水處理原理課程論文

電子束輻照技術(shù)在污水處理中的研究應(yīng)用摘要：本文介紹了電子束輻照技術(shù)的原理，對(duì)電子束輻照降解有毒有害和難降解的有機(jī)污染物、輻照殺菌，廢水中污泥的處理及與其他技術(shù)的聯(lián)合使用等方面在水處理中的研究應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)介紹，同時(shí)指出電子束輻照技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)其在水處理中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：電子束輻照技術(shù)；污水處理Applicationofelectronbeamirradiationtechnologyto

wastewatertreatmentAbstract：Thispaperintroducestheprincipleofelectronbeamirradiationtechnology,organicpollutants,sterilizationbyirradiationofelectronbeamirradiationdegradationoftoxicandrefractorywastewatertreatment,sludgeandotherjointuseofthetechnology,thepresentsituationofresearchandapplicationinwatertreatmentweresummarized,advantagesanddisadvantagesandpointsoutthattheelectronbeamirradiationtechnology,andtheprospectofitsapplicationinwatertreatmentwerediscussed.Keywords：electronbeamirradiationtechnology;wastewatertreatment引言社會(huì)人口激增、工業(yè)的快速發(fā)展、資源的不合理開發(fā)等，水污染日益成為每個(gè)人都要面對(duì)的問題。由于生產(chǎn)活動(dòng)的多樣性，污水中的污染物質(zhì)也非常復(fù)雜，僅使用傳統(tǒng)的污水處理辦法很難徹底解決廢水凈化問題。隨著人們對(duì)進(jìn)入環(huán)境中的生物毒性污染物的關(guān)注，開發(fā)一種降解有毒有機(jī)物的新技術(shù)就變得越來越迫切[1]。這就需要有一種新型、高效、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)來解決目前遇到的困難。隨著電子束輻照技術(shù)的發(fā)展，其在污水處理方面表現(xiàn)出巨大的潛力：清潔、高效、無二次污染，能夠分解處理多種污染物質(zhì)，因此日益受到人們的重視。電子束輻射法應(yīng)用于水處理就是在這種形勢(shì)下產(chǎn)生的。電子束輻射法是利用電子加速器產(chǎn)生的高能電子束對(duì)污染物進(jìn)行處理的一種方法。根據(jù)其能量作用模式可以分為兩類⑵，一類是高能電子束本身穿透介質(zhì)對(duì)污染物進(jìn)行處理；另一類是高能電子束轟擊高原子序數(shù)金屬產(chǎn)生韌致輻射或x光對(duì)污染物進(jìn)行處理。它具有把不可生物降解的污染物轉(zhuǎn)化為可降解物質(zhì)，提高可生化性降低毒性⑶，殺滅細(xì)菌等功效。國(guó)外已對(duì)電子束輻射法應(yīng)用于水處理、污泥處理與農(nóng)用、煙道氣治理等展開了研究。本文綜述了電子束輻射法應(yīng)用于水處理的研究現(xiàn)狀。1電子束輻照技術(shù)基本原理y皿 表1電子,輯照初級(jí)產(chǎn)物及產(chǎn)額 電子束輻照技術(shù)是利用射線與物質(zhì)間的相互作用，電離和激發(fā)產(chǎn)生活化原子與活化分子，并使之與物質(zhì)發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，導(dǎo)致物質(zhì)的降解、聚合與交聯(lián)改性的一種技術(shù)囹。這一技術(shù)為采用常規(guī)處理方法難以去除的某些污染物提供了新的處理方法。與常規(guī)處理方法相比，輻射技術(shù)一般在常溫常壓條件下進(jìn)行，具有處理效率高、無需添加其他化學(xué)試劑以及無二次污染等特點(diǎn)，尤其適用于常規(guī)方法難以處理的難降解有機(jī)污染物的降解⑸。