电子束辐照技术在剩余污泥处理中的应用

文章编号:1007-4627(2013)01-0072-07电子束辐照技术在剩余污泥处理中的应用孙永亮1;2;3，李欣3，王洁4，王菊芳3，李文建3，王弋博1;2(1.兰州交通大学化学与生物工程学院，甘肃兰州730070；2.天水师范学院生命科学与化学学院，甘肃天水741001；3.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州730000；4.山西大学生命科学学院，山西太原030006)摘要:电子束辐照技术在剩余污泥处理应用中具有巨大潜能。大量研究表明，经高能电子束辐照，污泥中的各种病原菌会有不同程度的死亡、有机物(包括非生物降解物质)大量分解、脱水率提高，臭味减少，危害性降低和资源化应用潜能增加。综述了电子束辐照技术在剩余污泥处理中的优势，重点介绍该技术的应用现状、污泥中污染物的去除机理、处理效果和相关建设费用，并展望了该高新技术的应用前景和发展方向。关键词:电子束；辐照；污泥中图分类号:Q691.5文献标志码:ADOI:10.11804/NuclPhysRev.30.01.0721概述污泥是在污水处理过程中土壤颗粒、固体残渣及絮状体经过一系列处理而产生的沉淀物。随着社会发展，城市工业废水和生活污水的排放量和处理量不断逐年增加，剩余污泥的产量也随之提升。初步统计，2008年全国产生的剩余污泥量已达1.78107t。未经处理的剩余污泥中含有大量病原菌(主要是寄生虫、细菌和病毒)、有机物以及N，P和K等营养元素，直接排放不仅对生态和人体健康存在极大的潜在危险性，也是一种资源浪费[12]。目前，剩余污泥的处理和排放是一项棘手的环境问题，在污水处理费用中占了很大比例。有氧或厌氧消解、堆肥及高温处理等传统方法可以杀灭大量的病原菌，但不能充分杀死寄生虫虫卵和微生物孢子，也不能有效去除污泥中一些非生物降解的有毒有害有机物[25]。因此迫切地需要一种相对清洁、高效、简便同时无二次污染的剩余污泥处理技术。20世纪50年代辐照技术开始应用于污水、污泥及其它固体污染物的处理，70至80年代，德国、美国、日本、印度和意大利等都对辐照技术有较多研究，也开展了相应工程应用，具体数据见表1[2;68]；国内也进行了辐照处理的研究应用，但大部分都停留在实验室阶段，实际应用较少，规模较小，具体数据见表2。经过许多国家的研究和实际应用发现，采用辐照处理污泥有以下优点[7]：(1)病原菌杀灭率远远高于传统方法；(2)降解部分有毒有机污染物或提高非生物降解物的生化利用性，降低有毒污染物在污泥中的含量；(3)减少污泥处理过程中的恶臭气味；(4)增强污泥的一些特性和生物降解率；(5)操作简便，处理效率高，处理后的污泥安全性较好。目前，常用的剩余污泥处理辐照源有两种：射线和电子束。射线来自于60Co和137Cs两种放射源材料。两种源材料产生的射线性质相似，60Co产生的射线(1.3MeV)在水中半穿透厚度(Thehalf-valuethickness)约为28cm，普通剩余污泥中约为25cm；137Cs产生的射线在水中可达24cm[8]。60Co和137Cs必须进行严格的放射源控制(尤其是137Cs源)，同时运用中要注意60Co和137Cs的半衰期，尤其是60Co的收稿日期:2012-03-30修改日期:2012-05-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(41161058，31060065）；甘肃省自然科学基金资助项目(1107RJZE117)作者简介:孙永亮(1987–)，男，甘肃天水人，硕士研究生，从事微生物诱变育种及机理研究；E-mail:[e-mail]通信作者:王弋博，E-mail:[e-mail]；李欣，E-mail:[e-mail]期孙永亮等：电子束辐照技术在剩余污泥处理中的应用·73·表1国外辐照技术处理污泥概况国家地区辐照源辐照剂量/kGy处理量建设年代参考文献德国60Co&137Cs3–1973[2]德国电子束4500m3/d1980[2]新墨西哥州(美国)137Cs108t/d1978[2,6]波士顿(美国)电子束415.8m3/h1976[6]迈阿密(美国)电子束3.5s4645m3/d1984[6-7]日本电子束5300kg/h1987[7]印度60Co3s3.5110m3/d–[8]表示文中未提及。