水处理原理课程论文

电子束辐照技术在污水处理中的研究应用摘要：本文介绍了电子束辐照技术的原理，对电子束辐照降解有毒有害和难降解的有机污染物、辐照杀菌，废水中污泥的处理及与其他技术的联合使用等方面在水处理中的研究应用现状进行了总结介绍，同时指出电子束辐照技术的优缺点，并对其在水处理中的应用前景进行了展望。关键词：电子束辐照技术；污水处理Applicationofelectronbeamirradiationtechnologyto

wastewatertreatmentAbstract：Thispaperintroducestheprincipleofelectronbeamirradiationtechnology,organicpollutants,sterilizationbyirradiationofelectronbeamirradiationdegradationoftoxicandrefractorywastewatertreatment,sludgeandotherjointuseofthetechnology,thepresentsituationofresearchandapplicationinwatertreatmentweresummarized,advantagesanddisadvantagesandpointsoutthattheelectronbeamirradiationtechnology,andtheprospectofitsapplicationinwatertreatmentwerediscussed.Keywords：electronbeamirradiationtechnology;wastewatertreatment引言社会人口激增、工业的快速发展、资源的不合理开发等，水污染日益成为每个人都要面对的问题。由于生产活动的多样性，污水中的污染物质也非常复杂，仅使用传统的污水处理办法很难彻底解决废水净化问题。随着人们对进入环境中的生物毒性污染物的关注，开发一种降解有毒有机物的新技术就变得越来越迫切[1]。这就需要有一种新型、高效、经济的技术来解决目前遇到的困难。随着电子束辐照技术的发展，其在污水处理方面表现出巨大的潜力：清洁、高效、无二次污染，能够分解处理多种污染物质，因此日益受到人们的重视。电子束辐射法应用于水处理就是在这种形势下产生的。电子束辐射法是利用电子加速器产生的高能电子束对污染物进行处理的一种方法。根据其能量作用模式可以分为两类⑵，一类是高能电子束本身穿透介质对污染物进行处理；另一类是高能电子束轰击高原子序数金属产生韧致辐射或x光对污染物进行处理。它具有把不可生物降解的污染物转化为可降解物质，提高可生化性降低毒性⑶，杀灭细菌等功效。国外已对电子束辐射法应用于水处理、污泥处理与农用、烟道气治理等展开了研究。本文综述了电子束辐射法应用于水处理的研究现状。1电子束辐照技术基本原理y皿 表1电子,辑照初级产物及产额 电子束辐照技术是利用射线与物质间的相互作用，电离和激发产生活化原子与活化分子，并使之与物质发生一系列物理化学变化，导致物质的降解、聚合与交联改性的一种技术囹。这一技术为采用常规处理方法难以去除的某些污染物提供了新的处理方法。与常规处理方法相比，辐射技术一般在常温常压条件下进行，具有处理效率高、无需添加其他化学试剂以及无二次污染等特点，尤其适用于常规方法难以处理的难降解有机污染物的降解⑸。它利用被加速的电子束流轰击或照射被处理对象，使之发生常规方法难以引发的物理化学及生物学反应，从而达到优化产品质量、提高产品性能、净化物质等目的。污水处理则是利用加速后的电子束流对污水进行辐照，使水中的污染物发生分解或降解、有害微生物发生变性等，来达到消毒净化废水的目的。一般废水是比较稀的溶液，污染物质浓度较低，故束流与污染物质直接作用的几率很小，大部分束流能量会沉积在水分子中，被水吸收，因此束流的间接作用在电子束辐照处理废水中占据主导地位。主要用能量范围为0.7-10MeV的电子束流对污水进行辐照处理⑹。电子束辐照降解污染物的作用效果主要由两个方面决定：电子束流的能量和束流强度。电子束流的能量越高，则电子的穿透力就越强，射程也就越大，与污染物的作用也就越充分。