（环境工程专业论文）微波法处理生活污水的试验研究.pdf

摘要 摘要 微波法在化学萃取、提纯、催化、混凝沉淀、消毒等方面已有广泛的应用。 近年来，微波辐射技术应用在环境保护领域的潜力也引起国内外专家的广泛关 注，但是微波理论仍处于较低的阶段。 本文首先介绍了水资源情况和我国生活污水的污染状况，论述了微波的物理 特性和频率特性，并综合论述了近年来微波法在环境保护方面的应用，还阐述了 微波法、化学法、生物法在污水处理中的应用，比较了这些方法的各自特点，得 出了微波法处理污水有以下优势： ( 1 ) 缩短工艺流程，加快反应进程； ( 2 ) 处理后的水能直接回用，污泥直接资源化； ( 3 ) 减少对宝贵的土地资源的占用； ( 4 ) 降低建设投资成本和运行费用。 本文以沥窖污水处理厂的生活污水为处理对象，探讨了药剂( 硫酸铝、硫酸 铁、聚丙烯酰胺、活性炭) 加入量、p h 值、微波功率以及在微波场中的停留时 间对污水处理效果的影响。首先在结合微波筛选实验效果较好的混凝剂，选择效 果较好的混凝剂结合活性炭在微波场中降解污水。研究结果表明： 虽然硫酸铁对c o d 、总磷的去除率较高，但是出水带有淡黄色。而p a m 处 理效果较差。因此，选择硫酸铝为作为进一步实验研究的药剂。 在微波场中，在试验水量为2 5 0 m l 、p h 值为7 ，硫酸铝用量为3 0 m g ，微波 功率为4 8 0 w ，停留时间为4 5 s 时，硫酸铝对c o d 的去除率可达到6 5 ，对总磷 的去除率可达7 0 5 ，但是总氮的去除率仅为2 6 8 左右。 采用硫酸铝预处理污水，再结合微波使用活性炭进一步降解水中的污染物。 结果表明： 在p h = 7 、微波功率为4 8 0 w ，停留时间为3 0 s 时，随着活性炭的用量逐渐增 加，c o d 的去除率也逐步提高。当活性炭用量达到2 9 时，去除率超过9 5 ，此 后便趋于缓和。由此确定活性炭的用量为2 9 。活性炭在连续使用9 次后仍然保 持较高的效率。因为活性炭对污染物的吸附和降解是同时进行的，这就确保活性 炭不会因为吸附饱和而失去作用。 广东工业大学硕士学位论文 关键词：微波；生活污水；絮凝沉淀；活性炭 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o w a v eh a sb e e nw i d e l yu s e di nc h e m i c a le x t r a c t i o n , p u r i f i c a t i o n , c a t a l y s i s ， c o a g u l a t i o na n ds e d i m e n t a t i o n , d i s i n f e c t i o n , e t c i nr e c e n ty e a r s ，e x p e r t sa th o m ea n d a b r o a dw e r ea t t r a c t e db yt h ep o t e n t i a l ，w h i c hi st h ea p p l i c a t i o no fm i c r o w a v e r a d i a t i o nt e c h n o l o g yi ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , b u tt h er e a s e r c ho fm i c r o w a v e t h e o r ya n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ss t i l li nt h el o w e rp h r a s e a tf h s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es i t u a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa n ds e w a g e p o l l u t i o n o fo u r c o u n t r y , d i s c u s s e s t h e p h y s i c a lp r o p e r t i e s a n d f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o w a v ea n dt h ea p p l i c a t i o no fm i c r o w a v em e t h o d ，c h e m i c a l m e t h o d ，b i o l o g i c a lm e t h o di ns e w a g et r e a t m e n t c o m p a r e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s e m e t h o d s ，s e w a g et r e a t m e n tb ym i c r o w a v em e t h o dh a st h