電子束輻照技術(shù)在廢水處理中的基本應(yīng)用
【摘要】由于人們生產(chǎn)活動(dòng)的多樣性，污水中的污染物質(zhì)非常復(fù)雜，僅使用傳統(tǒng)的污水處理辦法很難徹底解決廢水凈化問題。這就需要有一種新型、高效、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)來解決目前遇到的困難。隨著電子束輻照技術(shù)的發(fā)展，其在污水處理方面表現(xiàn)出巨大的潛力：清潔、高效、無二次污染，能夠分解處理多種污染物質(zhì)，因此日益受到人們的重視。
電子束輻照技術(shù)就是利用被加速的電子束流轟擊或照射被處理對(duì)象，使之發(fā)生常規(guī)方法難以引發(fā)的物理化學(xué)及生物學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品性能、凈化物質(zhì)等目的。污水處理則是利用加速后的電子束流對(duì)污水進(jìn)行輻照．使水中的污染物發(fā)生分解或降解、有害微生物發(fā)生變性等，來達(dá)到消毒凈化廢水的目的。
由于電子束流的輻照能量大部分會(huì)沉積在水分子中，在電子束流作用下，當(dāng)電子束輻照能量超過水分子化學(xué)鍵的鍵能和分子的電離勢(shì)能時(shí)，化學(xué)鍵和分子的結(jié)合能就會(huì)被破壞，污水便被輻照分解生成較強(qiáng)的氧化物質(zhì)（如OH、H202、02-等），這些氧化物質(zhì)與水中的污染物質(zhì)、細(xì)菌相互作用，達(dá)到氧化分解和消毒的目的。
電子加速器裝置由一系列高精度的機(jī)械電子設(shè)備系統(tǒng)和復(fù)雜的控制系統(tǒng)組成，是電子束處理污水的核心設(shè)備。涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，如高真空、高氣壓、電子學(xué)、高頻與微波技術(shù)、計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、材料學(xué)、束流測(cè)量、輻射防護(hù)等。輻照加速器的主要組成：
(1)電子槍；
(2)加速器主機(jī)，包括加速高頻系統(tǒng)、控制磁場(chǎng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)；
(3)電子束流的約束、引出及應(yīng)用裝置；
(4)控制系統(tǒng)部分。
目前作為輻照源的加速器主要分為低能段（0.15～0.5MeV）、中能段（0.5～5.0MeV）、高能段（5.0～10.0MeV）等3類加速器。隨著加速器技術(shù)的不斷發(fā)展，研制的加速器在結(jié)構(gòu)上將更加緊湊、操作簡(jiǎn)便，可根據(jù)需要進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，易于維護(hù)。
電子加速器模型圖
目前，許多國家，如澳大利亞、匈牙利、印度、日本、約旦、波蘭、葡萄牙、土耳其、美國，正在使用電子束輻射（EB）進(jìn)行廢水處理，用于各種用途，如廢水和城市垃圾的去污，減少有毒農(nóng)藥的濃度，非生物降解材料，微生物污染的飲用水的消毒等。全球早期電子束廢水處理廠分布如下圖所示。
電子束輻照技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用
1、韓國大邱工廠
工業(yè)廢水污染物含量非常復(fù)雜，因?yàn)榭萍歼M(jìn)步和工業(yè)過程的多樣性，添加劑和衍生物種類繁多。這意味著該行業(yè)迫切需要一種能夠?qū)Υ鼈兊臉O其通用的工藝。這些廢水包括復(fù)雜的有機(jī)化合物和有色廢水，電子束技術(shù)在處理這些污染物方面有著獨(dú)特的效果。由于該技術(shù)對(duì)于許多類型的廢水都是有效的，并且對(duì)所有這些廢水可以使用相同的設(shè)備，因此它是一種非常通用的處理方法。從成本方面來講，國外的許多研究也表明利用電子束處理廢水比較經(jīng)濟(jì)。
韓國在大邱建設(shè)了一個(gè)電子束和生化法結(jié)合的污水處理廠，將初步沉淀處理后的重度紡織業(yè)廢水經(jīng)電子輻照和生化降解后，可使水的污染物含量降低一半左右，工廠流程圖如下圖所示。
該廠是一個(gè)每天處理1000立方米染色廢水的試驗(yàn)工廠，它使用能量為1MeV的加速器，產(chǎn)生400千瓦的光束功率。為了均勻照射水，使用寬度為1.5m的噴嘴型噴射器。
韓國大邱工廠使用的電子加速器
