水处理物化新技术

微波、超声波和复合电磁场水处理技术摘要微波水处理技术、超声波水处理技术及复合电磁场水处理技术是近年发展起来的新型水处理技术，它们在一定程度上克服了常规水处理技术的不足，在未来的水处理领域有广阔的应用前景。本文简要介绍了这三种水处理技术的基本原理和应用情况。关键词微波水处理技术超声波水处理技术复合电磁场水处理技术内部水处理的任务是采用物理、化学、生物或多种处理方法联用的技术，将水体中的污染物转化成对环境无害的物质，并进行回收利用。常规的水处理技术往往存在工艺流程长、废水处理设施庞大、废水处理工程总投资巨大以及处理后的水质不稳定，对难降解的可溶性有机物、磷、氮等营养性物质处理不彻底等缺陷。这些缺陷常常在一定程度上限制了常规水处理技术的实际应用，而近年发展起来的微波水处理技术、超声波水处理技术及复合电磁场水处理技术等新型水处理技术，则在一定程度上克服了上述缺点，成为更简单、有效、经济并颇具发展前景的水处理新技术。1.微波水处理技术微波是指频率为300MHz〜300GHz的电磁波。微波水处理技术是把微波场对单相流和多相流物化反应的强烈催化作用、穿透作用、选择性供能及其杀灭微生物的功能用于水处理的一项新型技术。微波水处理技术与常规水处理技术的比较见表1。由表1可见，微波废水处理技术可使废水处理工程小型化、分散化，省掉城市建设中现行废水处理工程长距离埋设的庞大排污管网，废水经微波处理后可100%回收，实现水的可持续利用。微波加热破乳可进行油水分离。加入化学试剂对油水乳浊液进行破乳会带来二次污染，而利用微波加热破乳进行油水分离则不会有此问题。Fang等研究了植物油-水-硅藻土乳浊液的微波加热分离，并与常规加热及不加热重力沉降法进行了比较。结果表明，微波加热明显加快了油水分离，且在相同条件下微波加热比常规加热有更高的油回收率。微波加热可加速油水分离过程，一方面是由于其加快了水中油滴的上升速度（或油中水滴的下降速度），另一方面，微波加热可加速凝聚过程，使油滴凝聚速率加快。微波加热油水分离研究现已进行了较大规模的现场试验。王金成［1］等利用微波诱导催化反应，以蒽醍型染料活性艳蓝KN-R为对象，研究在活性炭存在下微波辐射处理染料废水的可行性。结果表明，在活性炭存在下，微波辐射能使活性艳蓝KN-R溶液迅速脱色，微波辐射4min脱色率达97.1%。邹纵柏等提出了利用微波辐射去除废水中磺基水杨酸污染物的方法。先用活性炭吸附污染物，然后将滤出的活性炭用微波辐照再生，该方法对废水中磺基水杨酸的去除率可达97.4%。微波还可有效地杀灭蓝藻，蓝藻在微波场中只需30〜40s即由微细粒汇聚成大颗粒，并变黄沉降，与水分离，与此同时水中的富营养物也就得以降解。用微波处理废水的多功能流体处理专用工业微波炉现已有商品出售，可广泛适用于处理各种性质的工业废水及市政污水。其处理流程为：（1）废水经排污管进入污水池，实现一级处理；（2）添加试剂，与污水发生物化反应；（3）处理水流经微波场约20s，出微波场2min开始沉清分离；（4）处理水进入固液分离池后，实现二级处理；（5）液体回收再利用。表1.微波水处理技术与现行常规水处理技术的比较相关指标微波水处理技术现行常规水处理技术城市生活污水有机污染工业废水城市生活污水有机污染工业废水废水处理厂占地面积（亩/万t）<12100 单位废水处理能耗（KWh/t废水）0.31〜30.4采用加压加温氧化法导致能耗高单位废水处理的运行费用（元/t废水）0.30.8〜1.20.6〜0.8

