微波技术在污水处理中的运用

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摘要：阐述了微波技术应用于污水处理领域的理论基础，分析并总结了污水处理领域应用微波技术的研究现状，对微波技术未来的发展与应用前景进行了展望。

关键词：微波；污水处理；污泥处理

1引言

微波通常是指波长在1mm～1m的特殊电磁波［1］，微波的频率为300MHz～300GHz，民用微波的频率通常在915～2450MHz之间，而一般915MHz为工业上使用的频率。近年来，微波技术的发展使得其被广泛应用于环境污染治理领域，特别是在污水治理领域的研究有了很大的突破，同时在环境监测等方面获得了大量的研究结果。微波自身的选择性快速加热、无二次污染的特点使得其可以与其他污水处理技术良好的结合，所以微波应用于污水处理领域成为了人们关注的热点。

2微波的化学理论基础

2．1微波的热效应

通常利用微波加热介质是基于两种机理，这两种机理分别是离子传导和偶极子转动［2］。在微波加热介质的过程中，一般这两种机理产生的微波加热效应同时存在。介质中的可离解的离子在电磁场中移动会形成电流，介质本身会对离子产生阻碍，从而会产生热效应，这就是微波的离子传导产热机理［3，4］。微波离子传导产生的热效应大小与介质本身的离子浓度以及迁移率相关。若介质本身是由许多一端带正电，一端带负电的分子（或偶极子）组成的，则其会随外加电场方向的改变而不断的作摆动，此时，受到分子热运动的干扰和阻碍，介质中会产生了类似摩擦的作用，就会使得介质内部的分子获得能量，介质内部分子能量提高后，介质宏观表现的温度也随之升高，这就是微波产生的偶极子转动加热现象的机理。偶极子加热的效率通常由介质的弛豫时间以及介质本身的粘度和温度决定［5］。综合来看，微波加热介质的机理就是通过介质的介电损耗而发热，从而可以使介质内部的分子在短时间达到极化状态，并且会加剧介质内部分子的运动与碰撞，增加介质内部分子的动能。由于电磁能量是通过波的形式辐射到介质内部，在利用微波加热介质时，介质的内外会同时被加热，所以被加热的过程中介质的内外受热均匀，这是微波加热最显著的特点及优点。

2．2微波的非热效应

关于微波可以加速化学反应的机理，目前在学术界观点并不一致，部分研究者认为微波加速化学反应主要靠其热效应。但这种说法对有些温度相同，但微波加热依然能够比正常加热反应迅速的现象无法解释。所以，有另一部分研究人员认为，在微波参与化学反应时，由于微波辐射作用，反应物中的极性分子会随之产生强烈振动，从而分子会发生高速旋转并产生碰撞，即微波可以在反应过程中提高分子活性，同时降低反应活化能和分子的化学键强度，这种观点就是微波的非热效应理论。但是，也有研究表明，每摩尔频率在1～100GHz范围内的微波的光量子能量仅能达到0．4～40J，这样的辐射能量无法使部分有机物的化学键断裂［6］。所以，至今微波的非热效应虽然被提出，但是仍然存在一些争议，许多由微波产生的反应现象还有待进一步的研究。

3应用微波处理污水的研究

虽然微波产生的有些现象还无法合理的得到解释，但是其良好的加速化学反应的作用是可以肯定的，所以微波在水处理方向上的应用是非常有潜力的。通常来说，单独使用微波技术来作为处理污水的方法，其效果不理想，微波难以代替其他传统的水处理工艺，但是微波可以作为一种辅助手段在水处理中应用，对已有的水处理工艺进行改良，从而使其处理效果提升。

