水處理物化新技術(shù)

微波、超聲波和復(fù)合電磁場(chǎng)水處理技術(shù)摘要微波水處理技術(shù)、超聲波水處理技術(shù)及復(fù)合電磁場(chǎng)水處理技術(shù)是近年發(fā)展起來的新型水處理技術(shù)，它們?cè)谝欢ǔ潭壬峡朔顺Ｒ?guī)水處理技術(shù)的不足，在未來的水處理領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。本文簡(jiǎn)要介紹了這三種水處理技術(shù)的基本原理和應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞微波水處理技術(shù)超聲波水處理技術(shù)復(fù)合電磁場(chǎng)水處理技術(shù)內(nèi)部水處理的任務(wù)是采用物理、化學(xué)、生物或多種處理方法聯(lián)用的技術(shù)，將水體中的污染物轉(zhuǎn)化成對(duì)環(huán)境無害的物質(zhì)，并進(jìn)行回收利用。常規(guī)的水處理技術(shù)往往存在工藝流程長、廢水處理設(shè)施龐大、廢水處理工程總投資巨大以及處理后的水質(zhì)不穩(wěn)定，對(duì)難降解的可溶性有機(jī)物、磷、氮等營養(yǎng)性物質(zhì)處理不徹底等缺陷。這些缺陷常常在一定程度上限制了常規(guī)水處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，而近年發(fā)展起來的微波水處理技術(shù)、超聲波水處理技術(shù)及復(fù)合電磁場(chǎng)水處理技術(shù)等新型水處理技術(shù)，則在一定程度上克服了上述缺點(diǎn)，成為更簡(jiǎn)單、有效、經(jīng)濟(jì)并頗具發(fā)展前景的水處理新技術(shù)。1.微波水處理技術(shù)微波是指頻率為300MHz?300GHz的電磁波。微波水處理技術(shù)是把微波場(chǎng)對(duì)單相流和多相流物化反應(yīng)的強(qiáng)烈催化作用、穿透作用、選擇性供能及其殺滅微生物的功能用于水處理的一項(xiàng)新型技術(shù)。微波水處理技術(shù)與常規(guī)水處理技術(shù)的比較見表1。由表1可見，微波廢水處理技術(shù)可使廢水處理工程小型化、分散化，省掉城市建設(shè)中現(xiàn)行廢水處理工程長距離埋設(shè)的龐大排污管網(wǎng)，廢水經(jīng)微波處理后可100%回收，實(shí)現(xiàn)水的可持續(xù)利用。微波加熱破乳可進(jìn)行油水分離。加入化學(xué)試劑對(duì)油水乳濁液進(jìn)行破乳會(huì)帶來二次污染，而利用微波加熱破乳進(jìn)行油水分離則不會(huì)有此問題。Fang等研究了植物油-水-硅藻土乳濁液的微波加熱分離，并與常規(guī)加熱及不加熱重力沉降法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，微波加熱明顯加快了油水分離，且在相同條件下微波加熱比常規(guī)加熱有更高的油回收率。微波加熱可加速油水分離過程，一方面是由于其加快了水中油滴的上升速度（或油中水滴的下降速度），另一方面，微波加熱可加速凝聚過程，使油滴凝聚速率加快。微波加熱油水分離研究現(xiàn)已進(jìn)行了較大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。王金成［1］等利用微波誘導(dǎo)催化反應(yīng)，以蒽醍型染料活性艷藍(lán)KN-R為對(duì)象，研究在活性炭存在下微波輻射處理染料廢水的可行性。結(jié)果表明，在活性炭存在下，微波輻射能使活性艷藍(lán)KN-R溶液迅速脫色，微波輻射4min脫色率達(dá)97.1%。鄒縱柏等提出了利用微波輻射去除廢水中磺基水楊酸污染物的方法。先用活性炭吸附污染物，然后將濾出的活性炭用微波輻照再生，該方法對(duì)廢水中磺基水楊酸的去除率可達(dá)97.4%。