~$微生物光解水制氢技术的最新进展
光催化水分解制氢技术的进展
光催化水分解制氢技术的进展氢气作为一种环保、高能量密度的燃料，受到了广泛关注。
目前，国内外学术界和工业界都在不断探索新的制氢技术，其中光催化水分解制氢技术备受瞩目。
本文将介绍光催化水分解制氢技术的原理、材料和设备、研究进展以及前景展望。
一、原理光催化水分解制氢技术利用光能激发半导体材料产生电子-空穴对，进而催化水分子的分解，释放出氢气。
这一过程主要包括光吸收、电子-空穴分离、氧气发生反应和氢气发生反应四个步骤。
在光吸收阶段，半导体材料吸收光能，电子从价带跃迁至导带，产生电子-空穴对。
接下来，电子-空穴对被分离，电子通过导带流动到阳极，而空穴则流向阴极。
在氧气发生反应阶段，电子与水中的氧气发生氧还原反应，产生氧化还原活性位点。
而空穴与水中的氢离子发生氢还原反应，产生氢气。
这两个反应共同推动了水的分解。
二、材料和设备光催化水分解制氢技术的核心在于光催化剂的选择。
常用的光催化剂包括金属氧化物、半导体材料和有机-无机复合材料等。
金属氧化物主要包括二氧化钛、氧化锌等。
半导体材料则包括氮化硅、硫化镉等。
有机-无机复合材料则是将半导体材料与有机分子进行复合。
此外，还需要光源、电解池和电子传输层。
光源提供所需的光能，电解池用于收集产生的氢气，而电子传输层则负责将导电材料和催化剂连接起来，促进电子传输。
三、研究进展光催化水分解制氢技术自提出以来，经历了多年的研究和探索，取得了一系列重要进展。
1. 材料优化研究人员通过调控光催化剂的结构和成分，提高其光吸收能力和光生电子-空穴对的分离效率。
例如，采用纳米结构材料可以增加光吸收表面积，提高光催化效果。
2. 催化剂设计针对氧气发生反应和氢气发生反应，研究人员还设计了不同类型的催化剂。
某些催化剂具有优异的氧还原和氢还原催化活性，能够提高制氢效率。
3. 能源可持续性为了实现对可再生能源的利用，研究人员开始探索使用太阳能、风能等可再生能源作为光源，结合光催化水分解技术实现制氢。
光解水制氢 专利
光解水制氢专利光解水制氢是一种通过太阳能将水分解为氢气和氧气的技术方法。
这项技术被广泛研究和应用，是可再生能源利用的重要手段之一。
本文将介绍光解水制氢的原理、应用、发展现状以及相关专利。
光解水制氢的原理是利用光能将水分解成氢气和氧气。
这个过程主要包括两个步骤：光吸收和水的电解。
光吸收是指利用光敏催化剂将光能转化为化学能，激发水分子的电子跃迁。
水的电解是指将被激发的水分子进一步分解为氢气和氧气。
这个过程需要配合适当的催化剂和电极材料。
光解水制氢技术具有广泛的应用前景。
首先，制氢过程中产生的氢气是一种清洁的燃料，可以用于发电、热能等能源领域。
其次，氢气是一种高效的能源储存介质，可以作为电动汽车、燃料电池等设备的燃料。
此外，光解水制氢技术还可以利用太阳能等可再生能源高效存储和利用能源。
在实际应用方面，光解水制氢技术已经有了一些突破和进展。
许多科研机构和企业都在积极研究和开发相关的技术和产品。
其中，一些重要的专利对技术的发展起到了关键的推动作用。
世界范围内的光解水制氢专利数量呈现逐年增加的趋势。
这些专利涵盖了光触媒材料、光电极设计、反应器结构等多个方面。
以中国为例，中国在光解水制氢领域的专利数量和质量都取得了一定的突破。
例如，中国科学院的一项专利"一种光吸收材料的制备方法"（专利号：CN201510567174.X）提供了一种改进的光敏催化剂制备方法，可以提高光解水制氢的效率和稳定性。
还有一项来自江苏大学的专利"一种多孔二氧化钛薄膜的制备方法"（专利号：CN201611137777.X），该专利提供了一种新型的光电极材料制备方法，可以提高光解水制氢的产氢效率。
当前光解水制氢技术还面临一些挑战和限制。
