微波技術(shù)應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域的研究及展望

劉運(yùn)勝　劉繼先　孫華章

摘要：闡述了微波技術(shù)應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)，分析并總結(jié)了污水處理領(lǐng)域應(yīng)用微波技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對(duì)微波技術(shù)未來(lái)的發(fā)展與應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：微波；污水處理；污泥處理

中圖分類號(hào)：S703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1674-9944（2016）06-0036-03

1 引言

微波通常是指波長(zhǎng)在1mm～1m的特殊電磁波，微波的頻率為300MHz～300GHz，民用微波的頻率通常在915～2450MHz之間，而一般915MHz為工業(yè)上使用的頻率。近年來(lái)，微波技術(shù)的發(fā)展使得其被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染治理領(lǐng)域，特別是在污水治理領(lǐng)域的研究有了很大的突破，同時(shí)在環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面獲得了大量的研究結(jié)果。微波自身的選擇性快速加熱、無(wú)二次污染的特點(diǎn)使得其可以與其他污水處理技術(shù)良好的結(jié)合，所以微波應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

2 微波的化學(xué)理論基礎(chǔ)

2.1 微波的熱效應(yīng)

通常利用微波加熱介質(zhì)是基于兩種機(jī)理，這兩種機(jī)理分別是離子傳導(dǎo)和偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)。在微波加熱介質(zhì)的過(guò)程中，一般這兩種機(jī)理產(chǎn)生的微波加熱效應(yīng)同時(shí)存在。

介質(zhì)中的可離解的離子在電磁場(chǎng)中移動(dòng)會(huì)形成電流，介質(zhì)本身會(huì)對(duì)離子產(chǎn)生阻礙，從而會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，這就是微波的離子傳導(dǎo)產(chǎn)熱機(jī)理。微波離子傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱效應(yīng)大小與介質(zhì)本身的離子濃度以及遷移率相關(guān)。

若介質(zhì)本身是由許多一端帶正電，一端帶負(fù)電的分子（或偶極子）組成的，則其會(huì)隨外加電場(chǎng)方向的改變而不斷的作擺動(dòng)，此時(shí)，受到分子熱運(yùn)動(dòng)的干擾和阻礙，介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生了類似摩擦的作用，就會(huì)使得介質(zhì)內(nèi)部的分子獲得能量，介質(zhì)內(nèi)部分子能量提高后，介質(zhì)宏觀表現(xiàn)的溫度也隨之升高，這就是微波產(chǎn)生的偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)加熱現(xiàn)象的機(jī)理。偶極子加熱的效率通常由介質(zhì)的弛豫時(shí)間以及介質(zhì)本身的粘度和溫度決定。

綜合來(lái)看，微波加熱介質(zhì)的機(jī)理就是通過(guò)介質(zhì)的介電損耗而發(fā)熱，從而可以使介質(zhì)內(nèi)部的分子在短時(shí)間達(dá)到極化狀態(tài)，并且會(huì)加劇介質(zhì)內(nèi)部分子的運(yùn)動(dòng)與碰撞，增加介質(zhì)內(nèi)部分子的動(dòng)能。由于電磁能量是通過(guò)波的形式輻射到介質(zhì)內(nèi)部，在利用微波加熱介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的內(nèi)外會(huì)同時(shí)被加熱，所以被加熱的過(guò)程中介質(zhì)的內(nèi)外受熱均勻，這是微波加熱最顯著的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)。

2.2 微波的非熱效應(yīng)

關(guān)于微波可以加速化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，目前在學(xué)術(shù)界觀點(diǎn)并不一致，部分研究者認(rèn)為微波加速化學(xué)反應(yīng)主要靠其熱效應(yīng)。但這種說(shuō)法對(duì)有些溫度相同，但微波加熱依然能夠比正常加熱反應(yīng)迅速的現(xiàn)象無(wú)法解釋。所以，有另一部分研究人員認(rèn)為，在微波參與化學(xué)反應(yīng)時(shí)，由于微波輻射作用，反應(yīng)物中的極性分子會(huì)隨之產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，從而分子會(huì)發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生碰撞，即微波可以在反應(yīng)過(guò)程中提高分子活性，同時(shí)降低反應(yīng)活化能和分子的化學(xué)鍵強(qiáng)度，這種觀點(diǎn)就是微波的非熱效應(yīng)理論。但是，也有研究表明，每摩爾頻率在1～100GHz范圍內(nèi)的微波的光量子能量?jī)H能達(dá)到0.4～40J，這樣的輻射能量無(wú)法使部分有機(jī)物的化學(xué)鍵斷裂。