微波還可有效地殺滅藍(lán)藻，藍(lán)藻在微波場(chǎng)中只需30?40s即由微細(xì)粒匯聚成大顆粒，并變黃沉降，與水分離，與此同時(shí)水中的富營養(yǎng)物也就得以降解。用微波處理廢水的多功能流體處理專用工業(yè)微波爐現(xiàn)已有商品出售，可廣泛適用于處理各種性質(zhì)的工業(yè)廢水及市政污水。其處理流程為：（1）廢水經(jīng)排污管進(jìn)入污水池，實(shí)現(xiàn)一級(jí)處理；（2）添加試劑，與污水發(fā)生物化反應(yīng)；（3）處理水流經(jīng)微波場(chǎng)約20s，出微波場(chǎng)2min開始沉清分離；（4）處理水進(jìn)入固液分離池后，實(shí)現(xiàn)二級(jí)處理；（5）液體回收再利用。表1.微波水處理技術(shù)與現(xiàn)行常規(guī)水處理技術(shù)的比較相關(guān)指標(biāo)微波水處理技術(shù)現(xiàn)行常規(guī)水處理技術(shù)城市生活污水有機(jī)污染工業(yè)廢水城市生活污水有機(jī)污染工業(yè)廢水廢水處理廠占地面積（畝/萬t）<12100 單位廢水處理能耗（KWh/t廢水）0.31?30.4采用加壓加溫氧化法導(dǎo)致能耗高單位廢水處理的運(yùn)行費(fèi)用（元/t廢水）0.30.8?1.20.6?0.8

單位廢水處理成本（元/t廢水）<0.82?31.4?1.64?6實(shí)現(xiàn)廢水處理物化反應(yīng)過程的條件常壓下并且不受環(huán)境溫度的控制常壓下?并且不受環(huán)境溫度的控制受環(huán)境溫度的直接控制，冬季低溫反應(yīng)進(jìn)程十分緩慢須在數(shù)個(gè)乃至數(shù)十個(gè)大氣壓并加溫的條件下才能實(shí)現(xiàn)氧化反應(yīng)處理過程中污染物與水的分離速度廢水進(jìn)微波場(chǎng)流經(jīng)約20S，出微波場(chǎng)后3min即開始澄清分離廢水在微波場(chǎng)中循環(huán)場(chǎng)外約10?40h反應(yīng)完成廢水由流入反應(yīng)池至流出，反映進(jìn)程約12h 處理過程中殺滅微生物的功能微生物已殺滅微生物已殺滅無滅殺微生物功能加壓加溫氧化使微生物殺滅產(chǎn)物再利用固相無菌可做復(fù)合肥，清水無菌可100%返回，實(shí)現(xiàn)水的可持續(xù)利用固相可二次利用，清水可100%返回利用固相需做深坑填埋處理，熱刺水需做深度處理才能利用加壓加溫氧化法產(chǎn)生的清水可返還使用對(duì)現(xiàn)行常規(guī)水處理技術(shù)產(chǎn)生的二次水深度處理能力二次水經(jīng)微波凈化后可100%返回再利用二次水經(jīng)微波凈化后可100%返回再利用對(duì)二次水的深度處理無能為力 規(guī)模效益使廢水處理過程小型分散化，可省掉城市建設(shè)中的現(xiàn)行污水常規(guī)處理技術(shù)必須集中處理而地下長距離埋設(shè)的龐大排污管網(wǎng)工程，降低了處理成本使廢水處理過程小型分散化，可省掉城市建設(shè)中的現(xiàn)行污水常規(guī)處理技術(shù)必須集中處理而地下長距離埋設(shè)的龐大排污管網(wǎng)工程，降低了處理成本因廢水物化處理反應(yīng)過程緩慢而必須集中處理，日處理水量須在10萬噸以上方能降低單位處理成本，地下長距離埋設(shè)龐大的排污管網(wǎng)工程必給城市安全帶來隱患 微波水處理技術(shù)應(yīng)用于新建污水處理廠，無論從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上考慮都是可行的。使用微波法處理廢水，在降低了投資總額的前提下，處理后廢水出水水質(zhì)大大提高，可作為沖洗或綠化用水直接使用，其經(jīng)濟(jì)性是傳統(tǒng)活性污泥法無法比擬的。