电子的穿透深度还与被辐照物质的阻止本领有关，其由Bethe-Block公式决定⑺。电子束流的强度越大则参与降解作用的电子就越多，污染物的降解率也就越高。由于电子束流的辐照能量大部分会沉积在水分子中，在电子束流作用下，当电子束辐照能量超过水分子化学键的键能和分子的电离势能时，化学键和分子的结合能就会被破坏。污水便被辐照分解生成较强的氧化物质（如・OH,H202,02-等），这些氧化物质与水中的污染物质、细菌相互作用，达到氧化分解和消毒的目的。电子束辐照技术进行污水处理的机制和特点如下㈤：H-,E［（水合HT'L-OH对pH=7的纯水来说，其辐照初级产物及产额G（当吸收100eV的电子束辐照能量时形成或分解的自由基、原子、离子或分子的数目）如表1所示。此外，通过改变污水中的氧气浓度、pH、微量添加物（催化剂）等辐照反应的条件，可以调控辐照产物的产额，使反应向着所需要的方向进行。2电子束辐照处理污水的研究应用状况由于电子束辐照技术高效、清洁、无二次污染，并且能够处理有毒有害和难降解的污染物，国外很早就开始研究将其并大规模地应用于污水处理行业中。近些年我国对该技术的探索也不断深人，并逐步应用到污水的处理中。目前电子束辐照技术在污水处理方面的主要研究和应用方向是：（1）降解有毒有害和难处理的有机污染物，将难以降解的化合物转变为较容易被生物或化学氧化的形式；（2）消毒杀菌；（3）污水中固体成分（污泥）的辐照处理⑼；（4）与其他传统工艺技术相联合处理工业废水。2.1电子束辐照去除污染物2.1.1电子束辐照降解有机物O.F.Adeleke等U。］利用上海大学射线应用研究所的2MeV电子束辐照加速器，分别对pH不同但质量浓度（（5。mg/L）相同的二氯苯酚和四氯苯酚溶液进行辐照处理，并在实验中调整辐照剂量观察实验结果。实验表明：增加辐照剂量可以增大溶液中苯酚的降解率，增加C1-的产额;在偏碱性溶液中苯酚的降解率要低于偏酸性溶液。边绍伟等m］对0.5mmol/L的苯胺类水溶液进行了电子束辐照降解实验研究。实验结果表明，电子束辐照能够有效地将苯胺、对硝基苯胺和间氯苯胺的分子结构破坏掉，达到降解污染物的目的;水溶液中苯胺类的去除率随辐照剂量的增加而提高;在相同辐照剂量下苯胺的去除率要低于硝基苯胺和间氯苯胺两种污染物。中国是一个纺织业大国，印染废水的排放量很大，废水中还含有多种难处理的有机物，对环境造成了较大危害。顾建忠等［12］从上海恒泰毛纺织厂提取了印染废水样本，并对其进行了电子束辐照研究。研究发现：当辐照时间相同，辐照剂量由0提高到14kGy，印染废水的COD去除率也会随之增加。在辐照剂量为14kGy情况下对印染废水辐照5s，废水中COD的去除率可以达到15%以上。当辐照时间相同，辐照剂量改变时，印染废水的pH基本没有变化，但是水的色度却会增加。这是由于经过辐照处理后废水中的染料分子被分解为小分子物质的缘故。国外利用电子束辐照技术去除污水中有机物的研究应用主要集中在辐照降解含氯有机物。W.J.Cooper等选取不同的水质，对电子束辐照技术去除全氯乙烯、四氯乙烷的效果进行了研究。研究表明:对饮用水中四氯乙烷的去除效果最好，用5kGy的辐照剂量，就可以将其去除98%。而对污水厂二级出水，用高达8.3kGy的辐照剂量，也只能去除95%的四氯乙烷。对饮用水中全氯乙烯的去除效果要好于对处理厂进水：1.6kGy的辐照剂量可以去除饮用水中98%的全氯乙烯，5kGy的辐照剂量去除率达到99.9%;而对处理厂进水，8.3kGy的辐照剂量仅能去除96%的全氯乙烯。同时研究发现：自由基消耗剂的存在会降低四氯乙烷和全氯乙烯的去除率。从目前研究情况看，对难降解的含氯有毒有机物进行电子束辐照处理，使其完全分解为无毒产物(如CO2,H2O或C1-等)，所需要的辐照剂量大，一般的放射源难以满足实际应用。而电子束流辐照技术能够提供所需要的反应条件，具有较大的开发潜力和应用价值。2.1.2电子束辐照去除无机物氤化物和络合氤化物是浸金废水中的主要污染物质，并且有剧毒。刘宇等3］利用北京师范大学的电子直线加速器对不同CN-初始质量浓度(572.44,1552.87mg/L),pH=12的锌氤络合物水溶液进行了电子束辐照研究，辐照剂量为0-210kGy。