电子束辐照技术在废水处理中的基本应用
【摘要】由于人们生产活动的多样性，污水中的污染物质非常复杂，仅使用传统的污水处理办法很难彻底解决废水净化问题。这就需要有一种新型、高效、经济的技术来解决目前遇到的困难。随着电子束辐照技术的发展，其在污水处理方面表现出巨大的潜力：清洁、高效、无二次污染，能够分解处理多种污染物质，因此日益受到人们的重视。
电子束辐照技术就是利用被加速的电子束流轰击或照射被处理对象，使之发生常规方法难以引发的物理化学及生物学反应，从而达到优化产品质量、提高产品性能、净化物质等目的。污水处理则是利用加速后的电子束流对污水进行辐照．使水中的污染物发生分解或降解、有害微生物发生变性等，来达到消毒净化废水的目的。
由于电子束流的辐照能量大部分会沉积在水分子中，在电子束流作用下，当电子束辐照能量超过水分子化学键的键能和分子的电离势能时，化学键和分子的结合能就会被破坏，污水便被辐照分解生成较强的氧化物质（如OH、H202、02-等），这些氧化物质与水中的污染物质、细菌相互作用，达到氧化分解和消毒的目的。
电子加速器装置由一系列高精度的机械电子设备系统和复杂的控制系统组成，是电子束处理污水的核心设备。涉及多个学科领域，如高真空、高气压、电子学、高频与微波技术、计算机与自动控制、机械设计与制造、材料学、束流测量、辐射防护等。辐照加速器的主要组成：
(1)电子枪；
(2)加速器主机，包括加速高频系统、控制磁场系统、真空系统；
(3)电子束流的约束、引出及应用装置；
(4)控制系统部分。
目前作为辐照源的加速器主要分为低能段（0.15～0.5MeV）、中能段（0.5～5.0MeV）、高能段（5.0～10.0MeV）等3类加速器。随着加速器技术的不断发展，研制的加速器在结构上将更加紧凑、操作简便，可根据需要进行参数的调整，易于维护。
电子加速器模型图
目前，许多国家，如澳大利亚、匈牙利、印度、日本、约旦、波兰、葡萄牙、土耳其、美国，正在使用电子束辐射（EB）进行废水处理，用于各种用途，如废水和城市垃圾的去污，减少有毒农药的浓度，非生物降解材料，微生物污染的饮用水的消毒等。全球早期电子束废水处理厂分布如下图所示。
电子束辐照技术在废水处理中的应用
1、韩国大邱工厂
工业废水污染物含量非常复杂，因为科技进步和工业过程的多样性，添加剂和衍生物种类繁多。这意味着该行业迫切需要一种能够对待它们的极其通用的工艺。这些废水包括复杂的有机化合物和有色废水，电子束技术在处理这些污染物方面有着独特的效果。由于该技术对于许多类型的废水都是有效的，并且对所有这些废水可以使用相同的设备，因此它是一种非常通用的处理方法。从成本方面来讲，国外的许多研究也表明利用电子束处理废水比较经济。
韩国在大邱建设了一个电子束和生化法结合的污水处理厂，将初步沉淀处理后的重度纺织业废水经电子辐照和生化降解后，可使水的污染物含量降低一半左右，工厂流程图如下图所示。
该厂是一个每天处理1000立方米染色废水的试验工厂，它使用能量为1MeV的加速器，产生400千瓦的光束功率。为了均匀照射水，使用宽度为1.5m的喷嘴型喷射器。
韩国大邱工厂使用的电子加速器
废水通过喷射器在电子束照射区域下注入，以获得足够的穿透深度。可以改变注射速度以达到一定的应用效果。该系统与生化技术相结合，证明了化学试剂消耗的减少，以及保留时间的减少，去除效率提高了30～40倍，废水中总有机碳（TOC）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等污染物指标都比原处理方法降低一半左右。
大邱污水厂电子束处理效率
2、美国迈阿密工厂
美国芝加哥城市污水回收局（MWRD）在电子束处理城市污水方面做了许多基础性的研究，研制出了可工业应用的电子束加速器，并与军方和一些商业部门开展合作，以期将这一技术大规模商业化应用。
MWRD电子束加速器
由于城市污水中包括可以回收利用的有机物，所以芝加哥城市污水回收局（MWRD）的电子束处理工厂不光包括污水处理设备，还包括大量的回收设备，以将这些有机物转化为农作物肥料等可用副产品。其结构图如下。
MWRD污水处理厂结构图
利用这些技术，美国在迈阿密建成了全球最大的城市污水电子束处理装置，总功率1MW，每天处理12亿加仑污水，处理成本只有每加仑1.5～2美分，在处理城市污水和有机废料消毒方面取得了非常好的效果。该处理厂不光可以对污水进行净化，还可以将部分污染物转化为生产肥料。
迈阿密电子束污水处理厂结构图
3、中广核金华工厂
中国拥有一个大型工业体系，利用电子束进行废水处理将更加具有成本优势。近年来，中国污水处理厂商一直在为其处理流程投入更多资金，并希望采用新的创新解决方案。中国首个使用电离辐射技术处理工业废水的示范工程于2017年在浙江金华启动运行，每日可处理印染企业排放废水1500～2000立方米。辐照处理的水样比原处理技术化学需氧量（COD）和透明度都有显著改善。
金华示范项目在二次沉淀池中将难以通过传统手段降解的污水引入调节池利用电子束辐照技术进行处理，通过与传统的物化、生物、膜处理等工艺有机结合，电子束技术可以形成技术可行、经济成本合理的解决方案。随着电子束处理工业废水技术臻于成熟，已具备大规模产业化应用的条件。
4、移动式处理设备
除了固定式污水处理厂外，电子束辐照污水处理技术还可以安装在移动设备上，以满足多样化和灵活性的小型污水处理需求。下图为一种电脑控制的电子束实验装置，安装在集装箱内，电子束需要采取优良的封闭措施，可以对废水和烟气进行净化处理，液体处理能力为每天500m3，气体处理能力为2,000Nm3 /h。
移动式电子束污水处理装置
总结：
电子束污水处理技术是污水处理领域的新兴技术，西方发达国家在这方面已经有几十年的发展史，处理装置已有实验室进入大规模商用阶段，其处理效率比传统生化处理方式高出至少一倍，是未来污水处理领域的重要发展方向。我国金华电子束污水处理厂的实验验证已取得阶段性进展，相信在不远的将来，全球将会建设更多的电子束污水处理装置，以满足越来越多样化的污水处理需求。
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