较多，Bellucci等 [ 22 ] 以及Liu等 [ 23 ] 指出，在低氧环境下仍有很多微生物可以参与 NH 4 + -N 的氧化(如假单胞菌、黄单胞菌、红球菌、鞘氨醇单胞菌等)。15 cm处是阳极所在位置，由于微生物燃料电池的作用此处形成较为稳定的生物膜。同时，这一层氮源较丰富，加之阳极可作为固态电子受体参与厌氧氨氧化作用 [ 24 ]，故富集的生物量最大。此外，阴极直接接触氧气使其附近有较多的好氧菌群 [ 25 ]。 图6. 系统自养微生物模拟值 在本实验初期，各阳极接种了厌氧污泥，而阴极未做接种处理。通过上述微生物模拟分析，底层区接近进水口附近区域亦可接种一些好氧微生物，而阴极更应该以好氧菌训化，这样可以缩短系统达到平衡所需的时间。通过观察阴极、阳极及其附近位置的生物量发现，从45 cm到40 cm以及从15 cm到20 cm处，自养微生物大量减少，这说明系统受电极影响的区域有限。因此可适当增加电极厚度，同时也应避免系统堵塞问题，以富集更多的微生物，提升污染物去除效果，这一点在Pucher等的研究中也得到了证实 [ 13 ]。
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user: 4. 结论 过程模拟是一种预测系统污水处理效果的有效手段，从脱氮的角度来看，可将微生物燃料电池的电化学作用转化为对人工湿地的强化作用，并利用人工湿地过程模拟的方法，预测耦合系统的 NH 4 + -N 去除效果。借助Hydrus软件CWM1湿地模型，可以取得良好的仿真结果。从经济实用的角度出发，可采用单侧进水、双侧出水的方式，以改进系统水力条件，提高水流均一性。另外从提升系统生化反应性能角度来看，可适当增加电极厚度以富集更多微生物。而在系统训化前期除了向阳极接种厌氧污泥之外，底层区靠近进水口附近区域与阴极处应接种适量好氧菌，以缩短系统稳定时间。数值模拟作为一种仿真和预测的研究方法，为便于计算和分析，往往简化实际情况来建立模型，更加精准的建模和计算方法仍需不断探索。
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user: 摘要 近年来，随着地质理论和开发技术的不断进步，中国致密气勘探开发取得了显著进展，已成为天然气增储上产的重要领域。针对中国致密气埋藏深度大、气层厚度小、非均质性强、含气饱和度低、气水关系复杂、开发具有“三低一快一长”的特点，以提高单井产量、降低开发成本为技术目标，经过几十年的探索和攻关，形成了储层“甜点”预测及有利区定量优选技术、多层系多井型井网优化技术、直井多层压裂和水平井分段压裂、排水采气及井下节流等开发关键技术，推动了致密气的规模化开发。中国致密砂岩气发展前景广阔，但仍面临资源品质差、稳产能力弱、采收率低的挑战，建议进一步攻关提高单井产量采收率技术以及大数据优化与智能化开采技术，不断提升致密砂岩储量动用规模及开发效益。
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user: 1. 引言 致密气在全球分布广泛，资源丰富。美国联邦地质调查局研究认为，目前已发现或推测发育致密气的盆地有70个左右，资源量约209.7 × 10 12 m 3 。全球各国都很重视致密气开发，致密气的产量在天然气产量中的比重逐年上升，已成为全球天然气资源结构中的主要组成部分。中国致密气技术可采资源量为12.3 × 10 12 m 3 ，2019年致密气产量425 × 10 8 m 3 ，约占全国天然气总产量的24.5%，已成为全球致密气生产大国。
