张 剑,刘 琛

(1.河南省郑州水利学校,河南郑州 450011;2.河南省化工研究所有限责任公司,河南郑州450052)

微波在水处理中的研究现状

张 剑1,刘 琛2

(1.河南省郑州水利学校,河南郑州 450011;2.河南省化工研究所有限责任公司,河南郑州450052)

介绍了微波技术在水处理方面的研究。利用微波技术能够高效地降解难降解污水,去除污水中重金属、有毒有害的有机物,热解污泥防止二次污染。微波技术处理工艺具有处理速度快、单位处理污水的占地面积少、出水水质好而稳定、单位污水处理成本低等优点,因此,微波法处理生活污水有良好的发展前景。

微波;水处理;污水

微波通常是指波长在1 mm～1 m(频率为300 MHz～30 GHz)的特殊电磁波,目前915MHz和2 450 MHz两个频率广泛为微波加热所采用。微波辅助提取与传统热提取不同,传统提取的传热方向与传质方向相反,传质方向是从内到外,而传热方向为从外到内。这种微波技术独特的“体加热原理”使它无论在提取效率、适用范围及操作经济性方面,都具有独特的优势。

1 处理难降解的污水

单独使用微波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]。采用活性炭吸附污水中的污染物是常用的一种方法,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:腈纶废水是一种较为难降解的废水,李国等以MnO2、T iO2为催化剂,用微波辐射,处理的效果较好(见表1),而且改善了废水的可生化处理的性能(见表2)[2-3]。

表1 催化剂用量与COD去处率的关系

表2 最佳条件下腈纶废水处理后的COD、BOD5及BOD、COD比值

此外,姚培正、邓宇等[4]在催化剂活性炭存在的情况下,研究了微波辐射对染料废水的处理效果。实验表明,研究了微波辐照下,随活性炭的加入量的增加去除率增加,但是当活性炭用量超过2 g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。洪军等[5]研究了水溶液中苯酚的光催化降解效果。结果表明:反应30 min,微波辅助光催化(MAPC)能去除92%的苯酚,溶液总有机碳(TOC)减少84%。MAPC的最佳反应条件为:苯酚初始浓度10 mg/L,微波功率900 W,反应液体积50 mL,EDLs23、催化剂用量1～4 g/L,循环态流速15 mL/min。MAPC处理含酚废水具有较好的应用潜能。洪光[6]等采用微波诱导氧化工艺(MIOP)技术,以改性氧化铝为催化剂,对雅格素蓝BF-BR染料模拟废水进行氧化处理。优化了工艺条件,实验在固液质量比为1∶10(50 mL雅格素蓝BFBR水溶液中投加510 g改性氧化铝)。微波功率为400 W的条件下微波辐照处理5 min。在此工艺条件下,对水中雅格素蓝BFBR的脱色率可达到98%,COD去除率为87.14%。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—氧化协同作用而被迅速降解。I Polaert[7]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。因此,微波为难降解污水的达标处理奠定了基础。

2 去除重金属离子及有毒有害的有机物

污水中主要含有重金属离子以及有毒有害有机物,就可导致大部分水生动植物死亡,严重污染环境。传统处理方法有化学还原法、沉淀法、物理膜分离法、吸附法、离子交换法、生物法、铁氧体法以及这些方法的联合来实现,但是这些处理方法都普遍存在处理周期长、成本高、引入新的杂质、不利于废水再利用、受原水pH值过低或初始浓度过高的限制等缺点。例如,某化成箔生产废水中Cr(Ⅵ)质量浓度26g/L,pH值为0.5,用现有方法处理很难达标。曾有人用一种有机物质MK做还原剂,将Cr(Ⅵ)还原为毒性小的Cr(Ⅲ),得到较纯净的Cr(OH)3沉淀,既净化了含Cr(Ⅵ)废水,又便于铬的进一步回收利用。

在此基础上李熠[8]等利用微波处理与化学还原相结合的方法还原含铬废水,试验表明:在相同的反应时间与温度下,采用微波加热可明显提高Cr(Ⅵ)转化为Cr(Ⅲ)的反应速率,降低反应活化能,但不改变反应动力学;对于Cr(Ⅵ)初始质量浓度为26 g/L,pH值为0.5含铬废水,与常规加热还原法相比,微波加热的反应速率更快,能耗更低,反应进行得更完全,出水中Cr(Ⅵ)质量浓度可降至0.48 mg/L,可达标排放。

周亚红[9]等利用微波辐射处理电镀废水,效果如表3所示。

表3 电镀废水原水水质

此试验表明:不同的微波辐射时间对电镀废水的处理有明显的影响,随着时间的增加,其去除率逐渐增加,在140 s时CODCr浓度值降到最低点,随后下降趋势不明显。其去除率最大可达到78.0%;微波辐射可以很好地降低电镀废水中氰化物的危害,氰化物最高去除率可达99.9%。在处理时间为120 s时达到最好,之后趋于稳定;微波处理对重金属铜的去除效果也非常明显,最大去除率可达87.0%。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,去除效果也非常明显。

3 对污泥的处理

余杰等[10]对国内污水处理厂污泥的处置情况进行调查,发现目前多数城市污水处理厂对于污泥的主要处置方法是土地填埋,其次是土地利用。但是由于填埋场大多为露天,经过雨水淋滤后,没有稳定化和无害化的污泥很快恢复原形,对填埋场地的安全构成了潜在危害。处理不到位的污泥还造成填埋场渗滤系统堵塞,严重污染附近的地下水。

