電子束輻照技術在廢水處理中的基本應用
【摘要】由于人們生產活動的多樣性，污水中的污染物質非常復雜，僅使用傳統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、經濟的技術來解決目前遇到的困難。隨著電子束輻照技術的發展，其在污水處理方面表現出巨大的潛力：清潔、高效、無二次污染，能夠分解處理多種污染物質，因此日益受到人們的重視。
電子束輻照技術就是利用被加速的電子束流轟擊或照射被處理對象，使之發生常規方法難以引發的物理化學及生物學反應，從而達到優化產品質量、提高產品性能、凈化物質等目的。污水處理則是利用加速后的電子束流對污水進行輻照．使水中的污染物發生分解或降解、有害微生物發生變性等，來達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沉積在水分子中，在電子束流作用下，當電子束輻照能量超過水分子化學鍵的鍵能和分子的電離勢能時，化學鍵和分子的結合能就會被破壞，污水便被輻照分解生成較強的氧化物質（如OH、H202、02-等），這些氧化物質與水中的污染物質、細菌相互作用，達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械電子設備系統和復雜的控制系統組成，是電子束處理污水的核心設備。涉及多個學科領域，如高真空、高氣壓、電子學、高頻與微波技術、計算機與自動控制、機械設計與制造、材料學、束流測量、輻射防護等。輻照加速器的主要組成：
(1)電子槍；
(2)加速器主機，包括加速高頻系統、控制磁場系統、真空系統；
(3)電子束流的約束、引出及應用裝置；
(4)控制系統部分。
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。隨著加速器技術的不斷發展，研制的加速器在結構上將更加緊湊、操作簡便，可根據需要進行參數的調整，易于維護。
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。
電子束輻照技術在廢水處理中的應用
1、韓國大邱工廠
工業廢水污染物含量非常復雜，因為科技進步和工業過程的多樣性，添加劑和衍生物種類繁多。這意味著該行業迫切需要一種能夠對待它們的極其通用的工藝。這些廢水包括復雜的有機化合物和有色廢水，電子束技術在處理這些污染物方面有著獨特的效果。由于該技術對于許多類型的廢水都是有效的，并且對所有這些廢水可以使用相同的設備，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濟。
韓國在大邱建設了一個電子束和生化法結合的污水處理廠，將初步沉淀處理后的重度紡織業廢水經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。
該廠是一個每天處理1000立方米染色廢水的試驗工廠，它使用能量為1MeV的加速器，產生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域下注入，以獲得足夠的穿透深度。可以改變注射速度以達到一定的應用效果。該系統與生化技術相結合，證明了化學試劑消耗的減少，以及保留時間的減少，去除效率提高了30～40倍，廢水中總有機碳（TOC）、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等污染物指標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性的研究，研制出了可工業應用的電子束加速器，并與軍方和一些商業部門開展合作，以期將這一技術大規模商業化應用。
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備，還包括大量的回收設備，以將這些有機物轉化為農作物肥料等可用副產品。其結構圖如下。
MWRD污水處理廠結構圖
利用這些技術，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廢料消毒方面取得了非常好的效果。該處理廠不光可以對污水進行凈化，還可以將部分污染物轉化為生產肥料。
邁阿密電子束污水處理廠結構圖
3、中廣核金華工廠
中國擁有一個大型工業體系，利用電子束進行廢水處理將更加具有成本優勢。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，并希望采用新的創新解決方案。中國首個使用電離輻射技術處理工業廢水的示范工程于2017年在浙江金華啟動運行，每日可處理印染企業排放廢水1500～2000立方米。輻照處理的水樣比原處理技術化學需氧量（COD）和透明度都有顯著改善。
金華示范項目在二次沉淀池中將難以通過傳統手段降解的污水引入調節池利用電子束輻照技術進行處理，通過與傳統的物化、生物、膜處理等工藝有機結合，電子束技術可以形成技術可行、經濟成本合理的解決方案。隨著電子束處理工業廢水技術臻于成熟，已具備大規模產業化應用的條件。
4、移動式處理設備
除了固定式污水處理廠外，電子束輻照污水處理技術還可以安裝在移動設備上，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驗裝置，安裝在集裝箱內，電子束需要采取優良的封閉措施，可以對廢水和煙氣進行凈化處理，液體處理能力為每天500m3，氣體處理能力為2,000Nm3 /h。
移動式電子束污水處理裝置
總結：
電子束污水處理技術是污水處理領域的新興技術，西方發達國家在這方面已經有幾十年的發展史，處理裝置已有實驗室進入大規模商用階段，其處理效率比傳統生化處理方式高出至少一倍，是未來污水處理領域的重要發展方向。我國金華電子束污水處理廠的實驗驗證已取得階段性進展，相信在不遠的將來，全球將會建設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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