单位废水处理成本（元/t废水）<0.82〜31.4〜1.64〜6实现废水处理物化反应过程的条件常压下并且不受环境温度的控制常压下•并且不受环境温度的控制受环境温度的直接控制，冬季低温反应进程十分缓慢须在数个乃至数十个大气压并加温的条件下才能实现氧化反应处理过程中污染物与水的分离速度废水进微波场流经约20S，出微波场后3min即开始澄清分离废水在微波场中循环场外约10〜40h反应完成废水由流入反应池至流出，反映进程约12h 处理过程中杀灭微生物的功能微生物已杀灭微生物已杀灭无灭杀微生物功能加压加温氧化使微生物杀灭产物再利用固相无菌可做复合肥，清水无菌可100%返回，实现水的可持续利用固相可二次利用，清水可100%返回利用固相需做深坑填埋处理，热刺水需做深度处理才能利用加压加温氧化法产生的清水可返还使用对现行常规水处理技术产生的二次水深度处理能力二次水经微波净化后可100%返回再利用二次水经微波净化后可100%返回再利用对二次水的深度处理无能为力 规模效益使废水处理过程小型分散化，可省掉城市建设中的现行污水常规处理技术必须集中处理而地下长距离埋设的庞大排污管网工程，降低了处理成本使废水处理过程小型分散化，可省掉城市建设中的现行污水常规处理技术必须集中处理而地下长距离埋设的庞大排污管网工程，降低了处理成本因废水物化处理反应过程缓慢而必须集中处理，日处理水量须在10万吨以上方能降低单位处理成本，地下长距离埋设庞大的排污管网工程必给城市安全带来隐患 微波水处理技术应用于新建污水处理厂，无论从技术上还是经济上考虑都是可行的。使用微波法处理废水，在降低了投资总额的前提下，处理后废水出水水质大大提高，可作为冲洗或绿化用水直接使用，其经济性是传统活性污泥法无法比拟的。而且微波的可控性强，易于调整运行状态，对废水水质水量的变化适应性强。到目前为止，微波能污水处理技术已成功应用于滇池水等生活污水与日用化工厂废水、造纸废水、焦化厂废水、电厂废水、缫丝厂废水及制糖酒精废液等多种废水的处理，均取得了较好的处理效果。2.超声波水处理技术超声波降解水中有机污染物的技术操作条件温和，降解速度快，适用范围广，可以单独或与其他水处理技术联合使用，是一种很有发展潜力和应用前景的水处理技术。2.1超声波处理废水的基本原理超声波通常是指频率为2X104〜2X105Hz的声波。超声波降解水中有机污染物是一个物理-化学过程，其主要源于声空化效应及由此引发的物理和化学变化［2］。液体的声空化过程是集中声场能量并迅速释放的过程，即液体在超声辐射下产生空化气泡，这些空化气泡吸收声场能量并在极短的时间内崩溃释能。在空化气泡崩溃的极短时间内，在其周围极小的空间范围内会产生1900〜5200K的高温和超过50MPa的高压，并伴有强烈的冲击波和微射流等现象。在这些极端条件下，进入空化气泡的水分子可发生热分解反应，产生氧化能力很强的・OH自由基，另外溶解在溶液中的空气也会发生自由基裂解反应，产知・和0・自由基。这些自由基会进一步引发有机分子的断链和氧化还原反应；而进入气泡内的有机污染物蒸汽也可发生类似燃烧的热分解反应，从而得以降解。此外，在空化气泡表面层的水分子则可形成超临界水。超临界水具有低介电常数、高扩散性及高传输能力等特性，是一种理想的反应介质，有利于有机污染物降解速率的增加。可见，超声波降解水体中的有机污染物是通过-0H自由基氧化、气泡内燃烧分解、超临界水氧化三种途径进行的。近年来超声降解水中污染物的研究主要集中于易挥发的链状有机物。研究表明，这些非极性、易挥发的有机物降解速度快，可能是因为这些有机物可直接在空化气泡内燃烧或热分解。对水中极性强、难挥性有机物的超声波降解研究表明，超声辐射不仅能使这些物质脱氯、脱硝基，而且可使苯环发生断裂，但降解的速度较慢。超声波降解的影响因素包括超声波频率、超声功率强度、溶液温度、溶液性质、空化气体及超声波反应器的结构等。只要降解条件合适，反应时间足够长，超声波降解的最终产物都应为热力学稳定的单质或矿化物。2.2超声波水处理技术与其他水处理技术联用超声波水处理技术不仅可单独用于水体中有机污染物的降解，也可与其他水处理技术联用而提高处理效率。2.2.1超声/光催化联用技术利用光催化技术处理有机污染物是一种很有效的方法。采用超声波的催化效应可使光催化剂TiO2均匀分散，有利于提高其催化活性。研究表明，在0.2%的TiO2存在下，采用紫外光照射可有效地分解五氯化苯酚，若再加上超声辐射，则可使五氯化苯酚的分解率提高20%。2.2.2超声/臭氧氧化联用技术超声和臭氧联合净化饮用水可以提高处理效率，超声空化能使细菌团分裂，使臭氧气泡保持较小的状态，从而提供较大的氧化面积，大大提高杀菌能力。