而且微波的可控性強(qiáng)，易于調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)廢水水質(zhì)水量的變化適應(yīng)性強(qiáng)。到目前為止，微波能污水處理技術(shù)已成功應(yīng)用于滇池水等生活污水與日用化工廠廢水、造紙廢水、焦化廠廢水、電廠廢水、繅絲廠廢水及制糖酒精廢液等多種廢水的處理，均取得了較好的處理效果。2.超聲波水處理技術(shù)超聲波降解水中有機(jī)污染物的技術(shù)操作條件溫和，降解速度快，適用范圍廣，可以單獨(dú)或與其他水處理技術(shù)聯(lián)合使用，是一種很有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的水處理技術(shù)。2.1超聲波處理廢水的基本原理超聲波通常是指頻率為2X104?2X105Hz的聲波。超聲波降解水中有機(jī)污染物是一個(gè)物理-化學(xué)過程，其主要源于聲空化效應(yīng)及由此引發(fā)的物理和化學(xué)變化［2］。液體的聲空化過程是集中聲場(chǎng)能量并迅速釋放的過程，即液體在超聲輻射下產(chǎn)生空化氣泡，這些空化氣泡吸收聲場(chǎng)能量并在極短的時(shí)間內(nèi)崩潰釋能。在空化氣泡崩潰的極短時(shí)間內(nèi)，在其周圍極小的空間范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生1900?5200K的高溫和超過50MPa的高壓，并伴有強(qiáng)烈的沖擊波和微射流等現(xiàn)象。在這些極端條件下，進(jìn)入空化氣泡的水分子可發(fā)生熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生氧化能力很強(qiáng)的?OH自由基，另外溶解在溶液中的空氣也會(huì)發(fā)生自由基裂解反應(yīng)，產(chǎn)知?和0?自由基。這些自由基會(huì)進(jìn)一步引發(fā)有機(jī)分子的斷鏈和氧化還原反應(yīng)；而進(jìn)入氣泡內(nèi)的有機(jī)污染物蒸汽也可發(fā)生類似燃燒的熱分解反應(yīng)，從而得以降解。此外，在空化氣泡表面層的水分子則可形成超臨界水。超臨界水具有低介電常數(shù)、高擴(kuò)散性及高傳輸能力等特性，是一種理想的反應(yīng)介質(zhì)，有利于有機(jī)污染物降解速率的增加?？梢姡暡ń到馑w中的有機(jī)污染物是通過-0H自由基氧化、氣泡內(nèi)燃燒分解、超臨界水氧化三種途徑進(jìn)行的。近年來超聲降解水中污染物的研究主要集中于易揮發(fā)的鏈狀有機(jī)物。研究表明，這些非極性、易揮發(fā)的有機(jī)物降解速度快，可能是因?yàn)檫@些有機(jī)物可直接在空化氣泡內(nèi)燃燒或熱分解。對(duì)水中極性強(qiáng)、難揮性有機(jī)物的超聲波降解研究表明，超聲輻射不僅能使這些物質(zhì)脫氯、脫硝基，而且可使苯環(huán)發(fā)生斷裂，但降解的速度較慢。超聲波降解的影響因素包括超聲波頻率、超聲功率強(qiáng)度、溶液溫度、溶液性質(zhì)、空化氣體及超聲波反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)等。只要降解條件合適，反應(yīng)時(shí)間足夠長，超聲波降解的最終產(chǎn)物都應(yīng)為熱力學(xué)穩(wěn)定的單質(zhì)或礦化物。2.2超聲波水處理技術(shù)與其他水處理技術(shù)聯(lián)用超聲波水處理技術(shù)不僅可單獨(dú)用于水體中有機(jī)污染物的降解，也可與其他水處理技術(shù)聯(lián)用而提高處理效率。2.2.1超聲/光催化聯(lián)用技術(shù)利用光催化技術(shù)處理有機(jī)污染物是一種很有效的方法。采用超聲波的催化效應(yīng)可使光催化劑TiO2均勻分散，有利于提高其催化活性。