它利用被加速的電子束流轟擊或照射被處理對(duì)象，使之發(fā)生常規(guī)方法難以引發(fā)的物理化學(xué)及生物學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品性能、凈化物質(zhì)等目的。污水處理則是利用加速后的電子束流對(duì)污水進(jìn)行輻照，使水中的污染物發(fā)生分解或降解、有害微生物發(fā)生變性等，來達(dá)到消毒凈化廢水的目的。一般廢水是比較稀的溶液，污染物質(zhì)濃度較低，故束流與污染物質(zhì)直接作用的幾率很小，大部分束流能量會(huì)沉積在水分子中，被水吸收，因此束流的間接作用在電子束輻照處理廢水中占據(jù)主導(dǎo)地位。主要用能量范圍為0.7-10MeV的電子束流對(duì)污水進(jìn)行輻照處理⑹。電子束輻照降解污染物的作用效果主要由兩個(gè)方面決定：電子束流的能量和束流強(qiáng)度。電子束流的能量越高，則電子的穿透力就越強(qiáng)，射程也就越大，與污染物的作用也就越充分。電子的穿透深度還與被輻照物質(zhì)的阻止本領(lǐng)有關(guān)，其由Bethe-Block公式?jīng)Q定⑺。電子束流的強(qiáng)度越大則參與降解作用的電子就越多，污染物的降解率也就越高。由于電子束流的輻照能量大部分會(huì)沉積在水分子中，在電子束流作用下，當(dāng)電子束輻照能量超過水分子化學(xué)鍵的鍵能和分子的電離勢(shì)能時(shí)，化學(xué)鍵和分子的結(jié)合能就會(huì)被破壞。污水便被輻照分解生成較強(qiáng)的氧化物質(zhì)（如?OH,H202,02-等），這些氧化物質(zhì)與水中的污染物質(zhì)、細(xì)菌相互作用，達(dá)到氧化分解和消毒的目的。電子束輻照技術(shù)進(jìn)行污水處理的機(jī)制和特點(diǎn)如下㈤：H-,E［（水合HT'L-OH對(duì)pH=7的純水來說，其輻照初級(jí)產(chǎn)物及產(chǎn)額G（當(dāng)吸收100eV的電子束輻照能量時(shí)形成或分解的自由基、原子、離子或分子的數(shù)目）如表1所示。此外，通過改變污水中的氧氣濃度、pH、微量添加物（催化劑）等輻照反應(yīng)的條件，可以調(diào)控輻照產(chǎn)物的產(chǎn)額，使反應(yīng)向著所需要的方向進(jìn)行。2電子束輻照處理污水的研究應(yīng)用狀況由于電子束輻照技術(shù)高效、清潔、無二次污染，并且能夠處理有毒有害和難降解的污染物，國(guó)外很早就開始研究將其并大規(guī)模地應(yīng)用于污水處理行業(yè)中。近些年我國(guó)對(duì)該技術(shù)的探索也不斷深人，并逐步應(yīng)用到污水的處理中。目前電子束輻照技術(shù)在污水處理方面的主要研究和應(yīng)用方向是：（1）降解有毒有害和難處理的有機(jī)污染物，將難以降解的化合物轉(zhuǎn)變?yōu)檩^容易被生物或化學(xué)氧化的形式；（2）消毒殺菌；（3）污水中固體成分（污泥）的輻照處理⑼；（4）與其他傳統(tǒng)工藝技術(shù)相聯(lián)合處理工業(yè)廢水。2.1電子束輻照去除污染物2.1.1電子束輻照降解有機(jī)物O.F.Adeleke等U。］利用上海大學(xué)射線應(yīng)用研究所的2MeV電子束輻照加速器，分別對(duì)pH不同但質(zhì)量濃度（（5。mg/L）相同的二氯苯酚和四氯苯酚溶液進(jìn)行輻照處理，并在實(shí)驗(yàn)中調(diào)整輻照劑量觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明：增加輻照劑量可以增大溶液中苯酚的降解率，增加C1-的產(chǎn)額;在偏堿性溶液中苯酚的降解率要低于偏酸性溶液。邊紹偉等m］對(duì)0.5mmol/L的苯胺類水溶液進(jìn)行了電子束輻照降解實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電子束輻照能夠有效地將苯胺、對(duì)硝基苯胺和間氯苯胺的分子結(jié)構(gòu)破壞掉，達(dá)到降解污染物的目的;水溶液中苯胺類的去除率隨輻照劑量的增加而提高;在相同輻照劑量下苯胺的去除率要低于硝基苯胺和間氯苯胺兩種污染物。中國(guó)是一個(gè)紡織業(yè)大國(guó)，印染廢水的排放量很大，廢水中還含有多種難處理的有機(jī)物，對(duì)環(huán)境造成了較大危害。顧建忠等［12］從上海恒泰毛紡織廠提取了印染廢水樣本，并對(duì)其進(jìn)行了電子束輻照研究。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)輻照時(shí)間相同，輻照劑量由0提高到14kGy，印染廢水的COD去除率也會(huì)隨之增加。