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摘要：闡述了微波技術應用于污水處理領域的理論基礎，分析并總結了污水處理領域應用微波技術的研究現(xiàn)狀，對微波技術未來的發(fā)展與應用前景進行了展望。

關鍵詞：微波；污水處理；污泥處理

1引言

微波通常是指波長在1mm～1m的特殊電磁波［1］，微波的頻率為300MHz～300GHz，民用微波的頻率通常在915～2450MHz之間，而一般915MHz為工業(yè)上使用的頻率。近年來，微波技術的發(fā)展使得其被廣泛應用于環(huán)境污染治理領域，特別是在污水治理領域的研究有了很大的突破，同時在環(huán)境監(jiān)測等方面獲得了大量的研究結果。微波自身的選擇性快速加熱、無二次污染的特點使得其可以與其他污水處理技術良好的結合，所以微波應用于污水處理領域成為了人們關注的熱點。

2微波的化學理論基礎

2．1微波的熱效應

通常利用微波加熱介質(zhì)是基于兩種機理，這兩種機理分別是離子傳導和偶極子轉動［2］。在微波加熱介質(zhì)的過程中，一般這兩種機理產(chǎn)生的微波加熱效應同時存在。介質(zhì)中的可離解的離子在電磁場中移動會形成電流，介質(zhì)本身會對離子產(chǎn)生阻礙，從而會產(chǎn)生熱效應，這就是微波的離子傳導產(chǎn)熱機理［3，4］。微波離子傳導產(chǎn)生的熱效應大小與介質(zhì)本身的離子濃度以及遷移率相關。若介質(zhì)本身是由許多一端帶正電，一端帶負電的分子（或偶極子）組成的，則其會隨外加電場方向的改變而不斷的作擺動，此時，受到分子熱運動的干擾和阻礙，介質(zhì)中會產(chǎn)生了類似摩擦的作用，就會使得介質(zhì)內(nèi)部的分子獲得能量，介質(zhì)內(nèi)部分子能量提高后，介質(zhì)宏觀表現(xiàn)的溫度也隨之升高，這就是微波產(chǎn)生的偶極子轉動加熱現(xiàn)象的機理。偶極子加熱的效率通常由介質(zhì)的弛豫時間以及介質(zhì)本身的粘度和溫度決定［5］。綜合來看，微波加熱介質(zhì)的機理就是通過介質(zhì)的介電損耗而發(fā)熱，從而可以使介質(zhì)內(nèi)部的分子在短時間達到極化狀態(tài)，并且會加劇介質(zhì)內(nèi)部分子的運動與碰撞，增加介質(zhì)內(nèi)部分子的動能。由于電磁能量是通過波的形式輻射到介質(zhì)內(nèi)部，在利用微波加熱介質(zhì)時，介質(zhì)的內(nèi)外會同時被加熱，所以被加熱的過程中介質(zhì)的內(nèi)外受熱均勻，這是微波加熱最顯著的特點及優(yōu)點。

2．2微波的非熱效應

關于微波可以加速化學反應的機理，目前在學術界觀點并不一致，部分研究者認為微波加速化學反應主要靠其熱效應。但這種說法對有些溫度相同，但微波加熱依然能夠比正常加熱反應迅速的現(xiàn)象無法解釋。所以，有另一部分研究人員認為，在微波參與化學反應時，由于微波輻射作用，反應物中的極性分子會隨之產(chǎn)生強烈振動，從而分子會發(fā)生高速旋轉并產(chǎn)生碰撞，即微波可以在反應過程中提高分子活性，同時降低反應活化能和分子的化學鍵強度，這種觀點就是微波的非熱效應理論。但是，也有研究表明，每摩爾頻率在1～100GHz范圍內(nèi)的微波的光量子能量僅能達到0．4～40J，這樣的輻射能量無法使部分有機物的化學鍵斷裂［6］。所以，至今微波的非熱效應雖然被提出，但是仍然存在一些爭議，許多由微波產(chǎn)生的反應現(xiàn)象還有待進一步的研究。

3應用微波處理污水的研究

雖然微波產(chǎn)生的有些現(xiàn)象還無法合理的得到解釋，但是其良好的加速化學反應的作用是可以肯定的，所以微波在水處理方向上的應用是非常有潛力的。通常來說，單獨使用微波技術來作為處理污水的方法，其效果不理想，微波難以代替其他傳統(tǒng)的水處理工藝，但是微波可以作為一種輔助手段在水處理中應用，對已有的水處理工藝進行改良，從而使其處理效果提升。

