微波加熱技術(shù)在難降解有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

徐新生，劉永紅，王 寧，延 衛(wèi)

（1. 西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2. 浙江溫州輕工研究院，浙江 溫州 325003）

微波加熱技術(shù)在難降解有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

徐新生1，劉永紅1，王 寧1，延 衛(wèi)2

（1. 西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2. 浙江溫州輕工研究院，浙江 溫州 325003）

論述了含酚廢水、染料廢水、制藥廢水及工業(yè)氨氮廢水的特點(diǎn)并對(duì)微波加熱技術(shù)在該類廢水中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的分析，總結(jié)了微波加熱技術(shù)在含酚廢水、染料廢水、制藥廢水及工業(yè)氨氮廢水處理中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，展望了微波加熱技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用前景。

微波加熱技術(shù)；難降解有機(jī)廢水；廢水處理

微波是指頻率為300 MHz～300 GHz、波長(zhǎng)為1 mm～1 m的超高頻電磁波，目前國(guó)內(nèi)經(jīng)常使用的兩種微波頻率為915 MHz和2 450 MHz。微波加熱技術(shù)是使物體內(nèi)部分子相互摩擦發(fā)熱、對(duì)物質(zhì)內(nèi)部直接加熱的方法。與傳統(tǒng)加熱方法相比，微波加熱技術(shù)具有選擇性高、快速高效、設(shè)備體積小、節(jié)能、清潔等優(yōu)點(diǎn)［1］。微波加熱機(jī)理包括離子傳導(dǎo)和偶極子運(yùn)動(dòng)兩種形式。離子傳導(dǎo)與介質(zhì)濃度、離子大小及電荷量有關(guān)；偶極子運(yùn)動(dòng)與介質(zhì)的弛豫時(shí)間、溫度及黏度有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，一般情況下兩種運(yùn)動(dòng)形式同時(shí)存在［2］。

微波加熱技術(shù)起源于20世紀(jì)30年代，最初應(yīng)用于通訊領(lǐng)域。1967年，W illiams報(bào)道了用微波加快化學(xué)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將微波加熱技術(shù)引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，并逐漸形成了微波化學(xué)新領(lǐng)域［3］。將微波加熱技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境污染治理尤其是水處理方面，是近幾年新興的研究領(lǐng)域。微波加熱技術(shù)不僅被廣泛應(yīng)用于COD、苯酚、色度等的去除，而且對(duì)氨氮的去除也表現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力，這為“中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要”中新增約束性指標(biāo)——氨氮的減排提供了一條全新的思路。

本文總結(jié)了幾種典型有機(jī)廢水的特點(diǎn)及微波加熱技術(shù)在該類廢水處理中的應(yīng)用情況，對(duì)其在應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題作了總結(jié)并對(duì)以后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 微波加熱技術(shù)在典型難降解工業(yè)廢水中的應(yīng)用

工業(yè)廢水具有含污染物種類多、成分復(fù)雜、有機(jī)物濃度高、色度大、毒性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是染料、制藥等復(fù)雜工業(yè)廢水中通常含有大量的難降解有機(jī)毒物，水質(zhì)差異大、可生化性差。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微波加熱技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用展開了較為深入的研究，微波加熱技術(shù)正在成為一種處理難降解工業(yè)廢水的新興技術(shù)。

1.1 微波加熱技術(shù)在含酚廢水中的應(yīng)用

酚及其衍生物是工業(yè)廢水中常見(jiàn)的高毒性、難降解有機(jī)物，是一種原型質(zhì)毒物，對(duì)一切生物個(gè)體都有毒害作用。含酚廢水在我國(guó)水污染控制中被列為需重點(diǎn)解決的有害廢水之一。

徐成斌等［4］用微波協(xié)同活性炭催化氧化工藝處理含酚廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在活性炭加入量1.0 g、微波功率600 W、輻射時(shí)間3 m in的條件下，100 m L初始質(zhì)量濃度600 mg/L的苯酚溶液的去除率可達(dá)67.79%；該工藝對(duì)苯酚的處理效果明顯優(yōu)于單獨(dú)活性炭吸附及單獨(dú)微波輻射工藝。

施向榮等［5］采用微波誘導(dǎo)催化氧化技術(shù)，以Fe2O3/γ-A l2O3為催化劑，對(duì)高濃度模擬苯酚廢水進(jìn)行了氧化處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在微波反應(yīng)功率500 W、催化劑加入量1 g、H2O2加入量3‰、pH 7、輻射時(shí)間15 min的條件下，處理30 m L初始質(zhì)量濃度1 100 mg/L的廢水，苯酚去除率達(dá)92.3%；微波催化氧化的處理效果優(yōu)于單一微波、微波-H2O2聯(lián)合工藝。

趙德明等［6］用微波強(qiáng)化臭氧氧化系統(tǒng)處理模擬苯酚廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在臭氧流量1.4 mg/ min、反應(yīng)溫度298 K、pH 11、輻射時(shí)間30 min的條件下，苯酚去除率達(dá)95%以上；微波強(qiáng)化臭氧氧化系統(tǒng)較單獨(dú)微波及臭氧體系具有明顯的協(xié)同效應(yīng)。