研究表明，在0.2%的TiO2存在下，采用紫外光照射可有效地分解五氯化苯酚，若再加上超聲輻射，則可使五氯化苯酚的分解率提高20%。2.2.2超聲/臭氧氧化聯(lián)用技術(shù)超聲和臭氧聯(lián)合凈化飲用水可以提高處理效率，超聲空化能使細(xì)菌團(tuán)分裂，使臭氧氣泡保持較小的狀態(tài)，從而提供較大的氧化面積，大大提高殺菌能力。趙朝成等［3］研究了超聲/臭氧氧化聯(lián)用技術(shù)處理硝基苯廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著超聲功率的增大，臭氧氧化反應(yīng)的能力也增強(qiáng)；隨著臭氧量的加大和反應(yīng)時(shí)間的延長，硝基苯的去除率也得以提高。2.2.3超聲/電化學(xué)聯(lián)用技術(shù)利用超聲的空化效應(yīng)，可在電化學(xué)反應(yīng)中使電極不形成覆蓋層，避免電極活性下降；超聲空化效應(yīng)還有利于協(xié)同電催化過程產(chǎn)生-OH，而使污水中的污染物的分解加速；超聲還可使有機(jī)物在水溶液中充分分散，從而大幅度提高反應(yīng)器的處理能力oMizera等在電解氧化處理含酚廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，無超聲存在時(shí)，只有50%的分解率，若使用25kHz、104W/m2的超聲波處理時(shí)，酚的分解率會(huì)提高到80%。劉靜等利用超聲/電化學(xué)聯(lián)用技術(shù)對(duì)印染廢水的處理表明，在超聲波和電場(chǎng)的協(xié)同作用下，廢水的脫色率大大高于單獨(dú)使用超聲波時(shí)的脫色率。2.2.4超聲/絮凝聯(lián)用技術(shù)沈壯志等［4］利用超聲與聚合硫酸鐵/H2O2的協(xié)同作用，聯(lián)合對(duì)造紙廠黑液廢水進(jìn)行了初步處理研究。結(jié)果表明，聯(lián)合處理比單獨(dú)用聚合硫酸鐵/H2O2處理，CODCr的去除率提高11.4%?13.3%；與同等條件處理結(jié)果相比，利用超聲可節(jié)約聚合硫酸鐵14%，可節(jié)約H2O250%?80%，此聯(lián)用技術(shù)可作為造紙黑液生物處理前期的預(yù)處理技術(shù)。此外，超聲/O3/UV聯(lián)用、超聲/化學(xué)氧化聯(lián)用、超聲/生物處理法聯(lián)用［5,6］等技術(shù)的研究表明，它們對(duì)化學(xué)污染物的降解效率均大于單獨(dú)采用超聲波技術(shù)的降解效率。超聲技術(shù)及其與其他水處理技術(shù)的聯(lián)合可應(yīng)用于廢水處理，特別是用于城市污水適度回用、中水回用和高濃度、難降解有機(jī)物污染廢水處理等。該技術(shù)處理工藝流程短，污染量少，結(jié)構(gòu)緊湊，占地小，無需增加消毒裝置，在運(yùn)行中啟動(dòng)，操作管理方便，受水質(zhì)、水量負(fù)荷的沖擊輕，經(jīng)濟(jì)上較合理。2.3超聲波水處理技術(shù)今后的發(fā)展方向目前，國內(nèi)外學(xué)者利用超聲波技術(shù)降解水中的污染物已多達(dá)幾十種，但所研究的對(duì)象多為單組分模擬體系，而實(shí)際污水中常含有多種污染物，因此超聲波技術(shù)在實(shí)際污水處理中的適用性如何還有待進(jìn)一步的研究。此外，目前有關(guān)利用超聲波技術(shù)降解水中污染物的研究大多屬于實(shí)驗(yàn)室階段，且由于聲化學(xué)反應(yīng)過程的降解機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)放大等方面的研究開展得很不充分，目前還難以實(shí)現(xiàn)工程化。