3．1微波與活性炭聯(lián)用

微波與活性炭聯(lián)用可應用于處理難降解污水。利用活性炭作為催化劑，微波輻射進行強化［7］。采用活性炭吸附污水中的污染物是在污水處理領域常用的一種方法，采用微波輻射與活性炭吸附聯(lián)用時，微波可以有效的對活性炭表面的有機物進行解吸，從而使活性炭可以同步再生，這不僅有利于有機物的消解，同時也可以對其進行更好的回收利用，提高了活性炭在廢水處理過程中的效率。微波與活性炭聯(lián)用的方式也是靈活多變的。微波輻射不僅可以對活性炭吸附的污染物脫附并對污染物進行降解，同時，也可以直接利用微波對含有活性炭催化劑的廢水進行輻射，直接通過微波輻射對污染物進行降解。Chih．G［8］利用活性炭顆粒吸附二甲苯、萘等有機物質(zhì)，再通過低能度微波輻射對活性炭進行解吸及污染物降解，有機物的最終分解率很高，甚至可以完全分解。阮新潮等［9］在利用活性炭處理苯酚廢水時利用加入微波輻射對活性炭進行再生，經(jīng)過微波輻射再生后的活性炭對苯酚去除率高于98％。所以，微波與活性炭聯(lián)用，由于微波對有機物的降解進行強化，可以對活性炭吸附的有機污染物有很高的去除效率，進而增加活性炭的使用壽命，并且通過不斷對污染物降解，可以增加活性炭吸附的效率。

3．2微波與高級氧化技術聯(lián)用

高級氧化技術的基本原理就是再其氧化過程中產(chǎn)生的羥基自由基（•OH）通過電子轉移、親電加成等反應對水中的各種有機污染物進行降解，將各類污染物特別是有機污染物轉化為CO2、H2O等無害物質(zhì)，或將部分大分子污染物轉化成為易生物降解的小分子中間產(chǎn)物［10］。通常，在反應過程中羥基自由基的生成率較低，所以導致在污水處理中其運行成本較高。采用微波輻射與高級氧化技術聯(lián)用，可以降低反應過程中的活化能，有利于羥基自由基（•OH）在反應過程中的產(chǎn)生，從而可以提高其生成效率，進而降低其在污水處理中的運行成本。目前，已經(jīng)有許多研究人員在污水處理的研究中采用微波與各種高級氧化技術的聯(lián)用技術，取得了不錯的效果。Han［11］利用微波與UV—雙氧水聯(lián)用技術處理苯酚溶液，提高了苯酚溶液的降解速度，可以在5min內(nèi)使得苯酚降解率達到90％。陳芳艷［12］在處理對硝基氯苯的過程中采用微波與Fenton試劑聯(lián)用技術，在10min內(nèi)即可降解其中98％以上的對硝基氯苯。畢曉伊［13］采用微波與ClO2催化聯(lián)用技術處理含酚廢水，對于廢水中酚的濃度低于100mg／L的含酚廢水，其去除率可達90％以上。微波與高級氧化聯(lián)用可以在處理廢水過程中，提升對污染物的降解速度，從而可以在短時間內(nèi)提高高級氧化方法對污染物的去除效率，在相同時間內(nèi)處理更多的污染物，提高污水的處理量。3．3微波與生物處理聯(lián)用目前在國內(nèi)外污水處理應用的技術中，生物處理是應用最廣泛并且最經(jīng)濟的技術，強化生物處理技術的效率將會使現(xiàn)有的污水處理廠的運行效果有很大的提高。所以，國內(nèi)外很多研究人員都對采用微波與生物技術聯(lián)用進行了研究。肖廣全［14］采用微波與生物接觸氧化聯(lián)用的工藝對制藥廢水進行降解處理，其單獨利用微波作為預處理工藝，而生物接觸氧化作為后續(xù)處理工藝，兩種工藝聯(lián)用可以大幅度去除制藥廢水的COD以及氨氮，其去除率分別可以達到98％和60％。虞睿［15］采用微波作為深度處理工藝，對常規(guī)生物法處理后的生活污水進行處理方式，相比于其他的深度處理，微波處理成本控制較好，效率也較高，處理后的水質(zhì)接近地表水Ⅲ類水體水質(zhì)。采用微波作為預處理或者深度處理工藝與生物處理技術聯(lián)用，投資較低，運行簡單，對污水處理效果較好，可以有效地對污水常規(guī)的生物處理工藝進行強化，特別是對難降解物質(zhì)有很好的強力去除效果。