ea d v a n t a g e s ，a sf o l l o w i n g ： ( 1 ) s h o r t e nt h ep r o c e s st os p e e du pt h ep r o c e s so fr e a c t i o n ； ( 2 ) t r e a t e dw a t e rc a l lb er e u s e d ，a n ds l u d g ec a nb er e c y c l e d ； ( 3 ) r e d u c eo c c u p a t i o no fl a n dr e s o u r c e s ； ( 4 ) r e d u c ec o n s t r u c t i o nc o s to f t h ei n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nc o s t s w a s t ew a t e rf r o ml i j i a os e w a g et r e a t m e n tp l a n tw a st h eo b j e c to ft r e a t m e n ti n t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ee f f e c to fd o s e ( a l u m i n u ms u l f a t e ，f e r r i cs u l f a t e ，p a m ，a c t i v e c a r b o n ) ，p h ，m i c r o w a v ep o w e ra n dr e s i d e n c et i m ei nt h ef i e l do fm i c r o w a v e a tf i r s t ， c h o o s eab e t t e rc o a g u l a n t ，a n dt h e n ，c o m b i n ea c t i v ec a r b o nt od e a lw i t ht h e c o n t a m i n a t i o ni nt h es e w a g e t h er e s e a r c hr e s u l t sa sf o l l o w i n g ： a l t h o u g hf e r r i cs u l f a t eh a sah i g hr e m o v a lr a t eo nc o d a n dt p , t r e a t e dw a t e r t a k e so nl i g h ty e l l o w a n dt h er e s u l to fp a mi sn o ts a t i s f i e d s o ，c h o o s ea l u m i n u m s u l f a t et og of u r t h e re x p e r i m e n t w h e n2 50 m lo fw a t e rf o rt h ee x p e r i m e n t ，p h e q u a lt o7 ，w e i g h to f a l u m i n u ms u l f a t ee q u a lt o3 0m g ，t h ep o w e ro fm i c r o w a v ee q u a lt o4 8 0 wa n dt h e r e s i d e n c et i m ei s4 5s e c o n d s ，t h er e m o v a lr a t eo fc o da n dt pr e a c h6 5 ，7 0 5 r e s p e c t i v e l y b u tt h er e m o v a lr a t eo f t ni so n l yr e a c h2 6 8 u s ea l u m i n u ms u l f a t et op r e t r e a t m e n ts e w a g e ，a n dt h e n , c o m b i n ea c t i v ec a r b o n t og of u r t h e rd e a lw i t hc o n t a m i n a t i o n r e s u l t sa sf o l l o w i n g ： w i t ht h eg r a d u a li n c r e a s eo fa c t i v ec a r b o n , t h er e m o v a lr a t eo fc o dg e th i g h e r , w h e np he q u a lt o7 a n dr e s i d e n c et i m ei s6 0s e c o n d s w h e nt h ew e i g h to fa c t i v e i i i 广东t 业大学硕十学位论文 c a r b o ne q u a l2 9 ，t h er e m o v a lr a t ei so