3．1微波与活性炭联用

微波与活性炭联用可应用于处理难降解污水。利用活性炭作为催化剂，微波辐射进行强化［7］。采用活性炭吸附污水中的污染物是在污水处理领域常用的一种方法，采用微波辐射与活性炭吸附联用时，微波可以有效的对活性炭表面的有机物进行解吸，从而使活性炭可以同步再生，这不仅有利于有机物的消解，同时也可以对其进行更好的回收利用，提高了活性炭在废水处理过程中的效率。微波与活性炭联用的方式也是灵活多变的。微波辐射不仅可以对活性炭吸附的污染物脱附并对污染物进行降解，同时，也可以直接利用微波对含有活性炭催化剂的废水进行辐射，直接通过微波辐射对污染物进行降解。Chih．G［8］利用活性炭颗粒吸附二甲苯、萘等有机物质，再通过低能度微波辐射对活性炭进行解吸及污染物降解，有机物的最终分解率很高，甚至可以完全分解。阮新潮等［9］在利用活性炭处理苯酚废水时利用加入微波辐射对活性炭进行再生，经过微波辐射再生后的活性炭对苯酚去除率高于98％。所以，微波与活性炭联用，由于微波对有机物的降解进行强化，可以对活性炭吸附的有机污染物有很高的去除效率，进而增加活性炭的使用寿命，并且通过不断对污染物降解，可以增加活性炭吸附的效率。

3．2微波与高级氧化技术联用

高级氧化技术的基本原理就是再其氧化过程中产生的羟基自由基（•OH）通过电子转移、亲电加成等反应对水中的各种有机污染物进行降解，将各类污染物特别是有机污染物转化为CO2、H2O等无害物质，或将部分大分子污染物转化成为易生物降解的小分子中间产物［10］。通常，在反应过程中羟基自由基的生成率较低，所以导致在污水处理中其运行成本较高。采用微波辐射与高级氧化技术联用，可以降低反应过程中的活化能，有利于羟基自由基（•OH）在反应过程中的产生，从而可以提高其生成效率，进而降低其在污水处理中的运行成本。目前，已经有许多研究人员在污水处理的研究中采用微波与各种高级氧化技术的联用技术，取得了不错的效果。Han［11］利用微波与UV—双氧水联用技术处理苯酚溶液，提高了苯酚溶液的降解速度，可以在5min内使得苯酚降解率达到90％。陈芳艳［12］在处理对硝基氯苯的过程中采用微波与Fenton试剂联用技术，在10min内即可降解其中98％以上的对硝基氯苯。毕晓伊［13］采用微波与ClO2催化联用技术处理含酚废水，对于废水中酚的浓度低于100mg／L的含酚废水，其去除率可达90％以上。微波与高级氧化联用可以在处理废水过程中，提升对污染物的降解速度，从而可以在短时间内提高高级氧化方法对污染物的去除效率，在相同时间内处理更多的污染物，提高污水的处理量。3．3微波与生物处理联用目前在国内外污水处理应用的技术中，生物处理是应用最广泛并且最经济的技术，强化生物处理技术的效率将会使现有的污水处理厂的运行效果有很大的提高。所以，国内外很多研究人员都对采用微波与生物技术联用进行了研究。肖广全［14］采用微波与生物接触氧化联用的工艺对制药废水进行降解处理，其单独利用微波作为预处理工艺，而生物接触氧化作为后续处理工艺，两种工艺联用可以大幅度去除制药废水的COD以及氨氮，其去除率分别可以达到98％和60％。虞睿［15］采用微波作为深度处理工艺，对常规生物法处理后的生活污水进行处理方式，相比于其他的深度处理，微波处理成本控制较好，效率也较高，处理后的水质接近地表水Ⅲ类水体水质。采用微波作为预处理或者深度处理工艺与生物处理技术联用，投资较低，运行简单，对污水处理效果较好，可以有效地对污水常规的生物处理工艺进行强化，特别是对难降解物质有很好的强力去除效果。