研究表明，辐照开始阶段随着辐照剂量增大，锌氤的降解率明显上升，但是随着辐照降解进行，单位辐照剂量的贡献逐渐减少；在电子束辐照条件下，降解总氤质量浓度低的溶液反应速率比浓度高的大，降解游离氤的反应速率比降解络合物的速率大。2.2电子束辐照杀菌污水中含有大量的细菌，会传播疾病，需要对其进行充分处理后才能作为生产和生活用水。传统的消毒方法，如采用液氯和二氧化氯对饮用水消毒，在杀灭细菌的同时有可能引人其他的不利物质Ml。由于细菌由有机复合物构成，因此电子束辐照可以对其有效失活。张玉宝等［15］研究了不同电子束辐照剂量对城市污水中细菌的影响。研究结果表明：电子束辐照对灭除污水中的大肠杆菌具有显著效果；大肠杆菌对电子束很敏感，2kGy的辐照剂量下，菌群数量可以降低2个数量级，当辐照剂量提高到4kGy时，菌群数量又降低3个数量级。研究表明，电子束辐照可以有效减少细菌数，特别是总大肠菌群数经过电子束辐照后会降到一个安全的水平。电子束辐照剂量为3kGy时具有较好的消毒作用，污水的质量也会得到明显改善。此外美国、韩国、奥地利、挪威等国家都在研究并应用电子束辐照技术对饮用水或污水进行杀菌消毒处理。2.3电子束辐照对废水中污泥的处理污泥是废水处理过程中不可避免的副产物，其含有大量的水分，以及大量的氮、磷、钾及腐殖质等物质，可以作为农用肥料、土壤改良剂和家畜饲料等。但是污泥中含有大量的污染物质、病原体和相当浓度的重金属，必须对其进行处理后才能够被利用。若采用其他处理方法容易造成二次污染，而电子束辐照技术杀菌率高，能够充分分解污泥中的有机物质，降低有毒污染物的残存量，比其他传统技术的效果要好很多。B.Y.Chung等［16］利用电子束辐照技术对污泥中有机物的降解进行了研究。研究结果表明:作为污染物降解考察对象，16种多环芳烃随着辐照剂量的增加含量不断降低，在5kGy的辐照剂量下，16种多环芳香烃的降解率达到90%。美国于1984年在一个大型水处理厂建成了能量为1.5MeV，电子束宽为1.2m的污泥电子辐照装置，处理量为27t/h，经过电子束辐照处理的污泥经存放后农用。中科院近代物理研究所，为了解决污泥的消纳问题，已与甘肃省兰州市一家公司签约，双方共同研发“高能电子束对剩余污泥无害化处理研究项目”，这项技术在未来将有望被推向市场，形成产业化运作"I"］。2.4电子束辐照技术与其他工艺联合使用由于辐照剂量和穿透力是限制电子束辐照的主要因素，因此要彻底地清除污染物就要消耗大量的能量。刘下国［1］，吴代顺［19］等采用电子束辐照和臭氧联合的处理方法对地下污水进行了处理研究。他们分别采用臭氧+电子束和臭氧+生化方案对污水进行处理。研究表明，两种工艺都能达到对废水处理的目的，而且采用臭氧+生化工艺可以节省更多的能量，要比前一套方案经济。但是采用臭氧+电子束处理工艺技术具有可以一步实现对废水的处理且不产生污泥的优点。另外污水处理厂采用活性炭吸附一电子束辐照处理污水，达到了既经济环保，又清除彻底的效果。3电子束辐照技术的优缺点高能电子束的可控性能好、反应速率高、技术也相对成熟。电子束辐照技术作为21世纪的新一代废水处理技术，具有其他常规技术方法无法比拟的优点：占地面积小，使用方便，不会产生污泥等二次污染，杀菌效果显著。电子束辐照技术的应用范围也很广，包括：饮用水、生产和生活污水、污泥的杀菌消毒；印染废水的脱色、除臭、除味；降解污水中的有机污染物质；工业废水中高分子物质的辐照聚合处理；污泥胶体脱稳、增加其脱水性以及可过滤性；杀菌除垢及就地再生活性炭等。特别是对于一般技术难以处理的、难降解的有毒物质，电子束辐照技术具有技术和经济可行性。电子束辐照技术的自动化程度高、可常温批量处理、效率高、能耗低、无损伤、无残毒、无污染，并将逐渐取代对环境影响较大的钻60-Y辐照技术[2。][21][22]不足之处:电子束与水作用产生的自由基与污染物质反应的选择性差，并且易受自由基消耗剂的影响;处理污染物需要的辐照剂量一般较大，耗能大。由于高能电子束对固体和液体的穿透能力较为有限，处理污染物的能力在一定程度上也受到了限制。4展望加速器电子束辐照技术在污水治理上已经显示了巨大的潜力，具有其他技术不能比拟的优点。