表2国内辐照技术处理污泥研究概况研究单位辐照源研究内容参考文献北京环境保护研究所–污泥中微生物杀灭情况[2]南京大学60Co污泥辐照处理及农用情况[9]中国科学院近代物理研究所电子束微生物杀灭情况[10]*表示文中未提及。半衰期只有5.26a(137Cs半衰期为20a)，因此经过一定时间就需要换取或添加辐射源材料，以保证源的辐射强度，操作复杂并且危险。相比射线的穿透力，电子束相对较弱，水中半穿透厚度只有3mm/MeV，但其辐射密度和处理量大，并且可以随时开关并进行调整[11]。因此高能电子束辐照污泥作为一种污泥处理的高新技术，发展势头迅猛，比射线更适合实际应用，也不用担心辐射污染。本文重点介绍电子束在剩余污泥辐照方面的应用研究和发展前景。2电子加速器简介作为辐照源的高能电子束由电子加速器产生，其按能量强度一般分为3类：低能加速器(0.15s0.5MeV)、中能加速器(0.5s5.0MeV)和高能加速器(5.0s10.0MeV)[12]。由于技术限制，早期电子加速器最大有效功率较低，一般在10kW左右。随着技术进步，加拿大原子能公司(AECL)设计的加速器最大有效功率可达50kW，升级后可以达到150kW；由比利时一家公司设计的加速器最大有效功率可以达到200kW[13]。随着加速器功率不断提高，剩余污泥的处理效果也随之提升，但是随着能量提高所产生的费用也会增长，因此应根据不同需要选择电子加速器。为达到最佳处理效果，污泥处理过程一般采用高能电子束作为辐照源。3辐照处理污泥机理经过高能电子束辐照，剩余污泥的生物及理化特性会发生相应变化，如病原菌数量急剧下降、有毒化学物质浓度降低(非生物降解物转变为可生物降解物)及污泥脱水效果提高等。电子束辐照引起污泥特性变化的作用大致分为两类：直接作用和间接作用。直接作用主要是针对病原菌，辐照射线直接作用于病原菌的遗传物质(如DNA和RNA)，导致病原菌死亡。而间接作用致使病原菌死亡的同时也分解污泥中的有机物，其过程主要是由电子束作用于污泥中H2O分子以产生自由基，自由基通过与微生物和有机物反应导致微生物死亡和有机物分解。经过电子束辐射后水分子会发生以下化学反应[14]：H2O![2.7]OH+[2.6]eaq+[0.6]H+[2.6]H3O++[0.7]H2O2+[0.45]H2。H2O分子在吸收100eV的能量时会产生[2.7]OH，[2.6]eaq，[0.6]H，[2.6]H3O+，[0.7]H2O2和[0.45]H2。间接作用反应时间很快，在107s左右，生成的高氧化性物质可以与病原菌的DNA和RNA以及一些关键酶发生反应，导致病原菌失活，同时也会造成污泥中有机污染物的结构遭到破坏，从而转变为无毒物质或生物可降解物质。在污泥处理过程中，间接作用比直接作用影响要大[1516]。辐照后，污泥的脱水效果提·74·原子核物理评论第30卷高，而COD变化和恶臭味减少等效果则主要是由于污泥中大量病原菌死亡和各种物质的转化分解所致。4电子束处理剩余污泥剩余污泥处理的主要目的是降低污泥中原有污染物含量及含水量等[17]，使之达到相应的无害化处理标准。剩余污泥在未经处理之前含有高浓度的细菌、病毒和寄生虫等。由于地域不同，污泥中的病原菌种类也有一定差别，欧洲国家中沙门氏菌危害最大，而在一些发展中国家寄生虫则是主要的病原菌[18]。