4应用微波处理污泥的研究

目前国内污水处理厂排放的污泥多数都是进行了填埋处理，污泥资源化利用仍然不够普及［16］。污泥填埋占地面积大，浪费土地资源，而且还会存在一定的风险，对周边环境可能造成污染。利用微波辐射处理污泥是近年来污泥处理研究的热点。通常污水处理产生的污泥中都会含有较多的有机物，特别是易挥发性的有机物质，而大部分的有机物都可以被资源化利用。利用微波辐射处理污泥，靠微波的热效应对污泥进行热解，靠微波形成的高温使污泥中有机物大分子在隔绝空气的条件下发生断裂，从而产生可以回收利用的热值较高的气体、热解溶液和碳渣［17］。方琳［18］利用SiC作为介质，对添加SiC和固体残留物的污泥进行微波高温热解试验，热解污泥产生的的热解液的热值可以达到37MJ／kg以上，同时热解液中的PAHs含量低于5．37％，可以回收利用；同时，热解过程中产生的气态产物的热值可以达到9420kJ／m3，若对其收集利用，可以节约大量能源。所以，通过微波热解污泥不仅可以对污泥进行减量化、无害化处理，还可以满足对污泥进行资源化利用的目的，使其变为能源。WongWT［19］采用微波与双氧水联用技术对二沉池污泥进行降解处理，控制温度在80℃，污泥中的COD基本完全溶解，同时，由于微波产生的热能使污泥的氮、磷和金属元素等溶解于水中，后续可以通过结晶法等手段将其提取，并加以利用。通过微波与高级氧化技术联用，可以大幅度削减污泥的体积，并对污泥有杀菌和灭活的作用，与此同时，还可以提取利用污泥中包含的营养物质，极大地获取了污泥自身所含有的资源。

5应用微波进行水处理监测的研究

微波辐射所产生的消解作用，使得微波技术可以在水处理监测中得以应用。采用微波消解技术通常是将试样和酸的混合物作为发热体，而后利用微波进行加热。采用微波加热的过程中，整个系统的热量几乎不向外扩散，所以其产生的热效率很高，有利于试样充分混合，从而可以迅速地对试样进行分解。余丹梅［20］利用微波消解测定水中总磷，取得了较好的效果，试验采用钼酸铵进行分光光度法测定，利用微波消解比传统消解法省时，省电，并且精确度也较高；石晓云［21］通过微波消解法对炼油污水中的总磷进行测定，不仅测定的效率高，对环境污染小，而且方便操作；周锡堂［22］通过微波消解法测定炼油污水的化学需氧量，试验中加入CuSO4－MgSO4为催化剂，检测速度快，成本低，是一种经济节约的好方法。

6微波在污水处理其他方面应用的研究

微波加热无滞后效应，在进行某些物质合成时，可有效地加快反应进行的速度，可以缩短化学反应的周期。李万捷［23］在聚丙烯酰胺（PAM）制备反应中利用微波辐射技术，不仅加快了PAM的合成速度，并且合成的高聚物的分子量分布相对均匀，更有利于在水处理中的应用。在污水处理工艺中，经常要在不同的阶段投加各种不同的聚合物。由于微波加热均匀并且热量损失小的特性，不仅合成速度较快，热量损失小，经济性好，并且合成高聚物的分子量分布也均匀，应用于水处理中可以减少投药量，并且效率更高。所以，利用微波制备絮凝剂等药剂对促进水处理工艺有着广阔的发展前景。

7结语

微波作为一种新兴的工艺手段，在研究过程中还存在许多机理方面的问题，诸多现象仍然无法得到合理的解释。但是，微波可以有效的加速化学反应，使得一些普通的化学反应速率提高几十到上百倍，还可以使得正常状态下不能发生的反应得以发生。由于其具备的特性，可以使得其在水处理领域中具有广阔的发展前景。利用微波与其他技术联用对污水及污泥的处理在未来会有更广阔的发展空间，随着技术的发展，微波技术一定会在水处理领域有更多更合理的应用。

作者:刘运胜 刘继先 孙华章 单位:沧州市供水排水集团有限公司 中国市政工程华北设计研究总院有限公司

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