在輻照劑量為14kGy情況下對(duì)印染廢水輻照5s，廢水中COD的去除率可以達(dá)到15%以上。當(dāng)輻照時(shí)間相同，輻照劑量改變時(shí)，印染廢水的pH基本沒有變化，但是水的色度卻會(huì)增加。這是由于經(jīng)過輻照處理后廢水中的染料分子被分解為小分子物質(zhì)的緣故。國(guó)外利用電子束輻照技術(shù)去除污水中有機(jī)物的研究應(yīng)用主要集中在輻照降解含氯有機(jī)物。W.J.Cooper等選取不同的水質(zhì)，對(duì)電子束輻照技術(shù)去除全氯乙烯、四氯乙烷的效果進(jìn)行了研究。研究表明:對(duì)飲用水中四氯乙烷的去除效果最好，用5kGy的輻照劑量，就可以將其去除98%。而對(duì)污水廠二級(jí)出水，用高達(dá)8.3kGy的輻照劑量，也只能去除95%的四氯乙烷。對(duì)飲用水中全氯乙烯的去除效果要好于對(duì)處理廠進(jìn)水：1.6kGy的輻照劑量可以去除飲用水中98%的全氯乙烯，5kGy的輻照劑量去除率達(dá)到99.9%;而對(duì)處理廠進(jìn)水，8.3kGy的輻照劑量?jī)H能去除96%的全氯乙烯。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)：自由基消耗劑的存在會(huì)降低四氯乙烷和全氯乙烯的去除率。從目前研究情況看，對(duì)難降解的含氯有毒有機(jī)物進(jìn)行電子束輻照處理，使其完全分解為無毒產(chǎn)物(如CO2,H2O或C1-等)，所需要的輻照劑量大，一般的放射源難以滿足實(shí)際應(yīng)用。而電子束流輻照技術(shù)能夠提供所需要的反應(yīng)條件，具有較大的開發(fā)潛力和應(yīng)用價(jià)值。2.1.2電子束輻照去除無機(jī)物氤化物和絡(luò)合氤化物是浸金廢水中的主要污染物質(zhì)，并且有劇毒。劉宇等3］利用北京師范大學(xué)的電子直線加速器對(duì)不同CN-初始質(zhì)量濃度(572.44,1552.87mg/L),pH=12的鋅氤絡(luò)合物水溶液進(jìn)行了電子束輻照研究，輻照劑量為0-210kGy。研究表明，輻照開始階段隨著輻照劑量增大，鋅氤的降解率明顯上升，但是隨著輻照降解進(jìn)行，單位輻照劑量的貢獻(xiàn)逐漸減少；在電子束輻照條件下，降解總氤質(zhì)量濃度低的溶液反應(yīng)速率比濃度高的大，降解游離氤的反應(yīng)速率比降解絡(luò)合物的速率大。2.2電子束輻照殺菌污水中含有大量的細(xì)菌，會(huì)傳播疾病，需要對(duì)其進(jìn)行充分處理后才能作為生產(chǎn)和生活用水。傳統(tǒng)的消毒方法，如采用液氯和二氧化氯對(duì)飲用水消毒，在殺滅細(xì)菌的同時(shí)有可能引人其他的不利物質(zhì)Ml。由于細(xì)菌由有機(jī)復(fù)合物構(gòu)成，因此電子束輻照可以對(duì)其有效失活。張玉寶等［15］研究了不同電子束輻照劑量對(duì)城市污水中細(xì)菌的影響。研究結(jié)果表明：電子束輻照對(duì)滅除污水中的大腸桿菌具有顯著效果；大腸桿菌對(duì)電子束很敏感，2kGy的輻照劑量下，菌群數(shù)量可以降低2個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)輻照劑量提高到4kGy時(shí)，菌群數(shù)量又降低3個(gè)數(shù)量級(jí)。研究表明，電子束輻照可以有效減少細(xì)菌數(shù)，特別是總大腸菌群數(shù)經(jīng)過電子束輻照后會(huì)降到一個(gè)安全的水平。電子束輻照劑量為3kGy時(shí)具有較好的消毒作用，污水的質(zhì)量也會(huì)得到明顯改善。此外美國(guó)、韓國(guó)、奧地利、挪威等國(guó)家都在研究并應(yīng)用電子束輻照技術(shù)對(duì)飲用水或污水進(jìn)行殺菌消毒處理。2.3電子束輻照對(duì)廢水中污泥的處理污泥是廢水處理過程中不可避免的副產(chǎn)物，其含有大量的水分，以及大量的氮、磷、鉀及腐殖質(zhì)等物質(zhì)，可以作為農(nóng)用肥料、土壤改良劑和家畜飼料等。但是污泥中含有大量的污染物質(zhì)、病原體和相當(dāng)濃度的重金屬，必須對(duì)其進(jìn)行處理后才能夠被利用。若采用其他處理方法容易造成二次污染，而電子束輻照技術(shù)殺菌率高，能夠充分分解污泥中的有機(jī)物質(zhì)，降低有毒污染物的殘存量，比其他傳統(tǒng)技術(shù)的效果要好很多。