微波在水處理中的研究現(xiàn)狀

張 劍,劉 琛

(1.河南省鄭州水利學校,河南鄭州 450011;2.河南省化工研究所有限責任公司,河南鄭州450052)

微波在水處理中的研究現(xiàn)狀

張 劍1,劉 琛2

(1.河南省鄭州水利學校,河南鄭州 450011;2.河南省化工研究所有限責任公司,河南鄭州450052)

介紹了微波技術(shù)在水處理方面的研究。利用微波技術(shù)能夠高效地降解難降解污水,去除污水中重金屬、有毒有害的有機物,熱解污泥防止二次污染。微波技術(shù)處理工藝具有處理速度快、單位處理污水的占地面積少、出水水質(zhì)好而穩(wěn)定、單位污水處理成本低等優(yōu)點,因此,微波法處理生活污水有良好的發(fā)展前景。

微波;水處理;污水

微波通常是指波長在1 mm～1 m(頻率為300 MHz～30 GHz)的特殊電磁波,目前915MHz和2 450 MHz兩個頻率廣泛為微波加熱所采用。微波輔助提取與傳統(tǒng)熱提取不同,傳統(tǒng)提取的傳熱方向與傳質(zhì)方向相反,傳質(zhì)方向是從內(nèi)到外,而傳熱方向為從外到內(nèi)。這種微波技術(shù)獨特的“體加熱原理”使它無論在提取效率、適用范圍及操作經(jīng)濟性方面,都具有獨特的優(yōu)勢。

1 處理難降解的污水

單獨使用微波處理污水的效果是不理想的,而且通常不能達標排放,通常在廢水中加入活性炭、過渡金屬氧化物等物質(zhì),可強化處理的效果[1]。采用活性炭吸附污水中的污染物是常用的一種方法,但吸附后的活性炭表面的有機物卻難以處理。然而,微波輻射能有效的解吸活性炭表面的有機物,使活性炭再生,并有利于有機物的消解和回收再利用。選擇適當?shù)拇呋瘎到怆y分解的有機物是至關(guān)重要的。例如:腈綸廢水是一種較為難降解的廢水,李國等以MnO2、T iO2為催化劑,用微波輻射,處理的效果較好(見表1),而且改善了廢水的可生化處理的性能(見表2)[2-3]。

表1 催化劑用量與COD去處率的關(guān)系

表2 最佳條件下腈綸廢水處理后的COD、BOD5及BOD、COD比值

此外,姚培正、鄧宇等[4]在催化劑活性炭存在的情況下,研究了微波輻射對染料廢水的處理效果。實驗表明,研究了微波輻照下,隨活性炭的加入量的增加去除率增加,但是當活性炭用量超過2 g時,增加的幅度越來越小了;同時實驗表明單一使用微波對溶液沒有任何的處理效果,這說明溶液的處理效果是微波輻射和活性炭共同處理的結(jié)果。洪軍等[5]研究了水溶液中苯酚的光催化降解效果。結(jié)果表明:反應30 min,微波輔助光催化(MAPC)能去除92%的苯酚,溶液總有機碳(TOC)減少84%。MAPC的最佳反應條件為:苯酚初始濃度10 mg/L,微波功率900 W,反應液體積50 mL,EDLs23、催化劑用量1～4 g/L,循環(huán)態(tài)流速15 mL/min。MAPC處理含酚廢水具有較好的應用潛能。洪光[6]等采用微波誘導氧化工藝(MIOP)技術(shù),以改性氧化鋁為催化劑,對雅格素藍BF-BR染料模擬廢水進行氧化處理。優(yōu)化了工藝條件,實驗在固液質(zhì)量比為1∶10(50 mL雅格素藍BFBR水溶液中投加510 g改性氧化鋁)。微波功率為400 W的條件下微波輻照處理5 min。在此工藝條件下,對水中雅格素藍BFBR的脫色率可達到98%,COD去除率為87.14%。改性氧化鋁在重復使用9次后仍能保持很高的脫色率。進一步研究表明在微波輻射場中,廢水中的有機污染物在改性氧化鋁表面,通過吸附—氧化協(xié)同作用而被迅速降解。I Polaert[7]等利用微波輻射,用活性炭催化氧化含酚廢水。在微波的非熱效應作用下,該實驗可以有效的去除酚。因此,微波為難降解污水的達標處理奠定了基礎(chǔ)。