首先，光解水制氢的效率有待进一步提高，目前的光电转换效率较低，限制了其应用范围和经济性。
其次，光解水制氢的稳定性需要得到改进，光敏催化剂和电极材料的寿命和稳定性对技术的长期运行和商业化应用至关重要。
光催化水分解制氢技术的研究进展
光催化水分解制氢技术的研究进展随着全球能源需求的不断增长以及环境问题的日益突显，清洁能源的开发和利用成为了人类关注的焦点。
氢能作为一种清洁、高能量密度的能源媒介，备受研究者的关注。
然而，有效、经济地制备氢气仍然是一个具有挑战性的问题。
光催化水分解制氢技术作为一种可持续、环保的制氢方法，正在获得越来越多的关注和研究。
光催化水分解制氢是利用光催化材料吸收太阳能，并将其转化为化学能的过程。
实现光催化水分解制氢主要涉及两个关键步骤：水溶液中的光生载流子的产生和将光生载流子转化为氢气和氧气的催化反应。
在这个过程中，催化剂起到了至关重要的作用。
当前，以半导体材料为基础的催化剂是光催化水分解制氢技术的主要研究方向之一。
例如，二氧化钛（TiO2）是广泛研究的光催化剂之一。
然而，纯二氧化钛表现出较大的能带间隙，仅能吸收紫外光，限制了其在可见光范围内的应用。
为了拓宽光吸收范围，研究人员进行了多种改性。
例如，通过离子掺杂或负载适量的金属纳米颗粒等方法，改善材料的光催化性能。
此外，一些新型的材料催化剂也受到了广泛研究。
例如，铁基或钼基催化剂在光催化制氢研究中显示出良好的催化活性和稳定性。
这些新型催化剂不仅能够有效地利用可见光，而且其优异的光电催化性能在提高效率和抑制光生电子-空穴对的复合方面具有优势。
除了光催化剂的研究外，反应条件的优化也是光催化水分解制氢领域的重要研究方向之一。
反应的温度、光照强度、溶液酸碱度等都对催化剂的性能和氢气生成速率有着重要影响。
因此，通过合理调控这些反应条件，可以提高光催化水分解制氢的效率。
光催化水分解制氢技术的研究进展不仅依赖于催化剂的设计和合成，还需要对光催化机理进行深入研究。
实验和计算相结合的方法被广泛应用于光催化机理的研究。
通过实验手段，研究人员可以发现反应中的中间体和活性物种，并理解光催化反应过程中的能量传递。
同时，计算手段可以对催化剂的结构和性质进行模拟和预测，为催化剂的设计提供指导。
光催化水分解产氢技术的研究现状及展望
光催化水分解产氢技术的研究现状及展望光催化水分解产氢技术是一种将太阳能转化为化学能的技术，这种技术可以解决能源和环境问题。
目前，光催化水分解产氢技术已经成为一个研究热点，许多研究人员都在进行相关的研究。
光催化水分解是指利用光催化剂，在阳光照射下分解水为氢气和氧气的化学反应。
这种技术可以通过可再生能源直接产生氢气，从而实现能源的转化和储存。
因此，这种技术被认为是未来可持续发展的关键技术之一。
现在，光催化水分解产氢技术存在一些技术难点，如光催化剂的设计与合成、材料表面的修饰、光催化反应机理等。
其中，光催化剂的研发是解决光催化水分解产氢技术的难点之一。
目前已经合成出了多种光催化剂，如纳米晶体材料、金属氧化物和碳材料等。
纳米晶体材料是当前最具应用前景的光催化材料之一。
采用纳米晶体材料制备的催化剂具有大比表面积、高光吸收率和强的光催化活性等特点。
这样的催化剂可以有效地促进光催化反应的进程，从而提高光催化产氢效率。
与此同时，表面修饰也是光催化剂的研究热点之一。
表面修饰可以优化催化剂的结构，从而提高催化剂对阳光的吸收和利用。
例如，合成了表面富含氧功能基团的二氧化钛催化剂，这种催化剂的表面具有更多的氧含量，可增强其与水分子的相互作用，从而增强光催化反应的效率。
此外，对于光催化反应机理的研究也是解决光催化水分解产氢技术的难点之一。
目前，一些实验和计算方法被用来解释光催化反应的机理。
通过这些方法，研究人员可以更好地理解光催化反应的过程，从而指导光催化剂的设计和优化。