v e r9 5 ，a n dt h e ni tt e n d st oi n c r e a s es l o w l y s o ， i td e t e r m i n e st h ea m o u n to fa c t i v a t e dc a r b o nf o r2 9 i tk e e ph i g hr e m o v a lr a t e ，w h e n t h ea c t i v ec a r b o nh a sb e e nu s e df o rn i n et i m e s b e c a u s ea c t i v ec a r b o na b s o r b st h e c o n t a m i n a t i o na n dd e c o m p o s ei ti nt h em i c r o w a v ef i e l da tt h es a m et i m e t h i sm a k e s s u r et h a tt h ea c t i v ec a r b o nn o tt ol o s er o l e k e yw o r d s ：m i c r o w a v e ；s e w a g e ；f l o c c u l a t i o na n ds e d i m e n t a t i o n ；a c t i v ec a r b o n i v 独创性声明 。独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究以及所取得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表的或撰写过的研究成果，不包含 本人或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明，并表示谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下所取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 4 7 指导教师签字： 论文作者签字： 蕊辱彪 第一章绪论 1 1 水资源概况 第一章绪论 地球1 7 的面积被水覆盖，水的总量估计为1 3 9 1 0 1 0 亿m 3 ，其中海洋水体 约占9 7 4 1 ，冰帽和冰河水体约占1 9 8 4 ，地下水约占0 5 9 2 ，湖泊水体约占 0 0 0 7 ，土壤水体约占0 0 0 5 ，大气中水蒸气约占0 0 0 1 ，河流水体约占0 0 0 1 ， 生物体中水约占0 0 0 0 1 。但这些水体中淡水总量仅为0 0 3 6 x1 0 川亿m 【1 1 由于社会 对水的需求不断增加，自然界所能提供的可利用的水资源又有一定限度，突出的 供需矛盾使水资源己成为社会经济发展的重要制约因素。种种迹象表明，水的问 题即将或己经成为严重的社会问题。 我国是一个严重缺水的国家，水资源总量约为2 1 8 2 4 亿吨，人均水量不足2 4 0 吨，仅为世界人均水量的1 4 1 2 1 。同时，我国的水资源空间分布很不均匀长江流 域以北的淮河、黄河、海滦河、辽河、黑龙江五大流域水资源总量仅占全国总量 的1 4 4 ，而人口却占全国总量的4 3 5 。北方不少城市缺水现象非常严重，而 南方的长江流域和珠江流域水量丰富，约有9 0 的地面径流量和7 0 以上的地下 渗流量分布在不到全国面积5 0 的面积。在时间分布上，我国水资源也存在不均 衡，总的来说是冬春少雨，夏季多雨。有时还连续出现枯水年和丰水年的现象， 给水资源的合理利用增加了困难【3 i 。因此，认识我国水资源特点，有效地加以调 控和保护，以促进水资源与人口、社会、经济和环境的协调发展，是解决2 1 世纪 我国水问题的关键。 1 2 目前我国的生活污水污染状况 据环境部门监测，全国城镇每天至少有1 亿吨污水未经处理直接排入水体。 全国七大水系中一半以上河段水质受到污染，全国1 3 的水体不适于鱼类生存， l 4 的水体不适于灌溉，9 0 的城市水域污染严重，5 0 的城镇水源不符合饮用 水标准，4 0 的水源已不能饮用，南方城市总缺水量的6 0 一7 0 是由于水源 污染造成的。 广东t 业大学硕士学位论文 2 0 0 0 年7 月，国家建设部、科技部和环保总局联合制定了城市污水处理 及污染防治技术政策明确提出到2 0 1 0 年，全国设市城市和建制镇的污水平均 处理率将不低于5 0 ，设市城市的污染处理率不低于6 0 。重点城市的污水处 理率不低于7 0 。表明我国在未来l o 年将采取有效措施扭转目前严峻的城市水 污染形势。我国城市特别是中小城市，目前对生活污水普遍采取的措施是采用三 格化粪池作简单沉淀处理，然后便使污水进入下水道流入河流。由于有机物消除 率低，出水含大量悬浮物，不符合卫生要求和国家规定的污水排放标准。 社会科学报2 0 0 4 年8 月1 2 日援引新加坡联合早报的报道说，中国 城市化步伐的加快、城市人口急剧增加的同时，城市污水处理设施却严重滞后。 例如在江西省，省会城市南昌的生活污水处理不到2 0 ，省内其他城市都是零。 