2 去除重金屬離子及有毒有害的有機物

污水中主要含有重金屬離子以及有毒有害有機物,就可導致大部分水生動植物死亡,嚴重污染環(huán)境。傳統(tǒng)處理方法有化學還原法、沉淀法、物理膜分離法、吸附法、離子交換法、生物法、鐵氧體法以及這些方法的聯(lián)合來實現(xiàn),但是這些處理方法都普遍存在處理周期長、成本高、引入新的雜質(zhì)、不利于廢水再利用、受原水pH值過低或初始濃度過高的限制等缺點。例如,某化成箔生產(chǎn)廢水中Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度26g/L,pH值為0.5,用現(xiàn)有方法處理很難達標。曾有人用一種有機物質(zhì)MK做還原劑,將Cr(Ⅵ)還原為毒性小的Cr(Ⅲ),得到較純凈的Cr(OH)3沉淀,既凈化了含Cr(Ⅵ)廢水,又便于鉻的進一步回收利用。

在此基礎(chǔ)上李熠[8]等利用微波處理與化學還原相結(jié)合的方法還原含鉻廢水,試驗表明:在相同的反應時間與溫度下,采用微波加熱可明顯提高Cr(Ⅵ)轉(zhuǎn)化為Cr(Ⅲ)的反應速率,降低反應活化能,但不改變反應動力學;對于Cr(Ⅵ)初始質(zhì)量濃度為26 g/L,pH值為0.5含鉻廢水,與常規(guī)加熱還原法相比,微波加熱的反應速率更快,能耗更低,反應進行得更完全,出水中Cr(Ⅵ)質(zhì)量濃度可降至0.48 mg/L,可達標排放。

周亞紅[9]等利用微波輻射處理電鍍廢水,效果如表3所示。

表3 電鍍廢水原水水質(zhì)

此試驗表明:不同的微波輻射時間對電鍍廢水的處理有明顯的影響,隨著時間的增加,其去除率逐漸增加,在140 s時CODCr濃度值降到最低點,隨后下降趨勢不明顯。其去除率最大可達到78.0%;微波輻射可以很好地降低電鍍廢水中氰化物的危害,氰化物最高去除率可達99.9%。在處理時間為120 s時達到最好,之后趨于穩(wěn)定;微波處理對重金屬銅的去除效果也非常明顯,最大去除率可達87.0%。因此,微波可以縮短處理時間,加快化學反應的速度,提高對一些金屬離子,有毒有害的有機廢物的去除,去除效果也非常明顯。

3 對污泥的處理

余杰等[10]對國內(nèi)污水處理廠污泥的處置情況進行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)目前多數(shù)城市污水處理廠對于污泥的主要處置方法是土地填埋,其次是土地利用。但是由于填埋場大多為露天,經(jīng)過雨水淋濾后,沒有穩(wěn)定化和無害化的污泥很快恢復原形,對填埋場地的安全構(gòu)成了潛在危害。處理不到位的污泥還造成填埋場滲濾系統(tǒng)堵塞,嚴重污染附近的地下水。

微波法處理污泥是近年來研究的熱點。污泥與大部分有機廢物相同,含有大量易揮發(fā)性有機物。污泥熱解的原理是使污泥中有機物大分子在隔絕空氣的條件下,借助高溫的能量發(fā)生斷裂,產(chǎn)生小分子氣體、熱解溶液和碳渣。方琳等[11]微波熱解污泥的研究經(jīng)驗,將SiC作為吸能物質(zhì),并且把污泥本身的熱解固體殘留物分別添加到污泥中,實現(xiàn)污泥在微波場中的快速升溫及高溫熱解,并對其液、氣、固三態(tài)產(chǎn)物的特性及再利用價值加以分析。