微波法处理污泥是近年来研究的热点。污泥与大部分有机废物相同,含有大量易挥发性有机物。污泥热解的原理是使污泥中有机物大分子在隔绝空气的条件下,借助高温的能量发生断裂,产生小分子气体、热解溶液和碳渣。方琳等[11]微波热解污泥的研究经验,将SiC作为吸能物质,并且把污泥本身的热解固体残留物分别添加到污泥中,实现污泥在微波场中的快速升温及高温热解,并对其液、气、固三态产物的特性及再利用价值加以分析。

实验表明:添加SiC和固体残留物的污泥微波高温热解液态产物的热值可以达到37 MJ/kg以上,PAHs含量低于5.37%;气态产物中H2和CO的体积分数在54%以上,热值达到9 420 kJ/m3;这些产物的特性为其用作燃料提供可能。此外,与传统热解相比,微波热解污泥过程中挥发作用产生的CO2可以促进热解碳渣发生自挥发反应[12],从而使其产品中CO2浓度降低。

WongW T等[13]主要研究了微波加双氧水高级氧化法处理二沉池污泥的效果,结果表明,在80℃甚至更高温度下,微波加双氧水高级氧化法处理的污泥,COD完全溶解,污泥中的营养物质(氮、磷和金属元素)也同时被溶解,然后可以用类似矿石结晶法的手段将这些营养物质提取出来,并将其加以利用。与此同时,还可以起到对污泥杀菌和灭活的作用。

4 处理生活污水

一般污水中成分比较复杂,用一种方法难以实现处理目标,而往往采用多种方法相组合,从目前处理效果来看基本上能达到处理目标。但某些污染物(如磷)在大型污水厂中仍难达标,要达标的话将使投资和运行费用大大提高。由于是多种工艺流程相组合,所以工艺流程长,单体构筑物多,设备多,反应过程缓慢,造成单体构筑物容积大,使整个污水处理厂占地面积大、投资大,运行操作复杂,运行成本高,变成造得起,运行不起的局面。

微波污水处理法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,提高流体的温度和压力,强烈促进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等。选择性供能和物质的吸能,催化氧化作用(如发生铁氧化反应),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。虞睿[14]等微波法处理生活污水的试验,结果表明:微波能可对污水中的污染物分子进行选择性的分子供能;微波能对污水中的污染物与添加药剂的化学反应具有强烈的催化作用,使微波场中的物化反应速度加快,使处理更加快捷;在微波场中,污水中的固态微粒能迅速汇集、沉降而与水分离;微波能对污水具有穿透能力而被其吸收;对金属具有反射能力而几乎不被其吸收,因而对容器中的污水供能非常均匀、高效、节能;微波能对病菌、病原体具有低温高效杀灭功能。

微波工艺的出水水质及污染物去除率都优于常规法,出水质很接近回用水质,更重要是,污泥沉降速度非常快,污泥含水率很低,微波深度处理后出水已经非常优质,优于国标回用水标准。在很多场合,例如绿化、洗地、冷却等方面,微波法排出的污泥无毒性,可直接做绿化,土壤或生产园林用肥。

5 展望

微波技术对水处理主要还是试验研究和探索阶段,在实际应用方面只做过某些局部试验;但是微波技术处理难降解污水、污水中的重金属离子及有毒有害的有机物、热解污泥和生活污水具有的快速、高效、不带入新的污染物、省时节能、简化操作程序、能使处理工程小型化和分散化等优点,是传统的污水处理技术不可比拟的,显示了很大的潜力和优势。随着处理技术理论的不断完善、材料设备的不断改进,微波技术必将成为一种经济、高效、具有广阔发展前景的水处理技术。

[1］孙保平,冯建敏.微波辐射处理生活废水方法研究[J].安阳工学院学报,2005.(3)7-8

[2］黄民生,丁 琨,王水华.腈纶生产废水处理试验研究[J].化工装备技术,2005:40-50.

[3］李 国,邓 宇.腈纶废水的微波处理研究[J].临沂师范学院学报,2006,7(9):27-30.

[4］姚培正,邓 宇.微波辐射酸性大红染料废水处理方法的研究[J].化学工程师,2005,12(9):30-33.

[5］洪 军,刘亚子,杨绍贵.微波辅助光催化水中苯酚叨[J].环境科学,2006,27(9):20-23.

[6］洪 光,王 鹏,张国宇.改性氧化铝微波诱导氧化处理雅格素蓝BF-BR染料废水的研究[J].环境科学学报,2005,25(2):254-258.

[7］I Polaert.Microwave-Assisted Remediation of Phenol WasteWater on Activated Charcoal[J].Chemical Engineering Science,2005:6354-6359.

[8］李 熠,张 剑,孙传竹.含铬废水微波还原处理工艺研究[J].湿法冶金,2008,27(3):173-175.

[9］周亚红,付晓刚,李 铎.微波辐射处理电镀废水试验研究[J].安徽农业科学,2009,37(24):11701-11702.

[10］余 杰,田宁宁,王凯军,等.中国城市污水处理厂污泥处理、处置问题探讨分析网[J].环境工程学报,2007,1(1):82-86.

[11］方 琳,田 禹,武伟男,等.微波高温热解污水污泥各态产物特性分析[J].安全与环境学报,2008,8(1):29-33.

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X703.1

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1003-3467(2010)18-0018-03

2010-08-25

张 剑(1983-),男,助理讲师,从事教学工作,E-mail:ahjian2008@163.com。