值得注意的是，尽管光催化水分解产氢技术具有很大的潜力，但其产氢效率、稳定性和经济性等方面仍然存在着一些问题。
这些问题必须得到有效解决，才能推广和应用这种新型光-化技术。
因此，未来研究方向包括优化催化剂结构与组成、控制催化反应条件、构建高效光催化体系等等。
研究表明，光催化水分解技术是未来发展的趋势之一，它具有很大的应用前景和可持续性。
因此，我们需要加强各种研究和探索，推动光催化水分解产氢技术的发展，并为现代能源的革命做出贡献。
光催化分解水制氢技术研究进展
光催化分解水制氢技术研究进展氢是一种非常有前途的清洁能源，其燃烧产生的只有水蒸气。
这种能源将会是未来社会的主要能源之一，因此人们一直在致力于寻找新的氢生产方式。
其中，光催化分解水制氢技术因其高效、环保等优点，已经成为了目前最为重要的发展方向之一。
光催化分解水制氢技术最大的优点在于其高效。
由于这种技术是利用光照将水分解成氢气和氧气，因此生产氢气的效率高、能耗低，并且可以实现实时生产。
此外，这种技术是一种清洁的生产方式，没有二氧化碳等污染物的产生，符合环保的要求。
早在20世纪60年代，人们就开始了对光催化分解水制氢技术的研究。
到了21世纪，随着纳米技术的发展和功能材料的出现，这个技术开始进入了实用化的阶段。
目前，光催化分解水制氢技术已经成为氢能源研究的热点领域之一，相关研究的进展也非常迅速。
人们在研究光催化分解水制氢技术的过程中，发现了很多可以用来催化分解水的材料。
传统的半导体材料如TiO2、ZnO等被广泛研究并应用于实际生产，它们可以吸收太阳光直接分解水，生成氢气和氧气。
然而，这些材料在实际应用过程中存在着一些问题，如吸光光谱范围小、稳定性差、光生载流子难以分离等。
为了解决这些问题，人们开始研究新的催化材料，如二维材料、光敏体复合材料等。
近年来，许多研究表明，这些新型材料具有更好的光电性能，能够实现高效率的水分解反应。
例如，氧化铁、氧化锌、钼酸盐、氧化硅等纳米材料的应用，显著提高了光催化分解水制氢的效率和稳定性。
此外，人们还开始开发新的反应装置和反应体系，以提高催化效率，增加产氢量。
例如，采用双面光照的反应系统，能够充分利用紫外光和可见光，促进电荷的分离和传递，从而提高了水分解反应的效率。
另外，采用液-液界面催化方法，也可以大大提高光催化分解水制氢的效率和稳定性。
虽然光催化分解水制氢技术已经取得了很多进展，但是该技术还存在着一些问题。
例如，光吸收效率低，光催化材料使用时间短等。
为了解决这些问题，人们正在不断探索新的思路和方法。
光催化水分解制氢产业发展动态
光催化水分解制氢产业发展动态
光催化水分解制氢技术是一种利用太阳能将水分解成氢气和氧
气的技术。
随着全球对清洁能源的需求不断增加，光催化水分解制
氢技术正逐渐成为可持续能源领域的热门研究方向。
本文将介绍光
催化水分解制氢产业的发展动态，以及该技术在清洁能源领域的应
用前景。
首先，光催化水分解制氢技术具有巨大的潜力。
相比传统的化
石燃料，氢气是一种清洁的能源载体，燃烧产生的唯一副产品是水
蒸气，不会产生二氧化碳等温室气体，因此被视为未来能源的重要
选择。
而光催化水分解制氢技术正是利用太阳能来驱动水分解，因
此具有很高的环保性和可持续性。
其次，光催化水分解制氢技术在产业化方面也取得了一定的进展。
许多国家和地区都在加大对光催化水分解制氢技术的研发和产
业化投入，以推动清洁能源产业的发展。
在实验室规模上，已经有
不少研究机构和企业成功地开发出了高效的光催化水分解制氢催化
剂和反应器，为该技术的产业化奠定了坚实的基础。
最后，光催化水分解制氢技术在清洁能源领域的应用前景广阔。
随着技术的不断成熟和成本的不断降低，光催化水分解制氢技术将
有望成为未来清洁能源的重要来源之一。
氢气可以被用于燃料电池
发电、氢气车辆等领域，为解决能源和环境问题提供了新的可能性。