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user: 2. 中国致密气勘探开发现状 中国致密气广泛分布于鄂尔多斯、四川、塔里木、渤海湾、松辽和准噶尔等多个盆地，资源丰富，截至2019年底，致密气累计探明储量5.3 × 10 12 m 3 ，占全国天然气探明储量的33.42%，其中千亿方以上大气田11个(图1)，已展现出巨大的开发潜力和良好的发展前景。 图1. 中国主要致密砂岩气田分布图(据戴金星，2012) 早在上世纪60年代中国就在四川盆地川西地区发现致密气，受地质认识、开发技术和开采成本限制，发展相对缓慢。近年来，随着地质基础理论的发展以及储层改造技术的不断进步，致密气勘探开发取得了重大进展，形成了鄂尔多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地三大致密气区，已成为我国天然气增储上产的主要现实领域。我国致密气勘探开发大致可分为三个阶段(图2)。 2000年以前，早期开发阶段，由于受构造气藏勘探理论和工程工艺技术的限制，储量、产量徘徊不前，主要在四川盆地八角场、新场等气田开展小规模开发。主要优选储层物性较好、裂缝较为发育的富集区块进行开发，采用直井射孔完井、小规模压裂投入生产，后期采用排水采气保持气井生产 [ 1 ]。 2001~2005年，初步发展阶段，随着致密气概念的引入，促使基础地质理论和地质评价标准研究有了巨大进步。按照大型岩性气藏勘探思路，先后发现了苏里格、大牛地等大型致密气田，储量快速增长，年均新增探明储量1500亿方；但由于单井产量低、经济性差，无法开发动用，产量增长缓慢。通过技术攻关和现场试验，实现了岩性气藏储层及流体预测、富集区及“甜点”优选、欠平衡钻井、直井单层大型压裂等技术的突破，2005年大牛地气田建成10亿方生产能力，实现了致密气商业规模开发，2005年全国致密气产量52亿方。 2006年以来，快速发展阶段，随着开发技术的日趋成熟和完善、管理模式的不断创新，形成了薄砂体(10 m以下)储层及流体预测技术、有利目标区定量评价和优选技术、直井多层大规模压裂技术、水平井分段压裂开发技术、优快钻井技术以及低成本开发管理技术，实现了苏里格、大牛地、成都、广安等气田大规模效益开发；同时随着深层多断块致密气藏勘探开发配套技术的发展，使得克深–大北气田大规模上产。这一阶段，年均新增探明储量2500亿方，天然气产量快速增长，2015年致密气产量突破300亿方。 图2. 中国致密气勘探开发历程图
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user: 3. 中国致密气地质及开发特征 3.1. 致密气地质特征 根据中国陆相坳陷盆地的地质条件，致密气具有以下地质特征 [ 1 ] - [ 6 ]：1) 均为煤成气，组分中烷烃气(C 1-4 )占绝对优势，甲烷含量最高，烷烃气具正碳同位素系列，非烃气(主要是CO 2 和N 2 )含量低；煤系烃源灶广覆发育、源储紧邻、近距离垂向运移成藏；大面积“立体”含气，局部富集；2) 岩性气藏为主，鄂尔多斯盆地上古生界气藏和四川盆地须家河组气藏构造对气藏的控制作用不明显，产量受裂缝和储层物性控制；但塔里木盆地库车深层为构造–岩性气藏，构造、有利储层和裂缝控制高产富集区；3) 储层物性差、非均质性强；主要为陆相与海陆过渡相沉积，孔隙度、渗透率均比较低。平均孔隙度4%~12%，覆压下渗透率多小于0.1 mD；4) 含气井段长，纵向上发育多套气层，单层厚度薄且横向变化快，有效砂体呈不连续的透镜状展布，在纵向上呈叠置状分布，气藏局部富集；5) 气水关系复杂，受储层非均质性和构造作用等影响，表现出气水倒置、气水间互和气水界面不明的多样性与复杂性；含气饱和度低，含气饱和度一般为40%~65%；6) 埋藏深度偏大，鄂尔多斯盆地上古生界、四川盆地须家河组埋深一般在2000~5200米左右，准噶尔、塔里木盆地埋深一般在3800~7000米左右，塔里木盆地库车坳陷埋深达8000米左右；7) 地层压力异常，四川盆地、库车前陆盆地为异常高压，压力系数为1.5~1.8；鄂尔多斯盆地为低压，平均压力系数为0.85~0.95。