USF+電磁波技術(shù)在石油化工廢水處理中的應(yīng)用

曹建明，王忠民，韓力偉

(中持水務(wù)股份有限公司，北京 100010)

1 微波水處理技術(shù)

微波是頻率在300兆赫到300千兆赫之間的電磁波，它在空間以光速30萬(wàn)km/s直線傳播。當(dāng)被它輻照的物料是極性分子時(shí)，后者在極高速變化的微波作用下，分子的極性取向?qū)㈦S之發(fā)生快速變化，從而加劇分子運(yùn)動(dòng)及其內(nèi)部變化，此時(shí)微波能量轉(zhuǎn)化為熱能、化學(xué)能等其它能量，使物料產(chǎn)生新的物理化學(xué)等變化，從而達(dá)到應(yīng)用微波能加工的目的[1]。其特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 它以極快的速度對(duì)被輻照物料直接發(fā)生作用，瞬間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，從而大大提升了加熱、干燥、殺菌、合成等反應(yīng)速度。

(2) 穿透力強(qiáng)。對(duì)可加工的物料具有較強(qiáng)的穿透性。工業(yè)用微波可穿透數(shù)公分乃至數(shù)十公分，故可對(duì)一定厚度的物料進(jìn)行整體性加工，且均勻性好。

(3) 節(jié)能高效。微波能對(duì)物料的作用是在輻照時(shí)發(fā)生，能量直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，無(wú)需經(jīng)過(guò)“中介”傳遞，效力高。其加工過(guò)程較傳統(tǒng)加工快得多，大大減少了能耗。

(4) 選擇性強(qiáng)。微波能對(duì)物料的作用程度主要取決于物料吸收微波的特性。微波對(duì)不同物料作用各有不同，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的選擇性。人們可以據(jù)此對(duì)物料進(jìn)行選擇性加工。

微波化學(xué)污水處理技術(shù)的基礎(chǔ)是“極性分子理論”。外加微波場(chǎng)可使水中的極性分子因趨向作用而發(fā)生頻率極高的振蕩運(yùn)動(dòng)，消耗能量而發(fā)熱。在微波場(chǎng)中物質(zhì)的吸波與否和吸波強(qiáng)弱，與該物質(zhì)的電性質(zhì)有關(guān)[2]。根據(jù)此"極性分子理論"，微波不僅可以加快化學(xué)反應(yīng)，在一定條件下也能抑制反應(yīng)的進(jìn)行。微波對(duì)化學(xué)反應(yīng)的作用除了對(duì)反應(yīng)加熱引起反應(yīng)速率改變以外，還具有電磁場(chǎng)對(duì)反應(yīng)分子間行為的直接作用而引起的所謂“非熱效應(yīng)”?！H是一種非常活躍的物質(zhì)，具有很高的活性，而在水分子的周圍存在著很多的灰體，這些物質(zhì)如同一座無(wú)形的屏障，束縛了·OH的自由活動(dòng)，從而導(dǎo)致水體自凈功能大大下降，水體污染加劇。微波能夠沖破這座無(wú)形的屏障，重新釋放出·OH，從而能夠加速水體的凈化[3]。

2 微波與USF的耦合技術(shù)

然而，許多有機(jī)化合物都不直接明顯地吸收微波，但可以利用某種強(qiáng)烈吸收微波的“敏化劑”把微波能傳給這些物質(zhì)而誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)。利用這些“敏化劑”就可以在微波輻射下實(shí)現(xiàn)某些催化反應(yīng)，這就是所謂微波誘導(dǎo)催化反應(yīng)。高強(qiáng)度連續(xù)微波輻射聚焦到某種“敏化劑”的表面，由于"敏化劑"表面點(diǎn)位與微波能的強(qiáng)烈相互作用，微波能將被轉(zhuǎn)變成熱能，從而使某些表面點(diǎn)位選擇性的被很快加熱至很高溫度(例如很容易超過(guò)1400℃)[4]。盡管反應(yīng)其中的水沒(méi)有明顯升溫，但當(dāng)水中的有機(jī)污染物與受激發(fā)的表面點(diǎn)位接觸時(shí)卻可以發(fā)生反應(yīng)?！懊艋瘎钡淖饔貌粌H僅在于把熱能聚焦，而且還可以借它與反應(yīng)物和產(chǎn)物相互作用的選擇性而影響反應(yīng)的進(jìn)程。微波化學(xué)污水處理技術(shù)就是利用微波對(duì)化學(xué)反應(yīng)的這些作用，對(duì)水中的污染物通過(guò)物理及化學(xué)作用進(jìn)行降解、轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)污水凈化的目的。