总的来说，光催化水分解制氢技术的发展动态令人振奋。
随着
全球对清洁能源的需求不断增加，光催化水分解制氢产业有望迎来
更加广阔的发展空间，为推动清洁能源产业的发展做出更大的贡献。
希望在不久的将来，光催化水分解制氢技术能够成为清洁能源产业
的重要支柱之一。
光催化水分解产氢技术在可持续能源中的前景
光催化水分解产氢技术在可持续能源中的前景随着能源需求的增加和传统能源资源的日益枯竭，寻找替代能源的需求越来越迫切。
可再生能源被广泛认为是未来永续发展的方向，而基于光催化水分解产氢技术的氢能作为一种清洁、高效的能源，具备独特的应用前景。
本文将从光催化水分解产氢技术的原理、研究现状和前景三个方面进行阐述。
光催化水分解产氢技术的原理是利用光催化剂将太阳能转化为化学能，促使水分子发生分解，从而产生氢气。
这一过程基于光催化材料的光吸收、电子转移和催化剂表面反应等关键步骤，实现了可控的水分解反应。
其中，光催化材料的选择对技术性能起着决定性作用。
目前，常用的光催化材料主要包括二氧化钛（TiO2）、钼酸盐（Na2MoO4）、铁酰氨酸盐（Fe2(TPACP)3）等。
这些材料具备高光吸收能力、适当的能带结构和良好的光稳定性，使其在光催化水分解产氢领域具有广阔应用前景。
当前，光催化水分解产氢技术在研究领域取得了一系列重要进展。
首先，研究人员不断开发新型的光催化材料，以提高产氢效率和光催化稳定性。
例如，最近有研究报道利用杂化钙钛矿材料制备的光催化剂，在光吸收和电子转移方面具备独特优势，使得光催化水分解的效率得到显著提高。
其次，光半导体基质的改性和调控也成为热点研究方向。
通过控制半导体界面状态、表面缺陷和掺杂等手段，可以有效提高光催化水分解产氢的效率和稳定性。
此外，一些研究者利用光催化材料与催化剂的结合，构建了多功能的光催化剂体系，实现了高效产氢。
光催化水分解产氢技术在可持续能源中具有巨大的潜力，展现出了广阔的应用前景。
首先，氢气作为一种高效、清洁的能源，不会产生二氧化碳等有害物质，可以显著减少大气污染和温室气体的排放，为改善空气质量、缓解全球气候变化提供了独特的机会。
其次，光催化水分解产氢技术具备自给自足的优势，可以直接利用太阳能进行分解反应，不依赖传统能源，实现了高效利用可再生能源的突破。
此外，光催化水分解产氢技术还可以与其他技术相结合，如燃料电池技术，形成光电催化系统，实现高效利用和储存太阳能。
光催化水分解制氢技术
光催化水分解制氢技术光催化水分解制氢技术：实现清洁能源的潜力探索引言：随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益突显，寻找替代传统能源的清洁、可再生能源已成为全球关注的焦点。
氢能作为一种高效、清洁的能源选择备受瞩目，而光催化水分解制氢技术作为一种新兴的制氢方法，正逐渐展现出巨大的潜力。
1. 光催化水分解制氢技术的原理和机制光催化水分解制氢技术利用半导体光催化剂，在外界光照下，将水分解成氢气和氧气。
该技术的核心是光催化剂的光吸收和电化学反应两个过程。
当光能量与光催化剂表面发生相互作用时，电子-空穴对被激发出来。
随后，光激发的电子-空穴对会进一步参与到光生电化学反应中，从而驱动水分子的解离，生成氢气和氧气。
2. 光催化水分解制氢技术的优势和挑战（1）优势：a. 清洁和可持续：光催化水分解制氢技术不会产生二氧化碳等有害物质，在未来可能成为一种非常清洁和可持续的能源供应方式。
b. 高效能源转化：光催化水分解制氢技术的能量转化效率较高，有望成为一种高效利用太阳能资源的方法。
c. 资源丰富：水作为地球上最丰富的资源之一，光催化水分解制氢技术具有可持续发展的基础。
（2）挑战：a. 光催化剂效率和稳定性：目前，效率和稳定性仍然是光催化水分解制氢技术的瓶颈。
科学家们正在致力于开发更高效、稳定的光催化剂材料。