传统的生物和化学处理方法在杀菌方面可以达到一定效果，但是污泥中的部分有机质和一些有毒污染物却不能得到较好分解，尤其是对于一些非生物降解物质。堆肥、高温处理，有氧或厌氧消解过程中还会不断有臭气排出，影响周围环境，并且对污泥中氮源破坏较大，导致污泥肥力下降，影响污泥的后续资源化利用。采用高能电子束辐照处理后的污泥不仅病原菌数目可以达到相应标准，并且部分有机污染物含量下降，同时会使大量有毒物质分解或使非生物降解物转化为可生物降解物质。处理过程中的污泥特性也会有一定变化，比如脱水效果提高等，并且干净快速的辐照技术还可以有效减少处理过程中产生的恶臭味，降低臭气污染。4.1电子束照射对污泥生物特性的影响由于电子束的直接作用和间接作用，经过辐照污泥中的微生物和寄生虫会大量死亡，死亡率与辐照剂量率、剂量分布、辐射质量、微生物种类和环境因素等条件有关。各种病原菌的D10(D10：病原菌死亡率达到90%所需要的辐照剂量)值一般有所不同。Scott和Ahlstron的研究结果表明，污泥环境中微球菌、肠杆菌和奇异变形菌属的D10一般小于0.5kGy；而大肠杆菌的D10则在1.4kGy左右；沙门氏菌则随种属不同D10在0.5s1.4kGy之间变化；各种病毒的D10在1.5s5.0kGy之间[19]。也有实验证明未经处理的污泥和厌氧处理的污泥的D10在3s4kGy之间，脱水后污泥的D10则在10kGy左右[20]。Capizzi等[21]研究了蛔虫卵对电子束的抗性，实验中蛔虫虫卵的来源有两种：解剖母体所得和从污泥中直接得到。用得到的虫卵污染污泥然后对其进行电子束辐照。解剖得到的虫卵一部分立刻进行辐射处理，另一部分则在4°C保存两个月后再进行辐射处理，最后得到的D10分别为1125和661Gy；从污泥中得到的虫卵经辐射处理后得到的D10为788Gy。另外，虫卵的初始存活率和介质含水率也对辐射过程有影响。4.2电子束照射对污泥有机物的影响目前，高能电子束辐照降解有机污染物的研究在污水处理中研究较多。污水和污泥处理过程中电子束降解有机污染物的机制相同，都是通过电子束与水分子发生反应产生高氧化性能的自由电子和自由基，再作用于有机污染物使其发生相应降解，即使是非生物降解物也可以被有效转化，但由于二者介质不同且存在条件也不相同，所以降解率也不尽相同。Sampa等[22]研究了电子束对工业污水中染料、酚类和油类物质降解情况。Song等[23]则证明高能电子束可以降解2-，3-，4-硝基酚和2-，4-二硝基酚。Zhang等[24]研究发现，电子束可以降解六氯苯(Hexachlorobenzene,简称HCB)，并且随溶液介质不同降解率也有所变化。Romanelli等[25]利用电子束降解表面活性剂十二烷基硫酸钠(SodiumDodecylSul-fate,简称SDS)，辐照剂量从3s12kGy之间变化时，最低降解率在70%左右，最高降解率可达96%。Chung等[26]研究了电子束对实际污泥中有机污染物的降解，以16种多环芳烃(PolycyclicAromaticHy-drocarbon，简称PAH)类物质作为污染物降解考察对象。研究发现，在辐照处理过程中，各种污染物残余量随辐照剂量的增加而不断降低，因此电子束可以有效降解PAH，在辐照剂量达到5kGy时，16种PAH降解率都接近90%。Chung等[27]研究了养猪场猪粪及其稀释废水中氨苄青霉素的电子束辐照情况，实验中猪粪废液的氨苄青霉素含量为707.2()59.7mg/kg，水溶液中氨苄青霉素含量为100mg/L，二者辐照剂量都设为0，1，3，5和10kGy。辐照后发现随辐照剂量增加氨苄青霉素的降解率不断提高，辐照剂量为10kGy时降解率最高，猪粪和水溶液中氨苄青霉素的降解率分别达到98.2%和94.7%。4.3电子束照射对污泥中脱水效果的影响污泥的脱水效果主要是通过去除污泥颗粒表面及间隙水以降低污泥含水量，并缩减污泥体积的过程。