所以，至今微波的非熱效應(yīng)雖然被提出，但是仍然存在一些爭(zhēng)議，許多由微波產(chǎn)生的反應(yīng)現(xiàn)象還有待進(jìn)一步的研究。

3 應(yīng)用微波處理污水的研究

雖然微波產(chǎn)生的有些現(xiàn)象還無(wú)法合理的得到解釋，但是其良好的加速化學(xué)反應(yīng)的作用是可以肯定的，所以微波在水處理方向上的應(yīng)用是非常有潛力的。

通常來(lái)說(shuō)，單獨(dú)使用微波技術(shù)來(lái)作為處理污水的方法，其效果不理想，微波難以代替其他傳統(tǒng)的水處理工藝，但是微波可以作為一種輔助手段在水處理中應(yīng)用，對(duì)已有的水處理工藝進(jìn)行改良，從而使其處理效果提升。

3.1 微波與活性炭聯(lián)用

微波與活性炭聯(lián)用可應(yīng)用于處理難降解污水。利用活性炭作為催化劑，微波輻射進(jìn)行強(qiáng)化。采用活性炭吸附污水中的污染物是在污水處理領(lǐng)域常用的一種方法，采用微波輻射與活性炭吸附聯(lián)用時(shí)，微波可以有效的對(duì)活性炭表面的有機(jī)物進(jìn)行解吸，從而使活性炭可以同步再生，這不僅有利于有機(jī)物的消解，同時(shí)也可以對(duì)其進(jìn)行更好的回收利用，提高了活性炭在廢水處理過(guò)程中的效率。

微波與活性炭聯(lián)用的方式也是靈活多變的。微波輻射不僅可以對(duì)活性炭吸附的污染物脫附并對(duì)污染物進(jìn)行降解，同時(shí)，也可以直接利用微波對(duì)含有活性炭催化劑的廢水進(jìn)行輻射，直接通過(guò)微波輻射對(duì)污染物進(jìn)行降解。Chih.G利用活性炭顆粒吸附二甲苯、萘等有機(jī)物質(zhì)，再通過(guò)低能度微波輻射對(duì)活性炭進(jìn)行解吸及污染物降解，有機(jī)物的最終分解率很高，甚至可以完全分解。阮新潮等在利用活性炭處理苯酚廢水時(shí)利用加入微波輻射對(duì)活性炭進(jìn)行再生，經(jīng)過(guò)微波輻射再生后的活性炭對(duì)苯酚去除率高于98%。所以，微波與活性炭聯(lián)用，由于微波對(duì)有機(jī)物的降解進(jìn)行強(qiáng)化，可以對(duì)活性炭吸附的有機(jī)污染物有很高的去除效率，進(jìn)而增加活性炭的使用壽命，并且通過(guò)不斷對(duì)污染物降解，可以增加活性炭吸附的效率。

3.2 微波與高級(jí)氧化技術(shù)聯(lián)用

高級(jí)氧化技術(shù)的基本原理就是再其氧化過(guò)程中產(chǎn)生的羥基自由基（·OH）通過(guò)電子轉(zhuǎn)移、親電加成等反應(yīng)對(duì)水中的各種有機(jī)污染物進(jìn)行降解，將各類污染物特別是有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為CO₂、H₂O等無(wú)害物質(zhì)，或?qū)⒉糠执蠓肿游廴疚镛D(zhuǎn)化成為易生物降解的小分子中間產(chǎn)物。通常，在反應(yīng)過(guò)程中羥基自由基的生成率較低，所以導(dǎo)致在污水處理中其運(yùn)行成本較高。