4應用微波處理污泥的研究

目前國內(nèi)污水處理廠排放的污泥多數(shù)都是進行了填埋處理，污泥資源化利用仍然不夠普及［16］。污泥填埋占地面積大，浪費土地資源，而且還會存在一定的風險，對周邊環(huán)境可能造成污染。利用微波輻射處理污泥是近年來污泥處理研究的熱點。通常污水處理產(chǎn)生的污泥中都會含有較多的有機物，特別是易揮發(fā)性的有機物質(zhì)，而大部分的有機物都可以被資源化利用。利用微波輻射處理污泥，靠微波的熱效應對污泥進行熱解，靠微波形成的高溫使污泥中有機物大分子在隔絕空氣的條件下發(fā)生斷裂，從而產(chǎn)生可以回收利用的熱值較高的氣體、熱解溶液和碳渣［17］。方琳［18］利用SiC作為介質(zhì)，對添加SiC和固體殘留物的污泥進行微波高溫熱解試驗，熱解污泥產(chǎn)生的的熱解液的熱值可以達到37MJ／kg以上，同時熱解液中的PAHs含量低于5．37％，可以回收利用；同時，熱解過程中產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物的熱值可以達到9420kJ／m3，若對其收集利用，可以節(jié)約大量能源。所以，通過微波熱解污泥不僅可以對污泥進行減量化、無害化處理，還可以滿足對污泥進行資源化利用的目的，使其變?yōu)槟茉础ongWT［19］采用微波與雙氧水聯(lián)用技術對二沉池污泥進行降解處理，控制溫度在80℃，污泥中的COD基本完全溶解，同時，由于微波產(chǎn)生的熱能使污泥的氮、磷和金屬元素等溶解于水中，后續(xù)可以通過結晶法等手段將其提取，并加以利用。通過微波與高級氧化技術聯(lián)用，可以大幅度削減污泥的體積，并對污泥有殺菌和滅活的作用，與此同時，還可以提取利用污泥中包含的營養(yǎng)物質(zhì)，極大地獲取了污泥自身所含有的資源。

5應用微波進行水處理監(jiān)測的研究

微波輻射所產(chǎn)生的消解作用，使得微波技術可以在水處理監(jiān)測中得以應用。采用微波消解技術通常是將試樣和酸的混合物作為發(fā)熱體，而后利用微波進行加熱。采用微波加熱的過程中，整個系統(tǒng)的熱量幾乎不向外擴散，所以其產(chǎn)生的熱效率很高，有利于試樣充分混合，從而可以迅速地對試樣進行分解。余丹梅［20］利用微波消解測定水中總磷，取得了較好的效果，試驗采用鉬酸銨進行分光光度法測定，利用微波消解比傳統(tǒng)消解法省時，省電，并且精確度也較高；石曉云［21］通過微波消解法對煉油污水中的總磷進行測定，不僅測定的效率高，對環(huán)境污染小，而且方便操作；周錫堂［22］通過微波消解法測定煉油污水的化學需氧量，試驗中加入CuSO4－MgSO4為催化劑，檢測速度快，成本低，是一種經(jīng)濟節(jié)約的好方法。

6微波在污水處理其他方面應用的研究

微波加熱無滯后效應，在進行某些物質(zhì)合成時，可有效地加快反應進行的速度，可以縮短化學反應的周期。李萬捷［23］在聚丙烯酰胺（PAM）制備反應中利用微波輻射技術，不僅加快了PAM的合成速度，并且合成的高聚物的分子量分布相對均勻，更有利于在水處理中的應用。在污水處理工藝中，經(jīng)常要在不同的階段投加各種不同的聚合物。由于微波加熱均勻并且熱量損失小的特性，不僅合成速度較快，熱量損失小，經(jīng)濟性好，并且合成高聚物的分子量分布也均勻，應用于水處理中可以減少投藥量，并且效率更高。所以，利用微波制備絮凝劑等藥劑對促進水處理工藝有著廣闊的發(fā)展前景。

7結語

微波作為一種新興的工藝手段，在研究過程中還存在許多機理方面的問題，諸多現(xiàn)象仍然無法得到合理的解釋。但是，微波可以有效的加速化學反應，使得一些普通的化學反應速率提高幾十到上百倍，還可以使得正常狀態(tài)下不能發(fā)生的反應得以發(fā)生。由于其具備的特性，可以使得其在水處理領域中具有廣闊的發(fā)展前景。利用微波與其他技術聯(lián)用對污水及污泥的處理在未來會有更廣闊的發(fā)展空間，隨著技術的發(fā)展，微波技術一定會在水處理領域有更多更合理的應用。

作者:劉運勝 劉繼先 孫華章 單位:滄州市供水排水集團有限公司 中國市政工程華北設計研究總院有限公司

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