Bi等［7］采用微波誘導(dǎo)ClO2-CuOx/A l2O3催化氧化處理初始質(zhì)量濃度為100 mg/L的模擬苯酚溶液，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在ClO2加入量80 mg/L、微波功率50 W、輻射時(shí)間5 m in、催化劑加入量50 g/L、pH 9的條件下，苯酚和COD去除率分別為92.24%和79.13%；微波誘導(dǎo)ClO2-CuOx/A l2O3催化氧化工藝較常規(guī)ClO2催化氧化工藝有用時(shí)較短、催化劑加入量少及pH適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

Prasannakumar等［8］利用微波協(xié)同H2O2氧化降解廢水中的苯酚，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在H2O2加入量5.0 m L、微波功率668 W、輻射時(shí)間60 s的條件下，100 m L初始質(zhì)量濃度300 mg/L的苯酚溶液降解率達(dá)82.36%；微波協(xié)同H2O2氧化降解苯酚效率較單獨(dú)H2O2氧化時(shí)間大大縮短。

上述研究表明，在含酚廢水處理中微波加熱技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)用表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。微波加熱技術(shù)不僅減少了化學(xué)處理藥劑的加入量，而且大大縮短了處理時(shí)間。

1.2 微波加熱技術(shù)在染料廢水中的應(yīng)用

染料廢水是一種有機(jī)物含量高、色度深、毒性大、污染性極強(qiáng)的廢水，同時(shí)染料廢水有排放量大、排放具有間歇性、水質(zhì)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，屬目前我國(guó)難治理的主要工業(yè)廢水之一。

喬俊蓮等［9］用微波協(xié)同活性炭氧化工藝處理模擬甲基橙廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在甲基橙質(zhì)量濃度305 mg/L、微波功率580 W、輻射時(shí)間10 min、活性炭加入量1.2 g/L的條件下，廢水脫色率為99.63%；微波協(xié)同活性炭氧化工藝對(duì)甲基橙的處理效果明顯優(yōu)于單獨(dú)活性炭吸附及單獨(dú)微波輻射的處理效果。

張靜等［10］采用Fe2O3/膨潤(rùn)土負(fù)載型催化劑協(xié)同微波誘導(dǎo)氧化處理模擬活性嫩黃廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在催化劑加入量0.5 g、微波功率900 W、輻射時(shí)間5 m in的條件下，50 m L質(zhì)量濃度50 mg/L的模擬活性嫩黃廢水色度去除率為96.40%。

孫杰等［11］用微波紫外燈光氧化-內(nèi)電解聯(lián)合工藝處理活性深蘭M-2GE染料模擬廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在廢水pH 6.3、次氯酸鈉加入量4 m L/L，微波紫外光反應(yīng)時(shí)間30 m in、內(nèi)電解反應(yīng)時(shí)間50 min的條件下，色度去除率和COD去除率分別達(dá)95%和70%以上；染料廢水經(jīng)微波紫外光氧化-內(nèi)電解法處理較單獨(dú)微波紫外光氧化或內(nèi)電解法處理染料廢水的處理效果好。

Zhang等［12］利用微波協(xié)同活性炭快速降解剛果紅染料廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在微波頻率2 450 MHz、活性炭加入量2.0 mg/L、輻射功率800 W、pH 8、反應(yīng)時(shí)間1.5 min的條件下，25 m L 質(zhì)量濃度50 mg/L的剛果紅廢水色度去除率達(dá)89.15%，且增加活性炭加入量到3.6 g/L或延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間到2.5 min時(shí)，色度去除率可達(dá)到96.49%～97.88%；微波協(xié)同活性炭工藝較單獨(dú)微波及單獨(dú)活性炭吸附處理對(duì)色度去除率效果好。

Bi等［13］采用微波誘導(dǎo)ClO2催化氧化處理活性艷黃染料廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在ClO2加入量0.08 g/L、微波功率400 W、輻射時(shí)間1.5 m in、催化劑CuOn-La2O3/γ-Al2O3加入量70 g/L及pH 7的條件下，100 m L質(zhì)量濃度200 mg/L活性艷黃染料廢水色度去除率為94.03%；微波強(qiáng)化ClO2催化氧化較常規(guī)濕式催化氧化處理時(shí)間短、pH適用范圍更廣。

上述研究表明，微波加熱技術(shù)的應(yīng)用可有效提高染料廢水的色度去除率，同時(shí)縮短處理時(shí)間，使活性炭的重復(fù)使用次數(shù)增加，降低了成本，并且使一些難降解有機(jī)物更易去除。

1.3 微波加熱技術(shù)在制藥廢水中的應(yīng)用

制藥廢水的特點(diǎn)是成分復(fù)雜、有機(jī)物含量高、毒性大、色度深和含鹽量高，特別是可生化性很差且間歇排放，屬目前我國(guó)難治理的主要工業(yè)廢水之一。