即使在首都北京，污水处理率也只有5 6 ，每年北京有近6 0 亿吨的污水未经处理 就流入附近的河道。国家环保局局长解振华透露，去年大中小城市排放的生活污 水占全国废水排放总量的5 3 ，且和工业废水所占比例的差距还在扩大。 2 0 0 7 年我国的地表水污染严重，令人担忧。在国家环境监测网检测的7 4 5 各地表水检测断面中，一至三类、四五类、劣五类水质的断面比例分别为4 0 、 3 2 和2 5 。后两者比例之和高达6 0 。七大水系中，除珠江、长江水质良好 外，松花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。局部海域污染依 然严重四类和劣四类海水比例为比上年上升0 4 个百分点。其中，渤海、东海近 岸海域分别为轻度和中度污染。 2 0 0 7 年全国城市生活污水集中处理率大于6 0 的城市有2 6 0 个；全国城市 生活污水集中处理率平均为4 2 5 5 ，2 0 0 个城市生活污水集中处理率为o ，占 “城考”( “城考”是城市环境综合整治定量考核制度的简称) 城市总数的3 3 6 1 ， 全国城市水域功能区水质达标率不升反降。( 比上年下降7 2 4 ) ，城市水环境污 染形势仍然十分严峻【4 l 。 造成我国生活污水污染严重的原因是：改革开放以来，由于经济的高速增 长，全国各地的城市建设都在高速扩张，城市人口激增，而城市污水处理设施却 是严重滞后。因此如果不谨慎的对待生活污水的处理，那么在不久的将来，城市 排放的生活污水成为中国重大污染源。 2 第一章绪论 1 3 生活污水处理方法 污水处理是采用一定的技术手段( 物理、化学、物化、生物、生化及其组 合) 将水中的污染物进行分离或者转化为无害的物质，最后使水澄清并达到排放 标准。因此，有效的保护了生态环境的稳定。其处理技术主要有：絮凝剂和混凝 技术、膜分离技术、物理化学深度氧化技术、生化技术等1 5 引。 生活污水的主要污染物是有机物，目前国内外采用物化法和生物法处理技 术，并以后者为主。 1 3 1 物化法 1 9 世纪后期，英、美等国曾广泛采用絮凝沉淀技术：世界性能源紧缺和价 格上扬。新型高分子絮凝剂的出现，物化法处理生活污水技术有所发展。其特 点为：( 1 ) 不用曝气、电耗低；( 2 ) 有机污染物去除较稳定。且对磷、重金属、细 菌和病毒的处理率较高；( 3 ) 基建投资和运行费用低，在削减较大污染负荷的前 提下，能取得较好的投资效益。四川省递宁市污水厂( 8 万吨天) 采用分期建设 方案，预留二级处理场地，一期为化学强化一级处理( c e p t ) ，采取投加化学药 剂的絮凝沉淀法。此法因出水难以达标，尚未广泛应用，应视当地环保要求和经 济承受能力而定。 1 3 2 生物法 1 3 2 1 传统活性污泥法和a 0 、 2 0 法传统活性污泥法是污水处理最早的 工艺，有机物去除率高，能耗低和运行费用低。活性污泥实用工程始于1 9 1 7 年， a o 、9 2 o 法是传统活性污泥法的改进型，分别采用厌氧一好氧，以及厌氧一缺 氧一好氧工艺。近年来，国内外广泛采用a 2 o 系统，提高了出水水质和n 、p 去除率，并节约了能源。美国约翰斯堡的亚历克赛污水处理厂建1 9 7 4 年，原设 计采用延迟曝气活性污泥法，后仿照a 2 o 法，使脱氮率从4 3 提高到7 2 ，除 p 率由4 3 提高到7 2 ，而能耗仅为原先的7 2 。目前，各国的大型污水厂多 数采用传统活性污泥法、a o 和a 2 o 法。其特点为：( 1 ) 设置初沉池，利用物理 法降低进入二级处理的有机物和悬浮物负荷；( 2 ) 污泥采用厌氧消化，回收能源、 广东t 业大学硕士学位论文 降低能耗和运行费用，且规模越大，优势越明显；( 3 ) 处理单元多，管理复杂， 要求具有较强的技术管理水平；( 4 ) 占地多，建设投资大，但随着污水处理厂扩 大到一定的规模，其投资比氧化沟法和s b r 工艺还要省；( 5 ) 适用于中等负荷的 大型污水处理厂。 1 3 2 2a b 法 a b 法污水处理工艺是吸附一生物降解工艺的简称。是德国亚 琛工业大学宾克教授于7 0 年代中期开创的。从8 0 年代开始用于生产实践。整个 系统分为三段( 预处理、a 段、b 段) 。预处理一般只使用格栅和沉沙池等简易 处理设备。a 段由吸附池和中间沉淀池组成，负荷高，为增殖速度快的微生物种 群提供良好的环境条件。a 段污泥产率高，并有一定的吸附能力，a 段对污染物 的去除，主要依靠微生物污泥的吸附作用。这样某些重金属和难降解的有机物质 以及氮、磷等植物营养物质，都能够通过a 段而得到一定的去除，对此，大大 地降低了b 段的负荷。b 段接受a 段的处理水，水质、水量比较稳定，冲击负 荷已不再影响b 段，b 段的净化功能得以充分发挥。但是必须说明的，b 段净化 功能的发挥是以a 段正常运作作为首要条件的。 a b 法在我国也得到相应的应用。日处理污水量为8 0 0 0 0 m 3 的青岛海泊河污 水处理厂便是其中的一座。该厂于1 9 9 3 年3 月正式投产运行。目前，该厂运行 正常，处理水水质完全符合国家规定的排放标准。 