b. 成本高昂：目前的激发光源和光催化剂的制备相对较昂贵，限制了该技术的商业化应用和发展速度。
c. 大规模应用难题：要实现光催化水分解制氢技术的大规模应用，需要解决设备和系统的规模化问题，以及与现有能源体系的整合问题。
3. 最新研究和进展近年来，科学家们对光催化水分解制氢技术进行了广泛的研究，取得了一些重要的进展。
a. 新型催化剂材料的开发：研究人员不断探索新型催化剂材料，如二氧化钛、二硫化钼等，以提高光催化水分解制氢技术的效率和稳定性。
b. 结构优化：通过调节光催化剂材料的结构和叠层数，可以改变其吸收光谱范围和电子传输性能，以提高制氢效率。
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高 平 434025) ( 长江大学化学与环境工程学院
摘 要 氢能可作为汽车清洁能源替代石油等碳基能源 , 但目前以石 油、 煤炭、 天然气为原料生产氢气是不可持续的。 通过热解、 电解 、 光解 和生物质化学分解等途径可以由太阳能制取可再生氢气。 本文重点介 绍其中的光生物法生产可再生氢能的国内外研究现状和发展趋势。 关键词 光生物法制氢 ; 光能转化效率
目前太阳能生产可再生氢的主要路径主要可分为热解、 电解、 生物质化学生物转化、 光生物 分解 4 类 途径。其中 生物质 转化 是 正常条件下 , 绿色高等植物吸收 CO 2, 利用光合作用把光能转化为 化学能储存在生物质中 , 然后通过生物化学法 制氢。 1 制氢原理 研究表明 , 高等生 物叶绿 体的光 合系统 包括 PS和 PS , P S利用光能 分解水 产生 氧气和 电子 , P S利用 光能 和 电子同化 CO2 和 H 2O 为有 机物。有 些原 核和真 核微 藻 ( 如蓝 藻 和绿藻) , 在 光合作用无法正常进行时 , 例如在缺氧、 缺硫环境 下培 养的莱茵绿藻 , 生成碳水 化合物 途径 受阻 , 可以 在 PS中合 成 酶并利用这些酶催化 H + 和电子结合生成氢气。还有一类紫细菌 仅有光合系统 PS, 能力不足 以分解 水 , 在无氧 条件 下这类 细菌 可 以分解简单有机酸 ( 醋酸 ) 产氢。近 些年的 分子生物 学研究 发现 , 不同种类生物体、 酶、 化学环境下 , 产氢机理和历程有所 不同 : ( 1) 根据微生物光解产氢利用的底物不同 , 可以分为微藻 光解 水产氢、 异氧型光合细 菌光解 有机物产 氢。分解 水和醋酸 的化 学 反应式如下 : H 2 O( l) + 光能 = H 2 ( g) + 1 / 2 O 2 ( g ) ( 1) ; C 2 H 4 O2 ( l) + 2H 2 O ( l) + 光能 = 2CO 2 ( g ) + 4H 2 ( g) ( 2) 从热力学角度看 , 水分 解产氢 以及醋 酸分解产 氢的标 准状 态 吉氏自由能 ( r G ) 分 别为 237 1 、 75 4kJ/ mol, 都大 于零 , 因此 上述分解反 应如果没有 额外的能 量输入无法 自发进行 , 微生 物需 要利用光能在特定酶催化下 , 经过一系列的生 理代谢产生分子氢。 ( 2) 酶系不同 , 产氢过程中的光能 利用率和氢 气生成速率 有较 大差别 , 按不同酶系可分为氢化酶或固氮酶。 蓝藻和光合细菌固 氮酶 , 酶的活性中心 含钼、 矾、 铁 , 在把 N2 转化 为氨的 同时生 成氢 气, 如果环境中没有氮气 , 固 氮酶利用 AT P 和还原 剂产氢 , 但 产氢 的光子利用率不高 , 还原 H + 需要过量的 AT P 和电子参与, 另外酶 催化的反应速率小于 10s- 1, 整个产氢系统对氧敏感。 蓝藻和许 多绿藻含有氢化酶 , 能催化 H + 和电子生成 H2。但是氢化 酶还原 H+ 不需要 AT P , 光子理论转化效率和转化速率高于固氮酶。 ( 3) 利用光生物法制氢的工艺流程可分为直接光解水法、 间接光 解水法和固 氮酶利用水 ( 微 藻) 或有机物 ( 光合细 菌) 提供 的电子在 ATP 参与下还原 H+ 为 H23 种方法。由于氢氧混合气体的安全性以 及氢化酶对氧气的敏感性, 第 1 种直接光解水的工艺工业化面临的困 难较大。第 3 种固氮酶制氢由于需要 AT P 参与 , 能量转化效率较低。 2 光生物转化技术科研进展 115