要取得良好的微波處理效果，水中應(yīng)包含污染物種分子、添加劑、懸浮物、有機(jī)物種等幾種物質(zhì)。而強(qiáng)化絮凝沉淀是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外城市污水深度處理研究的熱點(diǎn)，在污水處理的研究中歷時(shí)已久，由于投加絮凝劑運(yùn)行費(fèi)用較高，所以一直阻礙其在實(shí)踐中的發(fā)展。近年來(lái)，廉價(jià)、高效絮凝劑的迅速涌現(xiàn)，使化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理工藝的基建費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用都低于二級(jí)處理，且其總磷的去除率很高，在國(guó)外城市污水處理中已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用。由于它適應(yīng)我國(guó)國(guó)情，在國(guó)內(nèi)也得到了普遍的重視，并且已經(jīng)取得了一定的研究成果。強(qiáng)化絮凝沉淀包括兩個(gè)過(guò)程：混合過(guò)程和絮凝反應(yīng)過(guò)程?；旌鲜欠磻?yīng)第一關(guān)，也是非常重要的一關(guān)。在這個(gè)過(guò)程中應(yīng)使混凝劑水解產(chǎn)物迅速地?cái)U(kuò)散到水中的每一個(gè)細(xì)部，使所有膠體顆粒幾乎在同一瞬間脫穩(wěn)并凝聚，這樣才能得到好的絮凝效果。而在此過(guò)程中，絮凝劑選擇的正確與否關(guān)系到該工藝環(huán)節(jié)處理效果的好壞。

Unsymmetrical Super Floculation Powder(USF)絮凝劑是一種強(qiáng)效通用型絮凝劑，USF正是利用微波處理中的"極性分子理論"而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的分子不對(duì)稱型絮凝劑，對(duì)微波具有較強(qiáng)的吸收能力，不僅起絮凝作用，同時(shí)也充當(dāng)了微波處理中的"敏化劑"的作用。且USF不含有害化學(xué)物質(zhì)(多為植物提取物)，不產(chǎn)生二次污染。反應(yīng)時(shí)間短，對(duì)COD、BOD、重金屬、SS等有較高的去除率。USF絮凝劑是干粉投加，PH適用范圍較寬，可適應(yīng)酸性、堿性、中性等多種不同性污水，不需要分級(jí)處理，可將污水混合處理。USF機(jī)分為攪拌區(qū)和沉淀區(qū)，廢水與藥粉一起攪拌混合充分反應(yīng)，然后進(jìn)入后面的沉淀區(qū)進(jìn)行固液分離，達(dá)到去除污染物之目的。采用投加USF藥劑與微波物化相結(jié)合的方式對(duì)污水進(jìn)行處理,其特點(diǎn)是微波對(duì)流體中的不同物質(zhì)進(jìn)行選擇性分子加熱；微波對(duì)流體中的吸波物質(zhì)的物化反應(yīng)具有強(qiáng)烈的催化作用，流體中的固相微粒在微波場(chǎng)中能迅速匯聚沉降與水分離，由于微波加熱是吸波物質(zhì)分子直接加熱，所以廢水置于微波場(chǎng)中，不但溫升迅速，而且微波能量非常集中，并且在較低溫度下就能殺滅細(xì)菌和藻類等微生物。由于微波對(duì)流體的穿透作用，置于微波場(chǎng)中的流體表現(xiàn)為加熱非常均勻；由于流體中吸收微波能的物質(zhì)分子可直接將微波能轉(zhuǎn)化成熱能，因此不會(huì)給被處理流體帶入任何新的污染物，而且節(jié)省綜合耗能。