B.Y.Chung等［16］利用電子束輻照技術(shù)對(duì)污泥中有機(jī)物的降解進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:作為污染物降解考察對(duì)象，16種多環(huán)芳烴隨著輻照劑量的增加含量不斷降低，在5kGy的輻照劑量下，16種多環(huán)芳香烴的降解率達(dá)到90%。美國(guó)于1984年在一個(gè)大型水處理廠建成了能量為1.5MeV，電子束寬為1.2m的污泥電子輻照裝置，處理量為27t/h，經(jīng)過電子束輻照處理的污泥經(jīng)存放后農(nóng)用。中科院近代物理研究所，為了解決污泥的消納問題，已與甘肅省蘭州市一家公司簽約，雙方共同研發(fā)“高能電子束對(duì)剩余污泥無害化處理研究項(xiàng)目”，這項(xiàng)技術(shù)在未來將有望被推向市場(chǎng)，形成產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作"I"］。2.4電子束輻照技術(shù)與其他工藝聯(lián)合使用由于輻照劑量和穿透力是限制電子束輻照的主要因素，因此要徹底地清除污染物就要消耗大量的能量。劉下國(guó)［1］，吳代順［19］等采用電子束輻照和臭氧聯(lián)合的處理方法對(duì)地下污水進(jìn)行了處理研究。他們分別采用臭氧+電子束和臭氧+生化方案對(duì)污水進(jìn)行處理。研究表明，兩種工藝都能達(dá)到對(duì)廢水處理的目的，而且采用臭氧+生化工藝可以節(jié)省更多的能量，要比前一套方案經(jīng)濟(jì)。但是采用臭氧+電子束處理工藝技術(shù)具有可以一步實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的處理且不產(chǎn)生污泥的優(yōu)點(diǎn)。另外污水處理廠采用活性炭吸附一電子束輻照處理污水，達(dá)到了既經(jīng)濟(jì)環(huán)保，又清除徹底的效果。3電子束輻照技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)高能電子束的可控性能好、反應(yīng)速率高、技術(shù)也相對(duì)成熟。電子束輻照技術(shù)作為21世紀(jì)的新一代廢水處理技術(shù)，具有其他常規(guī)技術(shù)方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：占地面積小，使用方便，不會(huì)產(chǎn)生污泥等二次污染，殺菌效果顯著。電子束輻照技術(shù)的應(yīng)用范圍也很廣，包括：飲用水、生產(chǎn)和生活污水、污泥的殺菌消毒；印染廢水的脫色、除臭、除味；降解污水中的有機(jī)污染物質(zhì)；工業(yè)廢水中高分子物質(zhì)的輻照聚合處理；污泥膠體脫穩(wěn)、增加其脫水性以及可過濾性；殺菌除垢及就地再生活性炭等。特別是對(duì)于一般技術(shù)難以處理的、難降解的有毒物質(zhì)，電子束輻照技術(shù)具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。電子束輻照技術(shù)的自動(dòng)化程度高、可常溫批量處理、效率高、能耗低、無損傷、無殘毒、無污染，并將逐漸取代對(duì)環(huán)境影響較大的鉆60-Y輻照技術(shù)[2。][21][22]不足之處:電子束與水作用產(chǎn)生的自由基與污染物質(zhì)反應(yīng)的選擇性差，并且易受自由基消耗劑的影響;處理污染物需要的輻照劑量一般較大，耗能大。由于高能電子束對(duì)固體和液體的穿透能力較為有限，處理污染物的能力在一定程度上也受到了限制。4展望加速器電子束輻照技術(shù)在污水治理上已經(jīng)顯示了巨大的潛力，具有其他技術(shù)不能比擬的優(yōu)點(diǎn)。特別是近幾年來，不僅有國(guó)家對(duì)于加速器高科技行業(yè)的投資力度的加大，還有加工行業(yè)的市場(chǎng)需求，這些對(duì)加快和促進(jìn)加速器電子束輻照技術(shù)的應(yīng)用普及和產(chǎn)業(yè)化具有較大的推動(dòng)作用。根據(jù)目前加速器電子束輻照技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況看，今后的研究工作主要集中在以下幾點(diǎn)：對(duì)污染物去除機(jī)理的深人研究。目前對(duì)于一些污染物的去除機(jī)理研究還不是很充分，需要繼續(xù)深人分析，更好地發(fā)揮電子束流輻照的作用。電子束輻照的高強(qiáng)度研究。有些污染物質(zhì)的處理需要更高的輻照劑量。為了在有限的時(shí)間內(nèi)完成，需要提高單位時(shí)間內(nèi)電子束流的輻照劑量，以及電子束流的穿透能力。