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ÓÉ Foxit Reader ±à¼- 工程技术ห้องสมุดไป่ตู้Project technique °æȨËùÓÐ (C) Foxit Software Company,2005-2006 ½öÓÃÓÚÆÀ¹À¡£
我国近几年国家自然科学基金陆续资助了一些生物制 氢方面 的研究 , 如 2005 2007 年厦门大学龙敏南太阳能生物光解 水制氢 系统的研究、 2007 2009 年河南农业大 学张全 国光合 生物制 氢体 系的热效应及其产氢机理研究、 2006 2009 年 重庆大 学廖强 光生 物制氢中光生化转化与传输机 理的研 究、 2009 2011 年青岛 生物 能源与过程研究所范晓蕾基于基因改组技术的绿藻 [ FeF e] 氢化酶 改良的研 究、 中 国科学院大 连化学物 理研究所的 陈兆安基 于微藻 生物燃料电池技术的绿藻光解水制氢机理的研究。 除了生化工程改良优选微生物以外 , 工艺技术方面也不断取得进 展。如采用分光系统减少表面光照强度 , 提高深层细胞入射光强。反 应器选用高透光率、 高耐候性、 低氢渗透率和一定机械强度的材料制 造。早期的工艺设计把藻类露天培养和密闭反应器产氢过程分开, 采 用间歇法产氢。2009 年 , Di- rected Technologies 公司 的 James 等在 DOE 、 UC- Berkeley 分校、 NREL、 Princeton 大学等科研机构技术支持 下, 总结了较有前途的 5 种微生物 ( 耐氧氢化酶绿藻、 耐氧氢化酶蓝 藻、 硫酸盐通透酶改良绿藻、 固定化缺硫绿藻、 PN S 紫色无硫细菌) 和 4 种反应工艺( 生长和产氢时间相当的单个反应床、 生长和产氢分开的 2 个间歇反应床、 生长和产氢分开的 2 个连续式 Chemostat 反应床、 产氢 时间远大于生长阶段的单个 Chemostat 反应床, 对每种微生物给出 1t/ d 规模的工厂设计方案, 并提出光生物产氢与生产废弃物发酵产氢 相结合的制氢模式, 有利于降低成本。 总之 , 经过几十年的发展, 光生物转化技术目前还限于实验室规 模, 制氢成本仍较高, 工业化面临的主要技术难题是 : 改良优化微生 物, 提高太阳能利用率。 改良提高产氢微生物对氧的耐受力, 保持 稳定和持久产氢。 用遗传工程技术提高电子传输速率, 以便提高产 氢率。 高效生物反应器的设计和与之相应的廉价制造材料。 3 对比讨论 太阳能光电解水制氢技 术发展 很快 , 目前太 阳能光 伏电 池能 量利用率为 10% , 电 解水按效率 77% 、 总效 率 7. 7% 计算 , 2015 年 直接光电水分解制氢目标价格为 5 美元 / kg , 但是光电转化 使用的 硅材料价格较高 , 并且 在材料 生产中 需要排 放更多 的 G HG , 适合 在缺水地区推广。根据现在 发展趋 势 , 光生物制 氢技术 有望 很快 建立示范装置 , 并达到 2015 年制氢目标价格 10 美 元 / kg。 光生物 法温室气体排放量较少 , 适合建立在水资源较丰富的地区 , 并可结 合微生物发酵、 污水处理 等技术 , 实现社会效益最大化。