廢水通過噴射器在電子束照射區(qū)域下注入，以獲得足夠的穿透深度。可以改變注射速度以達(dá)到一定的應(yīng)用效果。該系統(tǒng)與生化技術(shù)相結(jié)合，證明了化學(xué)試劑消耗的減少，以及保留時(shí)間的減少，去除效率提高了30～40倍，廢水中總有機(jī)碳（TOC）、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等污染物指標(biāo)都比原處理方法降低一半左右。
大邱污水廠電子束處理效率
2、美國邁阿密工廠
美國芝加哥城市污水回收局（MWRD）在電子束處理城市污水方面做了許多基礎(chǔ)性的研究，研制出了可工業(yè)應(yīng)用的電子束加速器，并與軍方和一些商業(yè)部門開展合作，以期將這一技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
MWRD電子束加速器
由于城市污水中包括可以回收利用的有機(jī)物，所以芝加哥城市污水回收局（MWRD）的電子束處理工廠不光包括污水處理設(shè)備，還包括大量的回收設(shè)備，以將這些有機(jī)物轉(zhuǎn)化為農(nóng)作物肥料等可用副產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)圖如下。
MWRD污水處理廠結(jié)構(gòu)圖
利用這些技術(shù)，美國在邁阿密建成了全球最大的城市污水電子束處理裝置，總功率1MW，每天處理12億加侖污水，處理成本只有每加侖1.5～2美分，在處理城市污水和有機(jī)廢料消毒方面取得了非常好的效果。該處理廠不光可以對(duì)污水進(jìn)行凈化，還可以將部分污染物轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)肥料。
邁阿密電子束污水處理廠結(jié)構(gòu)圖
3、中廣核金華工廠
中國擁有一個(gè)大型工業(yè)體系，利用電子束進(jìn)行廢水處理將更加具有成本優(yōu)勢(shì)。近年來，中國污水處理廠商一直在為其處理流程投入更多資金，并希望采用新的創(chuàng)新解決方案。中國首個(gè)使用電離輻射技術(shù)處理工業(yè)廢水的示范工程于2017年在浙江金華啟動(dòng)運(yùn)行，每日可處理印染企業(yè)排放廢水1500～2000立方米。輻照處理的水樣比原處理技術(shù)化學(xué)需氧量（COD）和透明度都有顯著改善。
金華示范項(xiàng)目在二次沉淀池中將難以通過傳統(tǒng)手段降解的污水引入調(diào)節(jié)池利用電子束輻照技術(shù)進(jìn)行處理，通過與傳統(tǒng)的物化、生物、膜處理等工藝有機(jī)結(jié)合，電子束技術(shù)可以形成技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)成本合理的解決方案。隨著電子束處理工業(yè)廢水技術(shù)臻于成熟，已具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的條件。
4、移動(dòng)式處理設(shè)備
除了固定式污水處理廠外，電子束輻照污水處理技術(shù)還可以安裝在移動(dòng)設(shè)備上，以滿足多樣化和靈活性的小型污水處理需求。下圖為一種電腦控制的電子束實(shí)驗(yàn)裝置，安裝在集裝箱內(nèi)，電子束需要采取優(yōu)良的封閉措施，可以對(duì)廢水和煙氣進(jìn)行凈化處理，液體處理能力為每天500m3，氣體處理能力為2,000Nm3 /h。
移動(dòng)式電子束污水處理裝置
總結(jié)：
電子束污水處理技術(shù)是污水處理領(lǐng)域的新興技術(shù)，西方發(fā)達(dá)國家在這方面已經(jīng)有幾十年的發(fā)展史，處理裝置已有實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入大規(guī)模商用階段，其處理效率比傳統(tǒng)生化處理方式高出至少一倍，是未來污水處理領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。我國金華電子束污水處理廠的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已取得階段性進(jìn)展，相信在不遠(yuǎn)的將來，全球?qū)?huì)建設(shè)更多的電子束污水處理裝置，以滿足越來越多樣化的污水處理需求。
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