总体上看，中国致密气具有埋藏深度大、气层薄、含水饱和度高、有效储层非均质性强、气藏压力异常、气水关系复杂等特点，对开发技术和经济性提出了更大挑战。 3.2. 致密气开发特征 目前中国已在鄂尔多斯盆地的石炭–二叠系、四川盆地三叠系的须家河组和库车坳陷的侏罗系实现了致密气的规模效益开发，致密气开发具有“三低一快一长”的特点：1) 气井无自然产能或自然产能低，需要压裂改造才能获得工业产能；2) 气井初期产量低，累产气量不高，直井平均产量0.2~1.2万方/天，累积采气量一般1000~6000万方；水平井平均产量1.5~8万方/天，累积采气量2000~20000万方；3) 气藏采气速度和采收率均较低，采气速度一般小于3%，采收率一般低于30%；4) 气井稳产期短，初期递减快，后期趋于稳定；一般气井稳产期小于三年，气井早期递减率20%~40%，采用井间接替的方式保持气田稳产；5) 气井生产周期长，具有较长的低产、低压开采期，一般为30年以上。
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user: 5. 中国致密砂岩气开发面临的挑战和开发前景展望 5.1. 发展面临的挑战 我国在致密气勘探开发取得了显著进展，已成为我国天然气快速发展的重要资源之一，但由于资源品质较差，开发利用经济敏感性强，其有效开发仍面临诸多挑战。 1) 资源品质不断降低，未动用储量效益开发难度大。随着勘探程度的不断深入，致密气藏目的层逐步向更致密、更深层转移。塔里木盆地库车地区山前构造带的块状致密砂岩气埋藏深度可达5000 m以上，并具有异常高压；鄂尔多斯盆地勘探向盆缘地区发展，气藏主控因素、气水关系复杂，储量品位更低，实现有效开发难；须家河组气藏原始含水饱和度大于45%的区块，排水采气工作量成倍增加，操作成本大幅提高。 2) 已开发老气田稳产能力逐渐减弱经过10余年开发，已动用储量区已进入递减阶段，气田的综合递减率平均20%左右；目前大部分气井井口压力接近地面集输系统压力，气井井底积液严重；加之气田综合调整技术不配套，气田稳产形势严峻。 3) 提高采收率方法单一、气藏采收率较低中国致密气储层非均质性强、储量丰度低，动用程度和采收率受储层本身地质条件、工艺技术水平、经济环境、开发政策等多种因素影响，仅靠井网加密，到一定程度后难以确保单井经济极限采出量。 5.2. 发展前景展望 我国致密气在多个盆地获得突破，形成了鄂尔多斯上古生界、四川须家河、塔里木库车三大气区，已成为增储上产的重要领域，并已进入规模开发利用阶段。同时，在吐哈侏罗系、松辽深层、渤海湾深层、准噶尔侏罗系和二叠系形成四大突破区。预计2025年我国致密气产量将达到800亿方左右，2030年前后进入产量增长高峰，致密气产量将达到1000亿方左右，成为我国天然气开发利用的主导资源之一，具有广阔的开发前景。 1) 提高单井产量技术 开展致密气水平井地质–钻井–压裂一体化优化研究，加强单砂体精细描述和三维储层预测技术的应用，形成气藏三维结构数据体指导井眼轨迹优化设计；结合中国致密气气层薄、纵向多套发育的地质特征，突破水平井单一井型，开展阶梯、分支等多种类型的水平井攻关试验，进一步完善水平井井型与储集层展布的匹配性试验，提高储量动用程度。进一步发展水平井分段改造技术，在工具和压裂液体系技术发展的基础上，需要系统开展压裂效果检测和评价研究，改进压裂工艺，提高改造波及体积并避免含水层的影响；在有利的地应力场条件下，开展体积压裂技术攻关，最大限度地提高储集层改造效果。探索降低水平井建井成本的新途径，提升开发效益。 2) 致密气提高采收率技术 开展建模–数模一体化技术攻关。强化气藏描述，精细刻画有效单砂体大小、形状及展布方向，攻关基于深度学习的多点地质统计学和多变量地质统计学建模技术，建立地质–工程一体化的三维地质模型；充分利用动、静态资料并考虑考虑经济因素，定量刻画剩余气的分布，研究井网加密技术和加密方式；针对开发后期面临的低压开采、井底积液等问题，攻关完善低压开采、增压开采和排水采气等提高采收率配套技术来有效降低综合递减率，延长气井寿命、提高采出程度；研究CO 2 驱替提高致密气采收率技术，实现致密气开采与CO 2 地下封存一体化 [ 17 ]。 