采用微波輻射與高級(jí)氧化技術(shù)聯(lián)用，可以降低反應(yīng)過(guò)程中的活化能，有利于羥基自由基（·OH）在反應(yīng)過(guò)程中的產(chǎn)生，從而可以提高其生成效率，進(jìn)而降低其在污水處理中的運(yùn)行成本。目前，已經(jīng)有許多研究人員在污水處理的研究中采用微波與各種高級(jí)氧化技術(shù)的聯(lián)用技術(shù)，取得了不錯(cuò)的效果。Han利用微波與UV-雙氧水聯(lián)用技術(shù)處理苯酚溶液，提高了苯酚溶液的降解速度，可以在5min內(nèi)使得苯酚降解率達(dá)到90%。陳芳艷在處理對(duì)硝基氯苯的過(guò)程中采用微波與Fenton試劑聯(lián)用技術(shù)，在10min內(nèi)即可降解其中98%以上的對(duì)硝基氯苯。畢曉伊采用微波與ClO₂催化聯(lián)用技術(shù)處理含酚廢水，對(duì)于廢水中酚的濃度低于100mg/L的含酚廢水，其去除率可達(dá)90%以上。微波與高級(jí)氧化聯(lián)用可以在處理廢水過(guò)程中，提升對(duì)污染物的降解速度，從而可以在短時(shí)間內(nèi)提高高級(jí)氧化方法對(duì)污染物的去除效率，在相同時(shí)間內(nèi)處理更多的污染物，提高污水的處理量。

3.3 微波與生物處理聯(lián)用

目前在國(guó)內(nèi)外污水處理應(yīng)用的技術(shù)中，生物處理是應(yīng)用最廣泛并且最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，強(qiáng)化生物處理技術(shù)的效率將會(huì)使現(xiàn)有的污水處理廠的運(yùn)行效果有很大的提高。所以，國(guó)內(nèi)外很多研究人員都對(duì)采用微波與生物技術(shù)聯(lián)用進(jìn)行了研究。

肖廣全采用微波與生物接觸氧化聯(lián)用的工藝對(duì)制藥廢水進(jìn)行降解處理，其單獨(dú)利用微波作為預(yù)處理工藝，而生物接觸氧化作為后續(xù)處理工藝，兩種工藝聯(lián)用可以大幅度去除制藥廢水的COD以及氨氮，其去除率分別可以達(dá)到98%和60%。虞睿采用微波作為深度處理工藝，對(duì)常規(guī)生物法處理后的生活污水進(jìn)行處理方式，相比于其他的深度處理，微波處理成本控制較好，效率也較高，處理后的水質(zhì)接近地表水Ⅲ類水體水質(zhì)。

采用微波作為預(yù)處理或者深度處理工藝與生物處理技術(shù)聯(lián)用，投資較低，運(yùn)行簡(jiǎn)單，對(duì)污水處理效果較好，可以有效地對(duì)污水常規(guī)的生物處理工藝進(jìn)行強(qiáng)化，特別是對(duì)難降解物質(zhì)有很好的強(qiáng)力去除效果。

4 應(yīng)用微波處理污泥的研究

目前國(guó)內(nèi)污水處理廠排放的污泥多數(shù)都是進(jìn)行了填埋處理，污泥資源化利用仍然不夠普及。污泥填埋占地面積大，浪費(fèi)土地資源，而且還會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)周邊環(huán)境可能造成污染。

利用微波輻射處理污泥是近年來(lái)污泥處理研究的熱點(diǎn)。通常污水處理產(chǎn)生的污泥中都會(huì)含有較多的有機(jī)物，特別是易揮發(fā)性的有機(jī)物質(zhì)，而大部分的有機(jī)物都可以被資源化利用。利用微波輻射處理污泥，靠微波的熱效應(yīng)對(duì)污泥進(jìn)行熱解，靠微波形成的高溫使污泥中有機(jī)物大分子在隔絕空氣的條件下發(fā)生斷裂，從而產(chǎn)生可以回收利用的熱值較高的氣體、熱解溶液和碳渣。

方琳利用SiC作為介質(zhì)，對(duì)添加SiC和固體殘留物的污泥進(jìn)行微波高溫?zé)峤庠囼?yàn)，熱解污泥產(chǎn)生的熱解液的熱值可以達(dá)到37MJ/kg以上，同時(shí)熱解液中的PAHs含量低于5.37%，可以回收利用；同時(shí)，熱解過(guò)程中產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物的熱值可以達(dá)到9420kJ/m³，若對(duì)其收集利用，可以節(jié)約大量能源。所以，通過(guò)微波熱解污泥不僅可以對(duì)污泥進(jìn)行減量化、無(wú)害化處理，還可以滿足對(duì)污泥進(jìn)行資源化利用的目的，使其變?yōu)槟茉础?/p>