特别是近几年来，不仅有国家对于加速器高科技行业的投资力度的加大，还有加工行业的市场需求，这些对加快和促进加速器电子束辐照技术的应用普及和产业化具有较大的推动作用。根据目前加速器电子束辐照技术的发展及应用情况看，今后的研究工作主要集中在以下几点：对污染物去除机理的深人研究。目前对于一些污染物的去除机理研究还不是很充分，需要继续深人分析，更好地发挥电子束流辐照的作用。电子束辐照的高强度研究。有些污染物质的处理需要更高的辐照剂量。为了在有限的时间内完成，需要提高单位时间内电子束流的辐照剂量，以及电子束流的穿透能力。因此需要提高电子束流强度和能量，发展高能量、高流强的辐照加速器。电子束流辐照技术与其他工艺技术的互补研究。由于每种技术都有一定的局限和不足之处，为了降低能耗、节约成本、提高处理的效果，一般要和其他工艺联合使用，彼此弥补不足。并且需要对处理的对象有充分的了解，针对所处理的对象选用合适的联合技术。为了提高电子束辐照技术的处理效果，有时需要对处理对象进行相应的预处理。例如高能电子束对固体或液体的穿透能力有限，在对污泥等固体废弃物辐照处理前需进行严格的处理，如粉碎、稀释、均质，或制成很薄的饼状等，以便更好地发挥电子束辐照的作用。拓宽电子束辐照的应用领域，提高研究水平。目前电子束流辐照技术被广泛应用在环境治理、工业加工、食品卫生等相关领域，取得了很好的效果。但相对于国外的应用状况，目前我国电子束流辐照技术在应用方面还存在较大差距。应该注重应用领域范围的开拓，充分利用电子束辐照技术的优点。制定和完善相应的政策法规，加大辐照技术的应用和宣传教育。电子束流辐照技术属于核技术应用的范畴，需要有相应的政策法规来规范、约束和引导该技术的应用和行业的发展。加强人们对于电子束辐照技术方面的认识，为电子束辐照技术大规模的应用创造条件。参考文献:[1]刘下国，郑正，宋卫华.电子束辐照法在水处理中的应用[J].工业水处理，2002,22(2):4-7BorrelySI，CrugAC，DelMastroNL,etal.RadiationProcessingofSewageandSludge[J].ProgressinNuclearEnergy,1998,33(1/2):3-21BorrelySI,SampaMHO,PedrosoCB，etal.RadiationProcessingofWastewaterEvaluatedbyToucityAssays[J].Radiat-Phys.Chen.,2000,57(3-6):507-511吴明红，包伯荣.辐射技术在环境保护中的应用[M]北京:化学工业出版社，2002:1-190ZHANGSJ,YUHQ.Radiation-induceddegradationofpolyvinylalcoholinaqueoussolutions[J].WaterResearch2004，38(2)：309-316MeloR,VerdeSC,BrancoJ,etal.Gammaradiationinducedeffectsonslaughterhousewastewatertreatment[J].RadiationPhysicsandChemistry,2008,77(1):98-100卢希庭.原子核物理[M].修订版.北京:原子能出版社，2000：56-57陈建平，张会杰等.加速器电子束辐照技术在污水处理中的应用[J].工业水处理，2014，34(3):1-6张玉宝，郑辉，张晓东，等.利用辐射法处理污水的技术[J].黑龙江科学，2011,2(6):28-32Adeleke0F,ZhouRuimin,ZuJianhua,etal.Effectofelectronbeamirradiationonthedegradationofmonochlorophenolsinaqueoussolution[J].JournalofEnvironmentalSciences,2005，17(2):301-304边绍伟，王敏，杨睿媛，等.苯胺类污染物的电子束辐照降解研究[J].辐射研究与辐射工艺学报，2005,23(2):119顾建忠，施文彦，吴明