水處理物化新技術

微波、超聲波和復合電磁場水處理技術摘要微波水處理技術、超聲波水處理技術及復合電磁場水處理技術是近年發(fā)展起來的新型水處理技術，它們在一定程度上克服了常規(guī)水處理技術的不足，在未來的水處理領域有廣闊的應用前景。本文簡要介紹了這三種水處理技術的基本原理和應用情況。關鍵詞微波水處理技術超聲波水處理技術復合電磁場水處理技術內(nèi)部水處理的任務是采用物理、化學、生物或多種處理方法聯(lián)用的技術，將水體中的污染物轉(zhuǎn)化成對環(huán)境無害的物質(zhì)，并進行回收利用。常規(guī)的水處理技術往往存在工藝流程長、廢水處理設施龐大、廢水處理工程總投資巨大以及處理后的水質(zhì)不穩(wěn)定，對難降解的可溶性有機物、磷、氮等營養(yǎng)性物質(zhì)處理不徹底等缺陷。這些缺陷常常在一定程度上限制了常規(guī)水處理技術的實際應用，而近年發(fā)展起來的微波水處理技術、超聲波水處理技術及復合電磁場水處理技術等新型水處理技術，則在一定程度上克服了上述缺點，成為更簡單、有效、經(jīng)濟并頗具發(fā)展前景的水處理新技術。1.微波水處理技術微波是指頻率為300MHz?300GHz的電磁波。微波水處理技術是把微波場對單相流和多相流物化反應的強烈催化作用、穿透作用、選擇性供能及其殺滅微生物的功能用于水處理的一項新型技術。微波水處理技術與常規(guī)水處理技術的比較見表1。由表1可見，微波廢水處理技術可使廢水處理工程小型化、分散化，省掉城市建設中現(xiàn)行廢水處理工程長距離埋設的龐大排污管網(wǎng)，廢水經(jīng)微波處理后可100%回收，實現(xiàn)水的可持續(xù)利用。微波加熱破乳可進行油水分離。加入化學試劑對油水乳濁液進行破乳會帶來二次污染，而利用微波加熱破乳進行油水分離則不會有此問題。Fang等研究了植物油-水-硅藻土乳濁液的微波加熱分離，并與常規(guī)加熱及不加熱重力沉降法進行了比較。結果表明，微波加熱明顯加快了油水分離，且在相同條件下微波加熱比常規(guī)加熱有更高的油回收率。微波加熱可加速油水分離過程，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，微波加熱可加速凝聚過程，使油滴凝聚速率加快。微波加熱油水分離研究現(xiàn)已進行了較大規(guī)模的現(xiàn)場試驗。王金成［1］等利用微波誘導催化反應，以蒽醍型染料活性艷藍KN-R為對象，研究在活性炭存在下微波輻射處理染料廢水的可行性。結果表明，在活性炭存在下，微波輻射能使活性艷藍KN-R溶液迅速脫色，微波輻射4min脫色率達97.1%。鄒縱柏等提出了利用微波輻射去除廢水中磺基水楊酸污染物的方法。先用活性炭吸附污染物，然后將濾出的活性炭用微波輻照再生，該方法對廢水中磺基水楊酸的去除率可達97.4%。微波還可有效地殺滅藍藻，藍藻在微波場中只需30?40s即由微細粒匯聚成大顆粒，并變黃沉降，與水分離，與此同時水中的富營養(yǎng)物也就得以降解。用微波處理廢水的多功能流體處理專用工業(yè)微波爐現(xiàn)已有商品出售，可廣泛適用于處理各種性質(zhì)的工業(yè)廢水及市政污水。其處理流程為：（1）廢水經(jīng)排污管進入污水池，實現(xiàn)一級處理；（2）添加試劑，與污水發(fā)生物化反應；（3）處理水流經(jīng)微波場約20s，出微波場2min開始沉清分離；（4）處理水進入固液分離池后，實現(xiàn)二級處理；（5）液體回收再利用。表1.微波水處理技術與現(xiàn)行常規(guī)水處理技術的比較相關指標微波水處理技術現(xiàn)行常規(guī)水處理技術城市生活污水有機污染工業(yè)廢水城市生活污水有機污染工業(yè)廢水廢水處理廠占地面積（畝/萬t）<12100 單位廢水處理能耗（KWh/t廢水）0.31?30.4采用加壓加溫氧化法導致能耗高單位廢水處理的運行費用（元/t廢水）0.30.8?1.20.6?0.8