3 USF+微波處理石化廢水

石油化學(xué)工業(yè)是以石油為原料，以裂解、精煉、分餾、重整和合成等工藝為主的一系列有機(jī)物加工過(guò)程，其生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水成分復(fù)雜、水質(zhì)水量波動(dòng)大、污染物濃度高且難降解，污染物多為生物難降解有毒有害的有機(jī)物。不同的化工廢水，其水質(zhì)差異很大。以化學(xué)需氧量為例，較低的也在250～3500mg/L之間，高的常達(dá)每升數(shù)萬(wàn)毫克，甚至幾十萬(wàn)毫克；另外，有毒有害物質(zhì)多，精細(xì)化工廢水中有許多有機(jī)污染物對(duì)微生物是有毒有害的，如鹵素化合物、硝基化合物、具有殺菌作用的分散劑或表面活性劑等，可生化性差，廢水色度高。特別是一些毒性大，抑制生物降解和高濃度廢水，傳統(tǒng)的生物法或物化法很難對(duì)其進(jìn)行有效處理。隨著水資源的日益緊張和人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，石油化工廢水的處理技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。USF+電磁波耦合水處理技術(shù)是水處理領(lǐng)域中的一次重大進(jìn)步，是一代具有突破性、創(chuàng)新性、廣譜性的水處理技術(shù)，對(duì)石油化工廢水針對(duì)性強(qiáng)，去除效果好，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)污水處理工程的實(shí)用、高效、節(jié)能、環(huán)保、低運(yùn)行費(fèi)用。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)工程檢驗(yàn)，USF+電磁波耦合技術(shù)對(duì)石油化工廢水有較好的處理效果。

其工藝具體流程包括：

(1)經(jīng)pH調(diào)節(jié)后，石化廢水進(jìn)入U(xiǎn)SF超強(qiáng)效凝集劑反應(yīng)腔后5～7min，污水中的污染物懸浮物即形成顆粒狀膠羽，泥水快速分離并沉淀，水中的大部分COD、BOD、氨氮、磷等已被降解脫除，沉入脫水系統(tǒng)的泥土被脫水固化。

(2)經(jīng)過(guò)處理過(guò)的水進(jìn)入電磁波腔、通過(guò)電磁波能作用對(duì)水中剩余的污染物產(chǎn)生熱化與膨化、電離與催化而進(jìn)行分級(jí)處理，再一次將含有COD、BOD、N、P等進(jìn)行深度的氧化分解和脫除，確保產(chǎn)出水質(zhì)達(dá)標(biāo)，并有效殺滅水中的細(xì)菌病毒和病原體。

(3)經(jīng)過(guò)電磁波處理后的水最后進(jìn)入磁懸系統(tǒng)予以處理，通過(guò)磁懸對(duì)水中殘余污染物進(jìn)行氧化、還原、中和、凝聚、氣浮分離。把水中殘余的污染物和異味徹底去除，使產(chǎn)出的水清澈透明。

USF+微波耦合技術(shù)主要特點(diǎn)包括：該組合技術(shù)突破傳統(tǒng)的水處理技術(shù)，將微波能、化學(xué)能、機(jī)械能三能結(jié)合，替代了傳統(tǒng)的復(fù)雜工藝，屬國(guó)內(nèi)外水處理技術(shù)的最新突破，處國(guó)際先進(jìn)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平；卓越的去除COD、BOD、SS和N、P的能力；有效地殺滅水中的病原體，清除細(xì)菌病毒徹底；處理后的水可提高水中生物活性氧、增強(qiáng)生物的生存環(huán)境條件；占地面積小，可節(jié)省70%～90%的土地，運(yùn)行費(fèi)用低，短期內(nèi)可收回投資；產(chǎn)出水質(zhì)好；確保實(shí)現(xiàn)中水回用；可處理石化廢水和各類高難度工業(yè)廢水，成本低、效益高。

[1] 冷東梅.石油化工廢水處理技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化學(xué)工程與裝備， 2009(12):129-134.

[2] 梁桂玲.化工廢水污染狀況及主要處理對(duì)策探析[J].資源環(huán)境與節(jié)能減災(zāi),2009(10):122-123.

[3] 趙雅芝，劉希濤，全 燮,等.顆?；钚蕴课轿⒉ㄝ椪展に囂幚砀邼舛任迓确訌U水的研究[OL].[2017-12-29].http://www.chinacitywater.org/xsdt/xslw/czgps/download/1168421672593.pdf.

[4] 古昌紅,傅 敏,余純麗,等.在微波輻射下用ACF處理吲哚溶液的實(shí)驗(yàn)研究[J].重慶環(huán)境科學(xué),2003,25(3):29-31.