1 3 2 3 氧化沟法氧化沟法大体上可分为四类：( 1 ) 多沟交替式，系合建式， 采用转刷曝气，无单独的二沉池；( 2 ) 卡鲁塞尔式，系分建式，采用表曝机曝气， 有单独的二沉池，沟深大于多沟交替式；( 3 ) 奥贝尔式，系多建式，采用转碟曝 气，沟深较大，有单独二沉池；( 4 ) 一体化式，不设初沉池和单独的二沉池，转 碟曝气沉淀、泥水分离和污泥回流功能为一体。 氧化沟法的特点为：( i ) 一般不设初沉池和污泥消化池，结构简单。工艺稳 定，管理方便；( 2 ) 有机物去除宰较高，具有脱n 、除p ( 沟前增设厌氧池) 功 能，综合指标较优；( 3 ) 适用于中小规模的低负荷污水处理厂。 1 3 2 4s b r 工艺及其变形工艺s b r 工艺是序批式活性污泥法，进水、反 应、沉淀、排放和闲置顺序在同一池中完成，周期运行。本工艺系统组成简单， 无需设污泥回流设备，不设二次沉淀池，曝气池容积也小于连续式，建设费用与 运行费用都较低。其特点为：( 1 ) 一般无需设置调节池；( 2 ) s v i 值较低，污泥易 4 第。章绪论 于沉淀，一般情况下不产生污泥膨胀现象；( 3 ) 通过对运行方式的调节，在单一 的曝气池内能够进行脱氮除磷反应；( 4 ) 使用自控仪表可使本工艺过程实现全部 自动化。( 5 ) 只要运行得当，一般处理水水质优于连续式。 经过多年的发展，在s b r 工艺的基础上已经开发出了多种变形工艺：如间 歇式循环延时曝气活性污泥工艺( i n t e r m i t t e n tc y c l i ce x t e n d e da c t i v a t e ds l u d g e ) ， 以下简称i c e a s ；循环式活性污泥工艺( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g et e c h n o l o g y ) ，以 下简称c a s t 。i c e a s 工艺是连续进水、间歇排水。在反应阶段，污水多次反复 经受“曝气好氧 与“闲置缺氧状态，从而产生有机物降解、硝化、反硝化、 吸收磷、释放磷等反应，可以较彻底的去除b o d 、脱氮和除磷效果。本工艺优 点在于将a 2 0 工艺集于一池，污泥的沉降性能好，剩余污泥少，无污泥回流和 混合液的内循环，能耗低。c a s t 工艺有两个主要特点：1 、在进水区设置生物 选择器。2 、活性污泥由反应器回流，在生物选择器中与进入的新鲜污水混合、 接触，创造微生物种群在高浓度、高负荷环境下竞争生存条件，从而选择出适应 该系统生存的独特微生物种群。经生物选择器后，混合液进入反应器，经反应后 顺序经过沉淀、排放等工序。如需考虑脱氮、除磷，则将反应阶段设计成为缺氧 好氧厌氧环境，这样可取得脱氮、除磷的效果。c a s t 工艺操作运行灵活，其 内容覆盖s b r 工艺及其所有的各种变形工艺，但是其反应机理比较复杂。 1 3 2 5 生物膜法生物膜法是与活性污泥法并列的一种污水生物处理技术。 这种处理法的实质是使细菌和菌类一类的微生物和原生动物、后生动物一类的微 型动物附着在滤料或某些载上生长繁殖，并在其上形成膜状生物污泥一一生物 膜。污水与生物膜接触，污水中的有机物作为营养物质，为生物膜上的微生物所 摄取，污水得到净化，微生物自身也得到繁衍增殖。生物膜的表面上吸附着一层 很薄的水膜，相对于外侧运动着的水流，水膜是静止的。水流中的有机物可被生 物膜氧化。由于水膜中有机物浓度比流动水层中的低，于是流动水层中的有机物 可通过水流的紊动和浓度差扩散作用进入水膜中，并进一步扩散到生物膜中去， 不断被生物膜吸附、吸收和降解。同时，空气中的氧不断溶入水中，被微生物用 来氧化有机物和进行本身的新陈代谢。微生物在分解有机物的过程中不断增殖， 使生物膜不断变厚，传递进来的氧很快被表层微生物消耗掉，内层得不到氧的供 应，使厌氧微生物在膜内侧大量滋长，形成厌氧层，而有机物的分解主要依靠好 5 广东工业大学硕十学位论文 氧层的作用。微生物的代谢产物如水、二氧化碳、氨以及其他无机盐则沿相反方 向，从生物膜经过水膜进入流动水层或空气中。当生物膜的厚度不大时，好氧层 与厌氧层之间可以维持平衡关系，厌氧层产生的代谢产物如有机酸、醇类、硫化 氢等在透过好氧层时，可被进一步降解除去。但当厌氧层逐渐加厚，厌氧层的代 谢产物增多，特别是气态产物不断逸出，削弱了生物膜的固着力，这时的生物膜 称为老化了的生物膜，容易从载体或填料上脱落下来。同时，在原来的位置又生 长出新的生物膜。 与微生物悬浮生长的活性污泥法相比，生物膜法具有许多优点【9 1 ： ( 1 ) 由于存在许多生长繁殖速度缓慢的硝化细菌，因此具有较高的脱氮能力； ( 2 ) 生物膜中存在的微生物多样性丰富，使其在去除污染物时表现出一定的广谱 性； ( 3 ) 大量微生物生长和占据了整个反应器的空间，单位体积生物量比活性污泥法 高，因此单位体积处理能力更大； ( 4 ) 食物链比活性污泥法长，产生的污泥大都被生物消耗，因此剩余污泥量少； ( 5 ) 系统操作维护方便，能耗低，无需污泥回流； ( 6 ) 因系统的微生态复杂，对水力和有机负荷变化的承受能力强，操作运行稳定。 然而以上工艺存在着工艺流程长、水处理工程中反应进程缓慢、污水处理 设施庞大、占地面积大、污水只能集中处理，对于城市污水而言，地下排污管网 工程庞大，必然造成污水处理工程总投资巨大，处理后的水质并不很稳定，对难 降解的可溶性有机物以及磷、氮等营养型物质处理不彻底，对某些难处理的工业 废水如糖浆废液、垃圾渗透液等处理效果差而且投资强度大，运行费用高( 相对 微波法处理) 。 