辐射技术在水处理中的应用及其发展-唐志坚

文章编号:1004-7204(2004)03-00027-03辐射技术在水处理中的应用及其发展唐志坚1,王兴1,黄坤2(1.解放军理工大学工程兵工程学院,南京210007;2.解放军理工大学气象学院,南京211101)摘要:介绍了水处理辐射技术的分类、处理机理及其特点;概括了辐射技术在水处理中的应用情况;分析了辐射技术在水处理中的发展趋势。关键词:辐射技术;紫外辐射;电子束辐射中图分类号:Q691.1/X703.1　　　　　　　文献标识码:ATheApplicationandDevelopmentofRadiationTechniquesinWaterTreatmentTANGZhi-jian1,WANGXing1,HUANGKun2(1.TheEngineeringInstituteofEngineeringCorpsofPLAUniv.ofSci.&Tech.,Nanjing,210007,China;2.TheMeteorologicalCollegeP.L.AUniversityofSci&Tcch,Nanjing211101,China)Abstract:Theclasses,treatmentprincipleandcharacteristicsofradiationtechniquesusedinwatertreatmentareintroducedbriefly.Andtheapplicationdevelopmentofradiationtechniquesinwatertreatmentissumma-rizedup.Theprospectsareforecastedtoo.Keywords:radiationtechnique;ultravioletrayirradiation;electronbeamirradiation1　水处理辐射技术的分类所谓的辐射技术是指通过辐射源产生的射线或者粒子流照射水流而使水质发生变化的技术。目前应用于水处理的辐射技术主要是紫外辐射(UV)和电子束辐射(EB)。紫外辐射法(UV)是通过紫外线对水的照射进行的。紫外线是光谱介于可见光与x射线之间的不可见(肉眼)光线,波长在100nm～400nm范围内,根据其波长的不同又可细分为四种类型:A波紫外线(长波紫外线,UVA),波长———315～400nm;B波紫外线(中波紫外线,UVB),波长———280～315nm;C波紫外线(短波紫外线,UVC),波长———200～280nm;D波紫外线(真空紫外线,UVD),波长———100～200nm。据相关文献记载,过量的UVA会导致色素沉积,UVB是色斑和维生素D综合症的致病原因,而UVC最易被DNA(核糖核酸)吸收。应用于水处理的紫外线主要是短波紫外线(UVC)。电子束辐射(EB)法是利用电子加速器产生的高能电子束对水中有毒有害物质进行处理的一种方法。根据其能量作用模式通常可分为两类[1]:一类是高能电子束本身直接穿透介质(水)对污染物进行处理;另一类是通过高能电子束轰击高原子序数金属产生的韧致辐射或x光对污染物进行处理。在水处理中主要是根据水质条件来确定电子束辐射的辐射方式[2]。2　水处理辐射技术的处理机理及其特点紫外辐射技术(UV)在水处理中的杀菌机理需要从量子理论和生物科学理论两方面进行解释。量子理论认为光具有波粒二象性,即光是物质运动的一种形式,一种不连续的粒子流,应用于水处理的C波紫外线波长在200～280nm之间,光粒子的能量在4.9eV左右;而生物细胞内含有的脱氧核糖核酸DNA恰能吸收C波范围内的光波;尤其是对260nm波长的光波吸收最强,这样当UVC照射生物时,便收稿日期:2004-02-18作者简介:唐志坚,男,博士研究生,副教授,硕士研究生导师,主要从事给排水工程、反渗透技术、软件开发等教学、科研工作,现为解放军理工大学工程兵工程学院环境工程教研室教员。王兴,男,解放军理工大学工程兵工程学院环境工程专业硕士研究生,方向:水处理与野战给水。