赵朝成等［3］研究了超声/臭氧氧化联用技术处理硝基苯废水，实验结果表明，随着超声功率的增大，臭氧氧化反应的能力也增强；随着臭氧量的加大和反应时间的延长，硝基苯的去除率也得以提高。2.2.3超声/电化学联用技术利用超声的空化效应，可在电化学反应中使电极不形成覆盖层，避免电极活性下降；超声空化效应还有利于协同电催化过程产生-OH，而使污水中的污染物的分解加速；超声还可使有机物在水溶液中充分分散，从而大幅度提高反应器的处理能力oMizera等在电解氧化处理含酚废水时发现，无超声存在时，只有50%的分解率，若使用25kHz、104W/m2的超声波处理时，酚的分解率会提高到80%。刘静等利用超声/电化学联用技术对印染废水的处理表明，在超声波和电场的协同作用下，废水的脱色率大大高于单独使用超声波时的脱色率。2.2.4超声/絮凝联用技术沈壮志等［4］利用超声与聚合硫酸铁/H2O2的协同作用，联合对造纸厂黑液废水进行了初步处理研究。结果表明，联合处理比单独用聚合硫酸铁/H2O2处理，CODCr的去除率提高11.4%〜13.3%；与同等条件处理结果相比，利用超声可节约聚合硫酸铁14%，可节约H2O250%〜80%，此联用技术可作为造纸黑液生物处理前期的预处理技术。此外，超声/O3/UV联用、超声/化学氧化联用、超声/生物处理法联用［5,6］等技术的研究表明，它们对化学污染物的降解效率均大于单独采用超声波技术的降解效率。超声技术及其与其他水处理技术的联合可应用于废水处理，特别是用于城市污水适度回用、中水回用和高浓度、难降解有机物污染废水处理等。该技术处理工艺流程短，污染量少，结构紧凑，占地小，无需增加消毒装置，在运行中启动，操作管理方便，受水质、水量负荷的冲击轻，经济上较合理。2.3超声波水处理技术今后的发展方向目前，国内外学者利用超声波技术降解水中的污染物已多达几十种，但所研究的对象多为单组分模拟体系，而实际污水中常含有多种污染物，因此超声波技术在实际污水处理中的适用性如何还有待进一步的研究。此外，目前有关利用超声波技术降解水中污染物的研究大多属于实验室阶段，且由于声化学反应过程的降解机理、反应动力学及反应器的设计放大等方面的研究开展得很不充分，目前还难以实现工程化。因此，加强对多组分污染物模拟体系的研究，并对声化学反应过程的降解机理、反应器的设计放大进行深入研究，通过优化参数和改进反应器结构来进一步提高降解效率、降低成本，是今后超声波技术应用于水处理的发展方向。3复合电磁场水处理技术复合电磁场系统可用于医院污水的消毒灭菌。它主要由3个基本单元构成：稳恒磁场、高压静电场和低压直流电场。王佩等［7］利用复合电磁场对水质较为恶劣的医院污水进行处理，处理后水的大肠菌群为0cfu/L，各理化指标除COD稍高外，均达到生活杂用水水质标准的要求。复合电磁场系统消毒灭菌的可能机制是：污水在整个装置中沿着与电场及磁场相垂直的方向做切割磁力线与电力线的循环往复运动，水中微生物细胞内带电粒子的运动受到洛伦磁力和感应电流的综合影响，同时细胞膜可充当一个“电场集中器”，使得细胞内电场为外加电场的两个数量级。在电磁场反复作用下，细胞的离子通道、生物酶的立体结构受到扭曲和破坏，生物大分子键断裂或产生不可逆的构型变化，最终可使微生物致死。此外，在低压直流电场的阳极会产生大量新生态的［O］及H2O2。由于细菌菌体通常带负电，故会向阳极移动，在阳极附近被局部高浓度的［O］及H2O2灭活。污水中产浊度的胶体物质，经复合电磁场处理后其胶核与周围“离子氛”的电特性改变，胶体微粒产生脱稳并凝聚，同时拉动水中其它污染物共同沉淀，因而复合电磁场能使浊水变清并去除有害物质，从而达到净化水质的目的。复合电磁场处理污水不需投加任何药剂，可避免带来二次污染；消毒效果好且不会产生具有“三致”作用的氯化副产物。污水若经适当的预处理后再经复合电磁场系统进行深度净化，处理后的水可回收利用。参考文献1王金成，薛大明，全夔等.微波辐射处理活性艳蓝KN-R染料溶液的研究.环境科学学报，2001，21(5)：628〜6312刘冬莲，黄艳斌.水处理氧化技术中-OH的形成机理.环境科学与技术，2003,26(2)：44〜463赵朝成，赵