1 4 微波法处理废水的发展和应用 目前国内外的研究发现微波技术在治理环境问题方面具有能耗低、反应时间 短、操作简单、反应物产率增加、变废为宝等优点。因此，引起人们研究的热情。 使微波法处理废水有了一定的发展。我国对微波技术处理废水的研究与应用起步 较晚，工程应用就更加少，主要停留在基础研究阶段。要解决基础研究问题，就 要根据电磁波的特性，以及它对化学反应产生的影响来研究( 如：研究不同频率 的电磁波对同一化合物作用的差异性；研究同一类型化学反应在不同频率电磁波 6 第一章绪论 下的反应结果，从而得出微波频率与化合物分子结构之间的关系；研究分子结构 在微波辐射下的变化情况，找出微波辐射对分子结构的影响情况；研究微波频率 与化学键震动的关系。) 。此外，还要考虑反应器形状、温度等外界环境因素对微 波化学反应效果的影响。如能解决上述问题我们就可以有目的、有方向的应用微 波技术来解决环境问题。随着研究的进一步深入，该技术今后在环保领域中会得 到更加广泛的应用。 采用微波法处理污水主要是使微波场对投加有某种药剂的单相流和多相流 流体发生物理化学反应，在微波能的作用下，提高了水中极性分子，各种离子的 运动，强烈地促进了水中物质的物理化学反应如催化作用，穿透作用，固体物之 间的凝聚作用。选择性供能和物质的吸能，催化氧化作用( 如发生铁氧体反应) ， 它对水中的有毒重金属具有强烈的吸附、凝聚作用，对有机物具有强烈的氧化破 坏作用、还原作用以及灭菌作用等等功能。实践证明该技术应用于水处理工程中， 可以克服常规污水处理法中存在的一些缺陷。 1 5 微波法处理污水的原理 1 5 1 微波的一般性质 微波是一种电磁波。微波包括的波长范围没有明确的界限，一般是指分米波， 厘米波和毫米波三个波段，也就是波长从l m m 到l m 左右的电磁波( 即频率为 3 0 0 3 0 0 0 0 0 m h z 的电磁波) 。微波与工业用电和无线电中波广播的频率与波长范 围比较如表1 1 所示。 表1 1不同系统所用频率与波长范围 t a b 1 1t h er a n g eo ff r e q u e n c ya n dw a v e l e n g t hi nd i f f e r e n ts y s t e m s 项目频率波k m 工业用电5 0 h z 或6 0 h z6 0 0 0 0 0 0 0 或5 0 0 0 0 0 0 0 无线电中波广播 3 0 0 3 0 0 0 k l - i z10 0 0 - - 一10 0 微波 3 0 0 3 0 0 0 0 0 m h z1 o 0 01 当微波进入物料时，物料表面的能量密度是最大的，随着微波向物料内部的 渗透，起能量指数衰减，同时微波的能量释放给了物料。渗透深度可表示物料对 微波能的衰减能力的大小。 微波在介质中的穿透深度与介质的性质关系如下。 7 广东工业大学硕七学位论文 肚毒 d ：微波场强从物料表面衰减至表面值! ( 3 6 8 ) 的距离； p 九：自由空间波长。 8 ，：相对介电常数5 t a j l 6 ：介质损耗。 微波的穿透深度与频率有关，频率越低，穿透能力越强，频率越高穿透能力 越弱。例如：一2 4 5 0 m h z 的微波对水的穿透深度为2 3 c m ，波长为9 1 5 m h z ，微波 增加到2 0 c m 。而且，对于大功率的微波发生器，9 1 5 m h z 的微波发生器是更容 易制造。例如：对于2 4 5 0 m h z 磁控管单管只能得到5 k w ，而9 15 m h z 磁控管单 管可获得3 0k w 或6 0 k w ；9 1 5 m h z 磁控管的工作效率一般要比2 4 5 0 m h z 磁控管 的效率高1 0 2 0 。 对于一般的物质万s ，t a n 8 约为1 ，所以微波在介质中的穿透深度d 与微波 的波长有关，对于大体积的污水处理设施，微波对污水应该有良好的穿透能力， 故因选用波长长的微波。然而为了不对无线电通讯带来干扰，国家规定用于微波 加热的微波反应器，为以下几个频段8 9 0 9 4 0 m h z ，2 4 0 0 2 5 0 0 m h z ， 5 7 2 5 5 8 7 5 m h z ，2 2 0 0 0 2 2 2 5 0 m h z 。目前只有9 1 5 h m z 和2 4 5 0 m h z 广泛的使用。 在较高的两个频段还没有大功率的工业设备，只是由于微波管的功率、效率、成 本尚未能达到工业使用的要求。工程上选用微波的频率为9 1 5 m h z 。 由于水分子的极化驰豫时间正好与微波周期相近，且其分子间距与直径当， 故其偶极矩在微波场内能很轻松地从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的 高速交变而h y t j 取向，如使用9 1 5 m h z 微波，水分子就会以近9 1 5 亿次秒的速 度高速转动产生激烈的磨擦而生热，在这一过程中，微波能量转化为水内的热能。 因此水对微波具有良好的吸收效应，其它的极性强弱不同的分子对微波也具有相 应的吸收效应，这就是微波对污水可以进行处理的基础。 