實驗表明:添加SiC和固體殘留物的污泥微波高溫熱解液態(tài)產(chǎn)物的熱值可以達到37 MJ/kg以上,PAHs含量低于5.37%;氣態(tài)產(chǎn)物中H2和CO的體積分數(shù)在54%以上,熱值達到9 420 kJ/m3;這些產(chǎn)物的特性為其用作燃料提供可能。此外,與傳統(tǒng)熱解相比,微波熱解污泥過程中揮發(fā)作用產(chǎn)生的CO2可以促進熱解碳渣發(fā)生自揮發(fā)反應[12],從而使其產(chǎn)品中CO2濃度降低。

WongW T等[13]主要研究了微波加雙氧水高級氧化法處理二沉池污泥的效果,結(jié)果表明,在80℃甚至更高溫度下,微波加雙氧水高級氧化法處理的污泥,COD完全溶解,污泥中的營養(yǎng)物質(zhì)(氮、磷和金屬元素)也同時被溶解,然后可以用類似礦石結(jié)晶法的手段將這些營養(yǎng)物質(zhì)提取出來,并將其加以利用。與此同時,還可以起到對污泥殺菌和滅活的作用。

4 處理生活污水

一般污水中成分比較復雜,用一種方法難以實現(xiàn)處理目標,而往往采用多種方法相組合,從目前處理效果來看基本上能達到處理目標。但某些污染物(如磷)在大型污水廠中仍難達標,要達標的話將使投資和運行費用大大提高。由于是多種工藝流程相組合,所以工藝流程長,單體構(gòu)筑物多,設備多,反應過程緩慢,造成單體構(gòu)筑物容積大,使整個污水處理廠占地面積大、投資大,運行操作復雜,運行成本高,變成造得起,運行不起的局面。

微波污水處理法使微波場對投加有某種藥劑的單相流和多相流流體發(fā)生物理化學反應,在微波能的作用下,提高流體的溫度和壓力,強烈促進水中物質(zhì)的物理化學反應如催化作用、穿透作用、固體物之間的凝聚作用等。選擇性供能和物質(zhì)的吸能,催化氧化作用(如發(fā)生鐵氧化反應),它對水中的有毒重金屬具有強烈的吸附、凝聚作用,對有機物具有強烈的氧化破壞作用、還原作用以及滅菌作用等功能。

實踐證明該技術(shù)應用于水處理工程中可以克服常規(guī)污水處理法中存在的一些缺陷。虞睿[14]等微波法處理生活污水的試驗,結(jié)果表明:微波能可對污水中的污染物分子進行選擇性的分子供能;微波能對污水中的污染物與添加藥劑的化學反應具有強烈的催化作用,使微波場中的物化反應速度加快,使處理更加快捷;在微波場中,污水中的固態(tài)微粒能迅速匯集、沉降而與水分離;微波能對污水具有穿透能力而被其吸收;對金屬具有反射能力而幾乎不被其吸收,因而對容器中的污水供能非常均勻、高效、節(jié)能;微波能對病菌、病原體具有低溫高效殺滅功能。

微波工藝的出水水質(zhì)及污染物去除率都優(yōu)于常規(guī)法,出水質(zhì)很接近回用水質(zhì),更重要是,污泥沉降速度非?？?污泥含水率很低,微波深度處理后出水已經(jīng)非常優(yōu)質(zhì),優(yōu)于國標回用水標準。在很多場合,例如綠化、洗地、冷卻等方面,微波法排出的污泥無毒性,可直接做綠化,土壤或生產(chǎn)園林用肥。

5 展望

微波技術(shù)對水處理主要還是試驗研究和探索階段,在實際應用方面只做過某些局部試驗;但是微波技術(shù)處理難降解污水、污水中的重金屬離子及有毒有害的有機物、熱解污泥和生活污水具有的快速、高效、不帶入新的污染物、省時節(jié)能、簡化操作程序、能使處理工程小型化和分散化等優(yōu)點,是傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)不可比擬的,顯示了很大的潛力和優(yōu)勢。隨著處理技術(shù)理論的不斷完善、材料設備的不斷改進,微波技術(shù)必將成為一種經(jīng)濟、高效、具有廣闊發(fā)展前景的水處理技術(shù)。

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X703.1

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1003-3467(2010)18-0018-03

2010-08-25

張 劍(1983-),男,助理講師,從事教學工作,E-mail:ahjian2008@163.com。