因此需要提高電子束流強(qiáng)度和能量，發(fā)展高能量、高流強(qiáng)的輻照加速器。電子束流輻照技術(shù)與其他工藝技術(shù)的互補(bǔ)研究。由于每種技術(shù)都有一定的局限和不足之處，為了降低能耗、節(jié)約成本、提高處理的效果，一般要和其他工藝聯(lián)合使用，彼此彌補(bǔ)不足。并且需要對(duì)處理的對(duì)象有充分的了解，針對(duì)所處理的對(duì)象選用合適的聯(lián)合技術(shù)。為了提高電子束輻照技術(shù)的處理效果，有時(shí)需要對(duì)處理對(duì)象進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理。例如高能電子束對(duì)固體或液體的穿透能力有限，在對(duì)污泥等固體廢棄物輻照處理前需進(jìn)行嚴(yán)格的處理，如粉碎、稀釋、均質(zhì)，或制成很薄的餅狀等，以便更好地發(fā)揮電子束輻照的作用。拓寬電子束輻照的應(yīng)用領(lǐng)域，提高研究水平。目前電子束流輻照技術(shù)被廣泛應(yīng)用在環(huán)境治理、工業(yè)加工、食品衛(wèi)生等相關(guān)領(lǐng)域，取得了很好的效果。但相對(duì)于國(guó)外的應(yīng)用狀況，目前我國(guó)電子束流輻照技術(shù)在應(yīng)用方面還存在較大差距。應(yīng)該注重應(yīng)用領(lǐng)域范圍的開拓，充分利用電子束輻照技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。制定和完善相應(yīng)的政策法規(guī)，加大輻照技術(shù)的應(yīng)用和宣傳教育。電子束流輻照技術(shù)屬于核技術(shù)應(yīng)用的范疇，需要有相應(yīng)的政策法規(guī)來規(guī)范、約束和引導(dǎo)該技術(shù)的應(yīng)用和行業(yè)的發(fā)展。加強(qiáng)人們對(duì)于電子束輻照技術(shù)方面的認(rèn)識(shí)，為電子束輻照技術(shù)大規(guī)模的應(yīng)用創(chuàng)造條件。參考文獻(xiàn):[1]劉下國(guó)，鄭正，宋衛(wèi)華.電子束輻照法在水處理中的應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2002,22(2):4-7BorrelySI，CrugAC，DelMastroNL,etal.RadiationProcessingofSewageandSludge[J].ProgressinNuclearEnergy,1998,33(1/2):3-21BorrelySI,SampaMHO,PedrosoCB，etal.RadiationProcessingofWastewaterEvaluatedbyToucityAssays[J].Radiat-Phys.Chen.,2000,57(3-6):507-511吳明紅，包伯榮.輻射技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:1-190ZHANGSJ,YUHQ.Radiation-induceddegradationofpolyvinylalcoholinaqueoussolutions[J].WaterResearch2004，38(2)：309-316MeloR,VerdeSC,BrancoJ,etal.Gammaradiationinducedeffectsonslaughterhousewastewatertreatment[J].RadiationPhysicsandChemistry,2008,77(1):98-100盧希庭.原子核物理[M].修訂版.北京:原子能出版社，2000：56-57陳建平，張會(huì)杰等.加速器電子束輻照技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2014，34(3):1-6張玉寶，鄭輝，張曉東，等.利用輻射法處理污水的技術(shù)[J].黑龍江科學(xué)，2011,2(6):28-32Adeleke0F,ZhouRuimin,ZuJianhua,etal.Effectofelectronbeamirradiationonthedegradationofmonochlorophenolsinaqueoussolution[J].JournalofEnvironmentalSciences,2005，17(2):301-304邊紹偉，王敏，楊睿媛，等.苯胺類污染物的電子束輻照降解研究[J].輻射研究與輻射工藝學(xué)報(bào)，2005,23(2):119顧建忠，施文彥，吳明