1 5 1 微波的化学效应 微波辐射常作为诱导化学反应的催化剂。许多磁性物质、活性炭、过渡金属 及其化合物等对微波有很强的吸收能力，微波辐射也会使其表面产生许多“热 r 第一章绪论 点”，这些热点处的能量比其他部位高得多，因此在这些区域化学反应比较容易 发生。 其次，微波可用于污染物的降解。在液体中，由于微波仅对其中的极性分子 起作用，电磁场使极性分子产生高速旋转并发生碰撞，加剧分子活性，降低反应 活化能和分子的化学键的强度，提高化学反应速率；同时，剧烈的极性分子振荡， 可使化学键断裂，从而使污染物得到降解。 1 5 2 微波的生物效应 微波辐射的生物效应是指当微波照射到生物体时，由于生物体与微波的相 互作用而产生的各种各样的生理影响。它是全身性的综合反应，涉及各个系统及 各个组织，既有各组织器官的病理和生理功能性的变化，也有通过中枢神经系统 发射和神经体液途径所引起的症状和变化。而微波的物理化学作用是其生物效应 的基础。 目前微波生物效应的理论有许多，总的分为两类： ( 1 ) 热效应理论：电磁波辐射到生物体后，引起生物体组织器官的加热作 用而产生的生理影响和抑制、伤害作用。由于组成生物体的细胞和体液大都是极 性分子，在外加微波场中这些极性分子发生了频率极高的振荡运动，导致生物体 组织温度升高。当微波场强较大，生物体产生的热过多、超过生物体的调节能力， 从而导致生物体生理功能紊乱并发生病理变化。这种引起生物体温度逐渐升高的 现象就是微波的热效应。 ( 2 ) 非热效应理论：热效应只能解释生物效应的部分而非全部。前苏联和 东欧的学者除了承认微波的热效应外，还强调微波的非热效应，因为在有些情况 下，受电磁波辐射的生物组织产热很低或即使产热也在o 1 以下，但出现了效 应。目前称这种热少而发生的效应为非热效应。非热效应的特点是非线性、相干 性、协同性以及阈值性和“窗特性。对于电磁波辐射的非热效应机理的解释， 有以下几种解释，f r o h l i e h 的相干电振荡理论、离子回旋共振理论、离子对膜的 通透理论【l o 】。 过量的微波对人和其他生物是有害的。因此，我国也于1 9 7 7 年由卫生部和 电子部联合研究制定了我国自己的安全标准( 见表1 2 ) 9 广东工业大学硕士学位论文 表1 2 各国的微波辐射安全标准 t a b 1 2t h es a f e t ys t a n d a r d so fm i c r o w a v er a d i a t i o ni nd i f f e r e n tc o u n t r i e s 。 国家名称频率i v i h z 最大容许强度( m w c m 2 )备注 1 6 微波在水处理中的应用 目前国内有许多的科研机构在微波在污水处理已有了一些研究 1 1 - 1 6 】。 1 6 1 处理一些难降解的污水 单独使用微波的处理污水的效果是不理想的，而且通常不能达标排放，通 常在废水中加入活性炭、过渡金属氧化物等物质，可强化处理的效果【1 7 1 。采用活 性炭吸附污水中的污染物常用的一种方法，但吸附后的活性炭表面的有机物却难 以处理。然而，微波辐射能有效的解吸活性炭表面的有机物，使活性炭再生，并 有利于有机物的消解和回收再利用。选择适当的催化剂对降解难分解的有机物是 至关重要的。例如：晴纶废水是一种较为难降解的废水，李国等以m n 0 2 、t i 0 2 为催化剂，用微波辐射，处理的效果较好( 见表1 3 ) ，而且改善了废水的可生化 处理的性能( 见表卜4 ) 1 1 5 - 1 9 1 。 表1 - 3 催化剂用量与c o d 去处率的关系 t a b i - 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea m o u n to fc a t a l y s ta n d t h ec o dr e m o v a l l o 第一章绪论 表卜4 最佳条件下腈纶废水处理后的c o n 、b o d 5 及b o d c 0 d 值 t a b 1 4u n d e rt h eb e s tc o n d i t i o n sf o rt h ea c r y l i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tc o d 、b o d 5 此外，姚培正、邓宇等在催化剂活性炭存在的情况下，在微波辐射对染料 废水的处理效果。实验表明，在微波辐照下，处理效果随活性炭的加入量的增加 而增加，但是当活性炭用量超过2 克时，增加的幅度越来越小了；同时实验表明 单一使用微波对溶液没有任何的处理效果，这说明溶液的处理效果是微波辐射和 活性炭共同处理的结果。洪军【2 0 1 等研究了水溶液中苯酚的光催化降解效果。结果 表明：反应3 0 m i n ，微波辅助光催化( m a p c ) 能去除9 2 的苯酚，溶液总有机 碳( t o c ) 减少8 4 。m a p c 的最佳反应条件为：苯酚初始浓1 0 m g l ，微波功率 9 0 0 w 、反应液体积5 0 m l 、e d l s 2 3 、催化剂用量1 - 4 9 l ，循环态流速1 5 m l m i n 。 