·27··环保技术·　　　　　　　　　　　　　　《环境技术》　　　　　　　　2004年第3期有了能量的传递和积累;生命科学的研究显示核酸是一切生命体的基本物质和生命基础,核酸分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。其共同点是由磷酸二脂键按嘌呤与嘧啶碱基配对的原则连接起来的多核苦酸链;核酸对紫外线的吸收,即能量的积累,一方面可使其突变、阻碍其复制、转录封锁蛋白质的合成;另一方面,产生的自由基可引起光电离,从而导致细胞的死亡、微生物的灭活[3]。总而言之紫外辐射法(UV)是通过光化学作用破坏水中微生物(主要指细菌)的核酸(DNA及RNA),从而有效阻止了蛋白质的合成和细胞分裂,这样微生物也就停止了复制、传播而死亡。研究表明:紫外辐射(UV)消毒对各种不同类型的致病病毒、细菌和原生动物均有较好的效果,紫外辐射的处理效果取决于紫外线的辐射强度与辐照时间的乘积,即辐照剂量或者紫外剂量,强度指标为:微瓦·秒每平方厘米(μw·s/cm2)。通常只需设计较低的紫外剂量,就可以对水体中的微生物产生极好的灭活效果。因而用紫外辐射技术杀菌,具有杀菌能力强、速度快、实用范围广、对所有菌种都有效、不改变水分子结构、无残留物,且具有设备简单、操作、使用以及维护方便、耗电省等特点,在水处理中应用十分广泛。电子束辐射(EB)的水处理机理至今仍不甚明了,但可以肯定与高能电子束进入水体的瞬间同水分子反应产生的活泼自由基有关。高能电子束进入水体的瞬间会产生相当数量的HO-、H-、e-aq等自由基,而这些自由基对水中的杂质会产生氧化还原作用,所以电子束辐射(EB)的处理机理实际上是水辐射化学作用。据有关文献介绍,水中杂质的浓度、物质结构以及水体基质决定了处理时的反应形式是氧化还是还原,但事实上绝大多数自由基均被水体中的天然溶质所消耗,所以电子束辐射(EB)的处理效果远没有紫外辐射(UV)那样高。然而电子束辐射能够把不可生物降解的有害物质转化为可降解物质,提高了水或污水的可生化性,降低了毒性[4～6],同时也有较好的杀菌效果[1,8];为了充分利用电子辐射技术的这些优势,往往将其与其他工艺联合使用。3　辐射技术在水处理中的应用[9]辐射技术在水处理中有着其它工艺无可比拟的优越性,如:能够有效提高污水的可生化性,一般不会产生二次污染和有害残留物,杀菌能力极强,设备简单,运行管理维护方便等等,所以该技术在水处理中应用日益广泛。目前水和污水的辐射消毒技术已经相当成熟,国内和国外都已有较大规模的应用实例。如:到上世纪末,欧洲已有2000多座饮用水处理厂采用紫外辐射(UV)进行消毒,其中英国伦敦建有处理能力约达66000m3/d的饮用水紫外辐射消毒预处理装置[10],英格兰东部的福克斯顿和多弗供水公司经营的Drellingore泵站,率先安装由微机控制的井水紫外辐射消毒系统,最大处理能力为24000m3/d[11];此外美国对于UV杀菌有相当早的应用研究,并且曾对亚利桑娜生物圈实验室和航天飞行废水回收工艺中应用紫外辐射消毒的可行性进行了实用论证[12]。国内对于辐射消毒技术的应用虽然规模较国外小,但也有了成功的应用实例。上海闵行污水处理厂在原有设施的基础上进行改进,采用了紫外线消毒系统,处理量5×104m3/d,峰值流量2875m3/h,BOD为30mg/L,ss为30mg/L,紫外线灯管300根,功率65w/根,接触时间6s,投射率70%,灯管寿命大于10000h,进出水大肠杆菌数分别为1×106个/L、3000个/L,运行一段时间后,出水基本能够达到要求[13]。辐射技术对于污废水中的有毒有害和难降解有机污染物,如:酚、氰化物、有机染料、木质素等以及重金属离子均有一定的去除能力,当与其他工艺联合使用时会达到比较理想的处理效果。如:国外已对电子束辐射(EB)法应用于水处理等展开了卓有成效的研究[14]。