Wong W T采用微波與雙氧水聯(lián)用技術(shù)對(duì)二沉池污泥進(jìn)行降解處理，控制溫度在80℃，污泥中的COD基本完全溶解，同時(shí)，由于微波產(chǎn)生的熱能使污泥的氮、磷和金屬元素等溶解于水中，后續(xù)可以通過(guò)結(jié)晶法等手段將其提取，并加以利用。通過(guò)微波與高級(jí)氧化技術(shù)聯(lián)用，可以大幅度削減污泥的體積，并對(duì)污泥有殺菌和滅活的作用，與此同時(shí)，還可以提取利用污泥中包含的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，極大地獲取了污泥自身所含有的資源。

5 應(yīng)用微波進(jìn)行水處理監(jiān)測(cè)的研究

微波輻射所產(chǎn)生的消解作用，使得微波技術(shù)可以在水處理監(jiān)測(cè)中得以應(yīng)用。采用微波消解技術(shù)通常是將試樣和酸的混合物作為發(fā)熱體，而后利用微波進(jìn)行加熱。采用微波加熱的過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)的熱量幾乎不向外擴(kuò)散，所以其產(chǎn)生的熱效率很高，有利于試樣充分混合，從而可以迅速地對(duì)試樣進(jìn)行分解。

余丹梅利用微波消解測(cè)定水中總磷，取得了較好的效果，試驗(yàn)采用鉬酸銨進(jìn)行分光光度法測(cè)定，利用微波消解比傳統(tǒng)消解法省時(shí)，省電，并且精確度也較高；石曉云通過(guò)微波消解法對(duì)煉油污水中的總磷進(jìn)行測(cè)定，不僅測(cè)定的效率高，對(duì)環(huán)境污染小，而且方便操作；周錫堂通過(guò)微波消解法測(cè)定煉油污水的化學(xué)需氧量，試驗(yàn)中加入CuSO₄-MgSO₄為催化劑，檢測(cè)速度快，成本低，是一種經(jīng)濟(jì)節(jié)約的好方法。

6 微波在污水處理其他方面應(yīng)用的研究

微波加熱無(wú)滯后效應(yīng)，在進(jìn)行某些物質(zhì)合成時(shí)，可有效地加快反應(yīng)進(jìn)行的速度，可以縮短化學(xué)反應(yīng)的周期。李萬(wàn)捷在聚丙烯酰胺（PAM）制備反應(yīng)中利用微波輻射技術(shù)，不僅加快了PAM的合成速度，并且合成的高聚物的分子量分布相對(duì)均勻，更有利于在水處理中的應(yīng)用。

在污水處理工藝中，經(jīng)常要在不同的階段投加各種不同的聚合物。由于微波加熱均勻并且熱量損失小的特性，不僅合成速度較快，熱量損失小，經(jīng)濟(jì)性好，并且合成高聚物的分子量分布也均勻，應(yīng)用于水處理中可以減少投藥量，并且效率更高。所以，利用微波制備絮凝劑等藥劑對(duì)促進(jìn)水處理工藝有著廣闊的發(fā)展前景。

7 結(jié)語(yǔ)

微波作為一種新興的工藝手段，在研究過(guò)程中還存在許多機(jī)理方面的問(wèn)題，諸多現(xiàn)象仍然無(wú)法得到合理的解釋。但是，微波可以有效的加速化學(xué)反應(yīng)，使得一些普通的化學(xué)反應(yīng)速率提高幾十到上百倍，還可以使得正常狀態(tài)下不能發(fā)生的反應(yīng)得以發(fā)生。由于其具備的特性，可以使得其在水處理領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展前景。利用微波與其他技術(shù)聯(lián)用對(duì)污水及污泥的處理在未來(lái)會(huì)有更廣闊的發(fā)展空間，隨著技術(shù)的發(fā)展，微波技術(shù)一定會(huì)在水處理領(lǐng)域有更多更合理的應(yīng)用。