m a p c 处理含酚废水具有较好的应用潜能。洪光【2 l i 等采用微波诱导氧化工艺 ( m 1 0 p ) 技术，以改性氧化铝为催化剂，对雅格素蓝b f b r 染料模拟废水进行 氧化处理优化了处理工艺条件，实验在固液质量比为1 ：1 0 ( 5 0 m l 雅格素蓝 b f b r 水溶液中投加5 1 0 9 改性氧化铝) 。 微波功率为4 0 0 w 的条件下微波辐照处理5 r a i n 。在此工艺条件下，对水中 雅格素蓝b f b r 的脱色率可达到9 8 ，c o d 去除率为8 7 1 4 。改性氧化铝 在重复使用9 次后仍能保持很高的脱色率。进一步研究表明在微波辐射场中，废 水中的有机污染物在改性氧化铝表面，通过吸附一氧化协同作用而被迅速降解。 i p o l a e r t 等利用微波辐射，用活性炭催化氧化含酚废水。在微波的非热效应作用 下，该实验可以有效的去除酚f 2 2 i 。 1 6 2 去除污水中的重金属离子及有毒有害的有机物 b p e r e z - c i d 等利用微波吸附和分离污泥中的重金属离子【”1 ，实验表明：对 于n i 、z n 微波加热的方法和传统加热的方法，最终的处理的效果差不多，但是 时间从1 5 个小时下降到3 0 秒；对于c r 、c u 的去除效果是很明显的：传统的加 热方法是1 6 5 9 9 g ，用微波加热的方法却检测不出来。b p 6 r e zc i t 2 4 1 等只利用微 波处理污水，去除水中的重金属离子。实验表明微波对n i 、p b 、c r 和z n 有良 好的去除效果，但对c u 却没有达预期的效果。vy u s 、如a p a s t o r 等，在微波的 1 1 广东t 业大学硕士学位论文 照射的辅助作用，利用半透膜从污水中萃取出o c p s ( 有机氯杀虫剂) ，p c b s ( 聚 乙烯联苯) 和p a h s ( 芬芳烃) 等有毒有害难降解的有机物【2 5 1 。实验表明：在3 0 。c 时，微波诱导的萃取实验所需要的时间和萃取剂( 分别为小于9 m i n 和小于9 9 m 1 ) 比传统的方法( 分别为2 4 7 2 h 和1 5 0 2 5 0 m 1 ) 显著的减少。 。b 眵譬1 c r 箩陟暑1 z t ：4 0 ；旁西 = = 毫= = 毒l 。 n i 一7 寸一。茜 0 。一0 o7 51 2 21 7 0 h 簖- 一- re = ：- 一ll 翟一j 二国帕 | l 二三二 l，。，。，一 图1 一l 微波加热与传统t e s s i e r 方法 f i g 1 - 1m i c r o w a v eh e a t i n ga n dt r a d i t i o n a lm e t h o d st e s s i e r 郭远凯等利用微波微波辅助提取柚皮色素1 2 6 1 。使用微波辅助处理只需要 1 0 2 0 m i n ，而用索氏抽提萃取次之，浸泡萃取所需时间最长，需要6 0 m i n 。试验 表明微波能有效的提高萃取的速度。因此，微波可以缩短处理时间，加快化学反 应的速度，提高对一些金属离子，有毒有害的有机废物的去除效果。 1 6 3 消毒灭菌 微波消毒灭菌的原理是利用微波的生物效应对细胞的影响，从而消毒灭菌。 微波的生物效应是【2 7 之s l ： ( 1 ) 微波影响细胞的形态和增殖。实验表明，采用连续波一次照射2 0 分 钟后，细胞内空泡增加，体积变得不规则；4 8 小时后，细胞增殖率与对照组相 比下降1 0 6 0 ，继续培养1 2 日后，对照组细胞形成多层细胞的克隆，而照射 1 2 工|彗03_ 啪瑚枷鲫抛 啪 船 ：2 2 l l 一霉一；o差 第一章绪论 组细胞只能形成小而不规则的单层细胞，并出现大量巨型变皱的细胞( g i a n tr u i e c e l l ) 。 ( 2 ) 微波对细胞有丝分裂和d n a 合成的影响。微波照射可引起细胞分裂 指数下降，且与照射的功率有关；微波照射可阻断或延缓整个增殖周期的进行或 影响某一环节，如抑制d n a 细胞的合成，这样使细胞的增殖周期受阻。 ( 3 ) 微波对细胞遗传学的改变。微波辐射可导致染色体异常的现象。一些 研究证明，在一定的条件下，微波辐射可导致某些细胞染色体畸变，有丝分裂发 生异常。 ( 4 ) 微波对细胞膜的影响。以类脂双分子层为骨架的细胞膜，在生理温度 时为流动的液晶态，当细胞受到微波的照射后，局部温度升高，使液晶态转变为 真液态，此时膜的屏障作用受到影响，流动性增大，极性基团松弛，通过静电作 用和疏水键作用，结台在膜上的蛋白质发生位移和脱离，从而引起膜结构破坏， 造成对细胞的损伤。 ( 5 ) 微波对酶活性的影响。温度控制在2 5 士1 2 ，微波照射可使细胞内 多种酶( 例如磷酸酶碱性磷酸酶、a t p 酶、琥珀酸脱氢酶等) 的活性降低。细胞 酶活性下降影响细胞代谢、生长直至停止增殖。利用微波的生物效应可以杀死细 菌，从而达到消毒灭菌的效果。d i m a r t i n t 2 9 】等用微波和电子束对污水消毒，效 果是迅速而有效。微波可以在1 5 6 0 s 将e s c h e r i c h i ac o l i ( 大肠杆菌) 、s a l m o n e l