4　辐射技术在水处理中的发展通常水处理中的杀菌消毒、有毒有害物质的去除都需要投加一定的化学药剂或者借助于某些介质,这样无论是工艺设计还是运行都比较复杂,而且还会产生许多不确定的不利因素,产生二次污染,留下有害残留物。如:至今应用仍然十分普遍的氯消毒工艺,无论是工艺设备费用,还是运行费用都不低,而且该工艺会产生THMs等“三致”副产物;活性污泥法对生化性较高的污染物有非常强的降解能力,但对于不易降解的有毒有害物质,如:氰化物等就力不从心了。而水处理辐射技术一般不需另加化学药品,因而不易产生二次污染和有害残留物。这就使得辐射技术在水处理中的应用日益普遍。综合辐射技术的特点,辐射技术在水处理中应用的发展·28·2004年第3期　　　　　　　　《环境技术》　　　　　　　　　　　　　　·环保技术·至少有以下两点:即辐射技术自身工艺的改良和与其他水处理工艺的联合使用。辐射技术的工艺设备虽然简单但科技含量较高,其中最重要的构件要算辐射源了,如紫外辐射的紫外灯及电子束辐射的电子加速器等,进一步降低辐射源的能耗、提高其运行的稳定性及使用寿命是辐射技术在水处理中得以推广应用的前提。近年来,紫外辐射技术(UV)能够广泛应用于消毒行业,除了该技术自身的优势以外,更重要的是用作辐射源的紫外灯性能显著提高。现在使用的紫外灯一般有低压和中压两种。中压灯紫外线发射率高,波长范围宽,美国研制的中压脉冲光放电管(Pulsedlightdischarge),除产生高强度的紫外辐射外,还有可见光区的辐射。据报道,这种脉冲式辐射的杀菌效率较之稳定的纯紫外辐射更高[15],无论是低压灯还是中压灯使用寿命均能超过7000h。但为了使辐射技术得到进一步的推广和应用,辐射源的技术水平仍需提高。尽管辐射技术在很多方面具有其他工艺不可替代的优越性,但它仍然存在处理的盲区,所以加强与现有成熟工艺的联合并尽量考虑协同效应的产生,也是该技术今后发展的趋势。活性炭吸附工艺与辐射工艺的联合,提高了活性炭吸附的稳定性,拓宽了其适用范围,简化了其再生操作。在用辐射技术处理废水中的酚时,研究证明:单用辐射法(一般为EB法)酚的分解量很小。如果先用沉淀法去除低聚物,再进行酚的辐射分解效果将显著提高[16];如果同时加臭氧处理将产生协同效应,其效果不言而喻[17]。此外在用辐射法去除重金属时,也往往采用辐射技术的联合工艺,如:Pikaev等人曾用如图1所示的工艺流程分三步对废水中的汞进行了效果显著的处理:首先,加表面活性剂烷基磺酸纳进行初步浮选,接着进行辐照,使可溶性的Hg2+转变为不溶的Hg+和单质Hg,最后,再用浮选法除去不溶性Hg。与此类似的联合其他处理工艺的实例还有许多。其中联图1　去除废水中重金属工艺流程合工艺中的协同效应正愈来愈多的引起研究人员的兴趣[16]。参考文献[1]　BorrelySI,CruzAC,DelMnstmNL,etal.RudiutionPro-cessingofSewageandSludge[J].ProgressinNuclearEnergy,1998,33(1/2):3-21.[2]　刘下国,等.电子束辐照法在水处理中的应用[J].工业水处理,2002,22(2):4-8.[3]　徐志通,等.饮用水的紫外线消毒[J].给水排水,1999,25(4):58-61.[4]　MichaelCNichelson,WilliumJCooper,KaijunLin,etal.HighEnergyElectronBeamCenerationofOxidantsfortheTreatmentofBenzeneandTolueneinthePresenceofRaducalScnvengers[J].Wat.Res,1994,28(5):1227-1237.[5]　BorrelySI,SampaMHO,PedrosnCB,etal.RadiationPro-cessingofWastewaterEvaluatedbyToxicityAssays[J].RadiatPhys.Chem,2000,57(3