單位廢水處理成本（元/t廢水）<0.82?31.4?1.64?6實現(xiàn)廢水處理物化反應過程的條件常壓下并且不受環(huán)境溫度的控制常壓下?并且不受環(huán)境溫度的控制受環(huán)境溫度的直接控制，冬季低溫反應進程十分緩慢須在數(shù)個乃至數(shù)十個大氣壓并加溫的條件下才能實現(xiàn)氧化反應處理過程中污染物與水的分離速度廢水進微波場流經(jīng)約20S，出微波場后3min即開始澄清分離廢水在微波場中循環(huán)場外約10?40h反應完成廢水由流入反應池至流出，反映進程約12h 處理過程中殺滅微生物的功能微生物已殺滅微生物已殺滅無滅殺微生物功能加壓加溫氧化使微生物殺滅產(chǎn)物再利用固相無菌可做復合肥，清水無菌可100%返回，實現(xiàn)水的可持續(xù)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處理，熱刺水需做深度處理才能利用加壓加溫氧化法產(chǎn)生的清水可返還使用對現(xiàn)行常規(guī)水處理技術產(chǎn)生的二次水深度處理能力二次水經(jīng)微波凈化后可100%返回再利用二次水經(jīng)微波凈化后可100%返回再利用對二次水的深度處理無能為力 規(guī)模效益使廢水處理過程小型分散化，可省掉城市建設中的現(xiàn)行污水常規(guī)處理技術必須集中處理而地下長距離埋設的龐大排污管網(wǎng)工程，降低了處理成本使廢水處理過程小型分散化，可省掉城市建設中的現(xiàn)行污水常規(guī)處理技術必須集中處理而地下長距離埋設的龐大排污管網(wǎng)工程，降低了處理成本因廢水物化處理反應過程緩慢而必須集中處理，日處理水量須在10萬噸以上方能降低單位處理成本，地下長距離埋設龐大的排污管網(wǎng)工程必給城市安全帶來隱患 微波水處理技術應用于新建污水處理廠，無論從技術上還是經(jīng)濟上考慮都是可行的。使用微波法處理廢水，在降低了投資總額的前提下，處理后廢水出水水質(zhì)大大提高，可作為沖洗或綠化用水直接使用，其經(jīng)濟性是傳統(tǒng)活性污泥法無法比擬的。而且微波的可控性強，易于調(diào)整運行狀態(tài)，對廢水水質(zhì)水量的變化適應性強。到目前為止，微波能污水處理技術已成功應用于滇池水等生活污水與日用化工廠廢水、造紙廢水、焦化廠廢水、電廠廢水、繅絲廠廢水及制糖酒精廢液等多種廢水的處理，均取得了較好的處理效果。2.超聲波水處理技術超聲波降解水中有機污染物的技術操作條件溫和，降解速度快，適用范圍廣，可以單獨或與其他水處理技術聯(lián)合使用，是一種很有發(fā)展?jié)摿蛻们熬暗乃幚砑夹g。2.1超聲波處理廢水的基本原理超聲波通常是指頻率為2X104?2X105Hz的聲波。超聲波降解水中有機污染物是一個物理-化學過程，其主要源于聲空化效應及由此引發(fā)的物理和化學變化［2］。液體的聲空化過程是集中聲場能量并迅速釋放的過程，即液體在超聲輻射下產(chǎn)生空化氣泡，這些空化氣泡吸收聲場能量并在極短的時間內(nèi)崩潰釋能。