3) 大数据优化与智能化开采技术 开展大数据与人工智能技术在致密气开发全过程中的应用研究，发展基于大数据和深度学习的智能化分析评价与优化技术，如基于大数据的甜点区识别与预测技术、致密储层裂缝预测技术、基于机器深度学习的气井动态分析及预测技术、基于智能模拟的开发方案优化技术、地下地上一体化生产大系统智能化优化技术以及人工智能经营管理和生产决策的一体化优化系统等；开展基于大数据的近钻头精准导向技术研究，研发自动化智能化优快钻井固井技术以及智能压裂装备、分段工具、三维可视化裂缝监测技术装备，大幅提高优质气层钻遇率及其产量，通过人工智能技术大幅度降低致密气开发成本，提升气田开发效益。
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user: 摘要 随着社会的发展，小城镇水环境污染越来越严重。蚯蚓生物滤池属于污水处理生物膜法一种，是基于普通生物滤池开发的一项实用性技术。其具有工艺简单，管理方便，占地面积小等优点，是一种适合应用于小城镇及农村污水分散式就地处理的技术。概述了蚯蚓生物滤池的基本原理；介绍了蚯蚓生物滤池处理污水的作用效果；从蚯蚓生物滤池运行角度，总结了蚯蚓生物滤池运行的工况条件；并且对蚯蚓生物滤池技术的应用进行了展望；最后，为蚯蚓生物滤池的后续研究提供了建议。
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user: 1. 引言 中国是全球小城镇最多的国家，与小城镇相关的污水排放、收集、处理等问题也是影响我国生态环境发展的重要因素 [ 1 ]。在我国大部分小城镇管网覆盖率低、污水收集系统不完善、污水处理厂技术较落后、水处理工艺运行稳定性差，绝大多数小城镇污水得不到有效处理，使得小城镇周边水体污染严重，水环境日益恶化，严重制约了小城镇的经济发展。调查表明，由于污水处理不达标，国内90%以上小城镇水资源受到了不同程度的污染，大部分小城镇河流不可作为饮用水水源 [ 2 ]。因此小城镇污水处理问题成为了目前亟待解决的问题之一。基于小城镇地方区域环境、经济、污水特性等因素，适合的污水处理技术应满足以下要求：1) 低处理处置成本；2) 少运行管理和维护；3) 生态处理效果好等。小城镇污水处理国外比较典型的技术如：澳大利亚Filter污水处理系统、法国蚯蚓生态滤池、美国高效藻类塘、荷兰一体化氧化沟、日本净化槽、韩国人工湿地等 [ 3 ] [ 4 ]。国内处理技术包括SBR、CASS、MBBR、人工湿地、稳定塘等。综上，寻求经济有效实用的小城镇污水处理技术是目前国内外研究者关注的热点。
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user: 2. 蚯蚓生物滤池技术简介 蚯蚓生物滤池(Vermifilter， VF)是基于普通生物滤池和蚯蚓堆肥技术的原理组合形成的新型的污水污泥生物处理技术 [ 5 ]。VF是法国和智利科学家开发的主要针对生活污水和有机废水的生物处理技术，以蚯蚓具有提高土壤通气透水性能和促进有机物分解转化等生态功能作为设计依据。蚯蚓生物滤池在我国的首次应用和研究始于1999年由同济大学承担的国家科技部中法合作项目。课题组近20年来一直坚持对该技术的研究，对蚯蚓生物滤池直接处理污水及剩余污泥从工艺条件的角度，分析了不同滤料种类、滤料粒径、滤料级配、滤池高度、有机负荷、水力负荷、蚯蚓密度等因素对蚯蚓生物滤处理效果的影响，初步确定了蚯蚓生物滤池运行的工况条件。VF净水机制包括物理、化学、生物三重作用，污水自上而下滤过，滤料将悬浮固体以及污染物截留吸附，经过沉淀、离子交换和氧化还原等一系列化学反应去除污染物，同时滤料表层形成的生物膜也可以对污水中的有机污染物进行生物降解，蚯蚓引入生物滤池，通过其穿梭、掘洞及选择性摄食与微生物的协同作用，一方面可有效解决滤池堵塞、卫生条件差、处理效率低等问题，另一方面可实现更高效率净化污水的目的(图1 [ 6 ]，VF处理污水流程)。VF技术设备简单、运行管理和设备维护检修方便，可大幅降低工程造价和运行费用，因此基于蚯蚓生物滤池技术实现小城镇污水分散式就地处理具有巨大发展空间和应用前景。 图1. 蚯蚓生物滤池处理污水技术流程图