因此，加強(qiáng)對(duì)多組分污染物模擬體系的研究，并對(duì)聲化學(xué)反應(yīng)過程的降解機(jī)理、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)放大進(jìn)行深入研究，通過優(yōu)化參數(shù)和改進(jìn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高降解效率、降低成本，是今后超聲波技術(shù)應(yīng)用于水處理的發(fā)展方向。3復(fù)合電磁場(chǎng)水處理技術(shù)復(fù)合電磁場(chǎng)系統(tǒng)可用于醫(yī)院污水的消毒滅菌。它主要由3個(gè)基本單元構(gòu)成：穩(wěn)恒磁場(chǎng)、高壓靜電場(chǎng)和低壓直流電場(chǎng)。王佩等［7］利用復(fù)合電磁場(chǎng)對(duì)水質(zhì)較為惡劣的醫(yī)院污水進(jìn)行處理，處理后水的大腸菌群為0cfu/L，各理化指標(biāo)除COD稍高外，均達(dá)到生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。復(fù)合電磁場(chǎng)系統(tǒng)消毒滅菌的可能機(jī)制是：污水在整個(gè)裝置中沿著與電場(chǎng)及磁場(chǎng)相垂直的方向做切割磁力線與電力線的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，水中微生物細(xì)胞內(nèi)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)受到洛倫磁力和感應(yīng)電流的綜合影響，同時(shí)細(xì)胞膜可充當(dāng)一個(gè)“電場(chǎng)集中器”，使得細(xì)胞內(nèi)電場(chǎng)為外加電場(chǎng)的兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在電磁場(chǎng)反復(fù)作用下，細(xì)胞的離子通道、生物酶的立體結(jié)構(gòu)受到扭曲和破壞，生物大分子鍵斷裂或產(chǎn)生不可逆的構(gòu)型變化，最終可使微生物致死。此外，在低壓直流電場(chǎng)的陽極會(huì)產(chǎn)生大量新生態(tài)的［O］及H2O2。由于細(xì)菌菌體通常帶負(fù)電，故會(huì)向陽極移動(dòng)，在陽極附近被局部高濃度的［O］及H2O2滅活。污水中產(chǎn)濁度的膠體物質(zhì)，經(jīng)復(fù)合電磁場(chǎng)處理后其膠核與周圍“離子氛”的電特性改變，膠體微粒產(chǎn)生脫穩(wěn)并凝聚，同時(shí)拉動(dòng)水中其它污染物共同沉淀，因而復(fù)合電磁場(chǎng)能使?jié)崴兦宀⑷コ泻ξ镔|(zhì)，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。復(fù)合電磁場(chǎng)處理污水不需投加任何藥劑，可避免帶來二次污染；消毒效果好且不會(huì)產(chǎn)生具有“三致”作用的氯化副產(chǎn)物。污水若經(jīng)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理后再經(jīng)復(fù)合電磁場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行深度凈化，處理后的水可回收利用。參考文獻(xiàn)1王金成，薛大明，全夔等.微波輻射處理活性艷藍(lán)KN-R染料溶液的研究.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21(5)：628?6312劉冬蓮，黃艷斌.水處理氧化技術(shù)中-OH的形成機(jī)理.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2003,26(2)：44?463趙朝成，趙