在空化氣泡崩潰的極短時間內(nèi)，在其周圍極小的空間范圍內(nèi)會產(chǎn)生1900?5200K的高溫和超過50MPa的高壓，并伴有強烈的沖擊波和微射流等現(xiàn)象。在這些極端條件下，進入空化氣泡的水分子可發(fā)生熱分解反應，產(chǎn)生氧化能力很強的?OH自由基，另外溶解在溶液中的空氣也會發(fā)生自由基裂解反應，產(chǎn)知?和0?自由基。這些自由基會進一步引發(fā)有機分子的斷鏈和氧化還原反應；而進入氣泡內(nèi)的有機污染物蒸汽也可發(fā)生類似燃燒的熱分解反應，從而得以降解。此外，在空化氣泡表面層的水分子則可形成超臨界水。超臨界水具有低介電常數(shù)、高擴散性及高傳輸能力等特性，是一種理想的反應介質(zhì)，有利于有機污染物降解速率的增加?？梢?，超聲波降解水體中的有機污染物是通過-0H自由基氧化、氣泡內(nèi)燃燒分解、超臨界水氧化三種途徑進行的。近年來超聲降解水中污染物的研究主要集中于易揮發(fā)的鏈狀有機物。研究表明，這些非極性、易揮發(fā)的有機物降解速度快，可能是因為這些有機物可直接在空化氣泡內(nèi)燃燒或熱分解。對水中極性強、難揮性有機物的超聲波降解研究表明，超聲輻射不僅能使這些物質(zhì)脫氯、脫硝基，而且可使苯環(huán)發(fā)生斷裂，但降解的速度較慢。超聲波降解的影響因素包括超聲波頻率、超聲功率強度、溶液溫度、溶液性質(zhì)、空化氣體及超聲波反應器的結構等。只要降解條件合適，反應時間足夠長，超聲波降解的最終產(chǎn)物都應為熱力學穩(wěn)定的單質(zhì)或礦化物。2.2超聲波水處理技術與其他水處理技術聯(lián)用超聲波水處理技術不僅可單獨用于水體中有機污染物的降解，也可與其他水處理技術聯(lián)用而提高處理效率。2.2.1超聲/光催化聯(lián)用技術利用光催化技術處理有機污染物是一種很有效的方法。采用超聲波的催化效應可使光催化劑TiO2均勻分散，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，若再加上超聲輻射，則可使五氯化苯酚的分解率提高20%。2.2.2超聲/臭氧氧化聯(lián)用技術超聲和臭氧聯(lián)合凈化飲用水可以提高處理效率，超聲空化能使細菌團分裂，使臭氧氣泡保持較小的狀態(tài)，從而提供較大的氧化面積，大大提高殺菌能力。趙朝成等［3］研究了超聲/臭氧氧化聯(lián)用技術處理硝基苯廢水，實驗結果表明，隨著超聲功率的增大，臭氧氧化反應的能力也增強；隨著臭氧量的加大和反應時間的延長，硝基苯的去除率也得以提高。2.2.3超聲/電化學聯(lián)用技術利用超聲的空化效應，可在電化學反應中使電極不形成覆蓋層，避免電極活性下降；超聲空化效應還有利于協(xié)同電催化過程產(chǎn)生-OH，而使污水中的污染物的分解加速；超聲還可使有機物在水溶液中充分分散，從而大幅度提高反應器的處理能力oMizera等在電解氧化處理含酚廢水時發(fā)現(xiàn)，無超聲存在時，只有50%的分解率，若使用25kHz、104W/m2的超聲波處理時，酚的分解率會提高到80%。劉靜等利用超聲/電化學聯(lián)用技術對印染廢水的處理表明，在超聲波和電場的協(xié)同作用下，廢水的脫色率大大高于單獨使用超聲波時的脫色率。2.2.4超聲/絮凝聯(lián)用技術沈壯志等［4］利用超聲與聚合硫酸鐵/H2O2的協(xié)同作用，聯(lián)合對造紙廠黑液廢水進行了初步處理研究。