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user: 3. 蚯蚓生物滤池处理污水效果 同济大学杨健课题组，利用联合工艺“厌氧水解–高负荷生物滤池”处理污水，并且认为联合工艺可以使出水水质全部达《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的二级排放标准，部分指标达GB 18918-2002的一级B排放标准。李旭东 [ 7 ] 的研究表明，在水力负荷为1.3~1.5 m 3 /m 2 ·d时，利用蚯蚓生物滤池工艺可以有效处理未经复杂预处理的污水。COD、BOD去除率分别达80.37%和90.66%，总氮和氨氮去除率达30.23%和42.91%，总磷去除率为19.96%，各项指标均达国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)二级标准，与杨健研究一致。综合来看，蚯蚓生物滤池技术能够对污水进行有效处理并且达到国家规范标准要求。
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user: 4. 蚯蚓生物滤池运行工况条件研究现状 4.1. 蚯蚓种类 蚯蚓经人工引入滤池以后，延长了生物食物链，优化了微生物群落结构，强化了微生物的活性，提高了处理水水质。应用于蚯蚓滤池的蚯蚓应该同时具备环境适应能力强、速率快、价格低廉易获得等优点。目前，广泛应用于蚯蚓滤池及蚯蚓堆肥的蚓种为赤子爱胜蚓。赤子爱胜蚓为正科蚓，爱胜属，俗称红蚯蚓，属粪蚯蚓类。个体较小，体长40~150 mm，体宽3~5 mm，体节80~110个。 4.2. 滤料的选择 滤料在过滤过程中既是蚯蚓和微生物生存的介质也是起过滤作用的主体。合适的滤料应具备较合适的比表面积和粒径，一定的机械强度，适合的空隙率及表面粗糙度等，同时应用于蚯蚓生物滤池的滤料也要考虑其对蚯蚓的磨损作用，因此选择合适的滤料应用于蚯蚓生物滤池是必要的。 同济大学邢美燕、陆志波等 [ 8 ] [ 9 ] 从滤池蚯蚓受损情况分析，得出了在其他条件一定时，陶粒较石英砂对蚯蚓的胁迫作用更低，更适合应用于蚯蚓生物滤池，杨居川 [ 10 ] 也得到了相同的结论。王夙 [ 11 ] 的研究概述了无机填料(如石英砂、陶粒)代替有机填料(如锯末、稻草)的原因，指出了有机填料应用于蚯蚓滤池时，滤池效率较低，运行费用较高等缺点，强调了石英砂具有比表面积大，强度高等优点。上海交通大学戴一琦等 [ 12 ] 采用有机滤料不同配比试验分层蚯蚓生物滤池出水效果，结论为可以进行有机滤料和无机滤料组合进行污水处理。同时在有机负荷为2.11 kg·m −3 ·d −1 的条件下 [ 13 ] [ 14 ]，对比木珠、瓷球和鲍尔环3种填料对污泥的处理情况，结论为木珠填料利于蚯蚓生物滤池工艺效能的发挥。 4.3. 温度 温度是生物处理必须要考虑的因素，适宜的温度有利于生化反应的进行，有助于提高生物处理效率。一般而言，较高的温度能够提高微生物的新陈代谢活性，但是，蚯蚓是变温动物，较高或较低温度都会对蚯蚓正常生长繁殖产生影响。邢美燕 [ 8 ] 分别考察了不同温度对石英砂和陶粒蚯蚓滤池处理污水效果的影响，认为石英砂滤床的最佳温度范围为15℃~24℃，陶粒的最佳温度范围为18℃~26℃。