結果表明，聯(lián)合處理比單獨用聚合硫酸鐵/H2O2處理，CODCr的去除率提高11.4%?13.3%；與同等條件處理結果相比，利用超聲可節(jié)約聚合硫酸鐵14%，可節(jié)約H2O250%?80%，此聯(lián)用技術可作為造紙黑液生物處理前期的預處理技術。此外，超聲/O3/UV聯(lián)用、超聲/化學氧化聯(lián)用、超聲/生物處理法聯(lián)用［5,6］等技術的研究表明，它們對化學污染物的降解效率均大于單獨采用超聲波技術的降解效率。超聲技術及其與其他水處理技術的聯(lián)合可應用于廢水處理，特別是用于城市污水適度回用、中水回用和高濃度、難降解有機物污染廢水處理等。該技術處理工藝流程短，污染量少，結構緊湊，占地小，無需增加消毒裝置，在運行中啟動，操作管理方便，受水質(zhì)、水量負荷的沖擊輕，經(jīng)濟上較合理。2.3超聲波水處理技術今后的發(fā)展方向目前，國內(nèi)外學者利用超聲波技術降解水中的污染物已多達幾十種，但所研究的對象多為單組分模擬體系，而實際污水中常含有多種污染物，因此超聲波技術在實際污水處理中的適用性如何還有待進一步的研究。此外，目前有關利用超聲波技術降解水中污染物的研究大多屬于實驗室階段，且由于聲化學反應過程的降解機理、反應動力學及反應器的設計放大等方面的研究開展得很不充分，目前還難以實現(xiàn)工程化。因此，加強對多組分污染物模擬體系的研究，并對聲化學反應過程的降解機理、反應器的設計放大進行深入研究，通過優(yōu)化參數(shù)和改進反應器結構來進一步提高降解效率、降低成本，是今后超聲波技術應用于水處理的發(fā)展方向。3復合電磁場水處理技術復合電磁場系統(tǒng)可用于醫(yī)院污水的消毒滅菌。它主要由3個基本單元構成：穩(wěn)恒磁場、高壓靜電場和低壓直流電場。王佩等［7］利用復合電磁場對水質(zhì)較為惡劣的醫(yī)院污水進行處理，處理后水的大腸菌群為0cfu/L，各理化指標除COD稍高外，均達到生活雜用水水質(zhì)標準的要求。復合電磁場系統(tǒng)消毒滅菌的可能機制是：污水在整個裝置中沿著與電場及磁場相垂直的方向做切割磁力線與電力線的循環(huán)往復運動，水中微生物細胞內(nèi)帶電粒子的運動受到洛倫磁力和感應電流的綜合影響，同時細胞膜可充當一個“電場集中器”，使得細胞內(nèi)電場為外加電場的兩個數(shù)量級。在電磁場反復作用下，細胞的離子通道、生物酶的立體結構受到扭曲和破壞，生物大分子鍵斷裂或產(chǎn)生不可逆的構型變化，最終可使微生物致死。此外，在低壓直流電場的陽極會產(chǎn)生大量新生態(tài)的［O］及H2O2。由于細菌菌體通常帶負電，故會向陽極移動，在陽極附近被局部高濃度的［O］及H2O2滅活。污水中產(chǎn)濁度的膠體物質(zhì)，經(jīng)復合電磁場處理后其膠核與周圍“離子氛”的電特性改變，膠體微粒產(chǎn)生脫穩(wěn)并凝聚，同時拉動水中其它污染物共同沉淀，因而復合電磁場能使?jié)崴兦宀⑷コ泻ξ镔|(zhì)，從而達到凈化水質(zhì)的目的。復合電磁場處理污水不需投加任何藥劑，可避免帶來二次污染；消毒效果好且不會產(chǎn)生具有“三致”作用的氯化副產(chǎn)物。污水若經(jīng)適當?shù)念A處理后再經(jīng)復合電磁場系統(tǒng)進行深度凈化，處理后的水可回收利用。參考文獻1王金成，薛大明，全夔等.微波輻射處理活性艷藍KN-R染料溶液的研究.環(huán)境科學學報，2001，21(5)：628?6312劉冬蓮，黃艷斌.水處理氧化技術中-OH的形成機理.環(huán)境科學與技術，2003,26(2)：44?463趙朝成，趙