郭一令 [ 15 ] (温度对蚯蚓生物滤池处理小城镇污泥效果影响)设置了9℃~10℃，14℃~15℃，18℃~19℃，24℃~25℃四个温度水平，探究温度对蚯蚓生物滤池处理处理小城镇污泥的影响，结果表明温度的升高可以提高VF处理效果。吴敏等 [ 16 ] 研究表明，温度为23℃~28℃时，VF处理污泥效果最好。 4.4. 水力负荷 滤池水力负荷是指单位面积滤池每天所处理的污水量，可以用来表征滤池处理污废水的能力。通过研究不同水力负荷下滤池的处理污水的效果，肖亿群 [ 17 ] 等分析得出水力负荷为1.3~1.5 m 3 /m 2 ·d时，VF处理出水可以达国家污水综合排放标准(GB8978-1996)二级排放标准。邢美燕 [ 5 ] 的研究表明，处理“厌氧水解–高负荷生物滤池”作为预处理的城市污水时，石英砂蚯蚓生物滤池最佳水力负荷范围为4.8~6.0 m 3 /m 2 ·d，陶粒的最佳水力范围为4.8~5.5 m 3 /m 2 ·d。杨健等 [ 18 ] 研究了不同水力负荷对出水水质及蚯蚓生长状况的影响，结果表明水力负荷为4.8~6.7 m 3 /m 2 ·d时，VF处理效果较佳。陈少华 [ 19 ] 的研究表明水力负荷为1.0 m 3 /m 2 ·d时，出水可达二级排放标准，水力负荷超过4.0 m 3 /m 2 ·d时，滤池处理效果显著降低。 4.5. 有机负荷 有机负荷是生物滤池运行控制的重要参数之一，是综合反映滤除降解有机物能力的指标。李银生 [ 12 ] 采用高低两种有机负荷研究了蚯蚓生物滤池对污水的处理效果，结果表明，在高低有机负荷下，VF对污水各项指标均有较好的去除效果，但是高低负荷对滤池内部蚯蚓的影响不同。邢美燕 [ 8 ] 的研究表明，滤池有机负荷为0.46~0.93 kg BOD 5 ·m −3 ·d −1 时，石英砂滤池对进水有较好的处理效果。综合来看，合适的有机负荷是VF发挥最大效能的前提。
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user: 5. 蚯蚓生物滤池的应用展望 蚯蚓生物滤池工艺因其设计规模的灵活性，是一种很适合应用于农村及小型污水处理的工艺技术。对于广大农村地区，因为经济、地理位置、发展水平等条件的制约，使得污水处理难以直接应用某些主流工艺，但是大量的农村人口产生的大量生活污水若不经有效处理直接排放，势必对环境造成巨大的不利影响，蚯蚓生物滤池工艺简单、操作方便、运行费用低、处理效果好，适合应用于农村及小型城镇的污水处理。另外，将蚯蚓生物滤池与其它主流工艺组成联合工艺处理污废水也是蚯蚓生物滤池发展的一个方向，利用蚯蚓生物滤池技术的优点，配合使用其它水处理工艺实现污废水的有效处理。
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user: 6. 结语 随着社会的发展，人民生活水平不断提高，污水产生量也逐渐攀升，其中农村及城镇地区污水因其特殊性，其处理得到了广泛地关注。蚯蚓生物滤池具有建设费用低、运行费用低，管理方便，二次污染小等优点，是一种可以应用于中小型污水处理厂的绿色环保技术。通过选取合适的蚯蚓种类、滤料种类，控制运行过程中的温度、水力负荷、有机负荷等运行参数，可以使蚯蚓滤池发挥其最大作用。 另外，虽然国内蚯蚓生物滤池取得一定的进展，但近些年有关蚯蚓生物滤池研究相对较少。滤池滤料、运行条件、蚯蚓选择仍然有待优化。
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user: 摘要 矿产资源的开发利用与产业扶贫之间有着密切的联系，随着“绿色矿区”的提出，矿区产业扶贫也随之注入新的活力。本文拟从矿区开发扶贫的可实行性基础切入，结合目前矿区开发与周边地区扶贫情况以及存在的问题，对建设“绿色矿区”产业扶贫的可行性及其带来的优势进行分析探究，以此来阐述未来绿色矿山产业发展下为扶贫工作带来的机遇，并不断提高扶贫能力。