王子波等［14］用微電解-微波輻射聯(lián)用技術(shù)處理敵百蟲農(nóng)藥廢水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：將廢水稀釋200倍，使進(jìn)水COD為750 mg/L，經(jīng)過(guò)微電解實(shí)驗(yàn)的出水繼續(xù)作為微波輻射進(jìn)水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在pH 2、活性炭加入量6 g/L、H2O2加入量10 m L/L、微波功率490 W、輻射時(shí)間8 m in的條件下，出水COD達(dá)25～70 mg/L；與傳統(tǒng)生化法相比，利用微電解-微波輻射法處理敵百蟲農(nóng)藥廢水，耗時(shí)短、效率高、操作簡(jiǎn)單。

肖廣全等［15］用微波輻射-生物接觸氧化法對(duì)某制藥廠污水處理站的調(diào)節(jié)池出水進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：初始COD 6 000～8 000 mg/L的制藥廢水經(jīng)微波處理后COD去除率為10%～15%；而直接用好氧生物接觸氧化法處理時(shí)COD的去除率較低，且出水COD大于300 mg/L；經(jīng)過(guò)微波預(yù)處理（輻射功率459 W、輻射時(shí)間8 m in）后，再進(jìn)行好氧生物接觸氧化處理（760 m in），組合工藝對(duì)COD的總?cè)コ蚀笥?5%，最終出水的COD小于300 mg/L。

朱駿等［16］采用微波強(qiáng)化Fenton試劑氧化法處理高濃度醫(yī)藥中間體廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在初始pH 4、H2O2加入量5 m L/L、FeSO4·7H2O加入量3 g/L、微波功率為300 W、輻射時(shí)間7 m in的條件下，對(duì)500 m L醫(yī)藥中間體廢水的COD去除率達(dá)89.7%；微波強(qiáng)化Fenton試劑氧化技術(shù)降解速率較普通Fenton試劑氧化技術(shù)快。

Yang等［17］利用微波強(qiáng)化Fenton試劑催化氧化反應(yīng)處理初始COD為49 912.5 mg/L的高濃度制藥廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在輻射功率300 W、輻射時(shí)間6 m in、初始pH 4.42、H2O2加入量1.3 g/L、Fe2（SO4）3加入量4.9 mg/L的條件下，COD去除率達(dá)57.53%，且BOD5/COD由0.165上升至0.470，可生化性大大提高；該方法較單獨(dú)的Fenton試劑催化氧化及傳統(tǒng)加熱Fenton催化氧化具有明顯優(yōu)勢(shì)。

上述研究表明，微波加熱技術(shù)與物化、生物方法聯(lián)用處理制藥廢水時(shí)，不僅可以改善處理效果，而且可以縮短處理時(shí)間，同時(shí)微波加熱技術(shù)的應(yīng)用可大大提高制藥廢水的可生化性，這對(duì)于后續(xù)聯(lián)用的生物處理有著至關(guān)重要的作用。

2 微波加熱技術(shù)在典型工業(yè)氨氮廢水中的應(yīng)用

隨著COD、色度、酚類等逐步得到有效控制，氨氮作為“中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要”中新增約束性指標(biāo)已受到相關(guān)行業(yè)的廣泛關(guān)注。垃圾滲濾液和焦化廢水作為兩種氨氮廢水的典型代表，除了具有難降解有機(jī)廢水的含有大量有機(jī)物組分和多種有害難降解成分、有毒及抑制性物質(zhì)多等特點(diǎn)外，其突出特點(diǎn)是氨氮濃度高。氨氮含量過(guò)高會(huì)影響廢水的生物處理過(guò)程，同時(shí)影響其他有害物質(zhì)的去除效果。

丁湛等［18］以負(fù)載鐵（Ⅱ）的顆?；钚蕴浚℅AC）為催化劑，采用微波強(qiáng)化Fenton試劑氧化處理取自西安市某垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理廠集液池原液的老齡垃圾滲濾液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：微波作用時(shí)間是影響處理效果的主要因素，且在GAC的鐵負(fù)載量為33.32 mg/g、微波功率720 W、微波時(shí)間30 min的條件下，垃圾滲濾液中COD和氨氮的去除率達(dá)到了95.64%和88.63%。

商平等［19］用微波改性的沸石對(duì)取自天津市某垃圾處理場(chǎng)經(jīng)過(guò)混凝、絮凝處理的垃圾滲濾液進(jìn)行深度處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在微波功率480 W、調(diào)節(jié)水樣pH 6、改性沸石7 g、吸附時(shí)間20 min的條件下，100 m L初始質(zhì)量濃度為32 mg/L的廢水氨氮去除率為92.11%。

呂早生等［20］采用微波加熱法脫除煉焦剩余氨水中的氨氮，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，在每100 m L廢水堿加入量1.000 8 g/L、輻射時(shí)間5 min、微波功率900 W的條件下，氨氮去除率為98.72 %，剩余氨水中氨氮質(zhì)量濃度降至68 mg/L；微波加熱和空氣吹脫動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，在剩余氨水流量4 m L/m in、微波功率720 W、空氣流量0.6 m3/h、加堿量與剩余氨水體積比0.15∶1的條件下，氨氮去除率達(dá)到94.58 %，吹脫平衡后氨氮含量為287 mg/L。

Lin等［21-22］用微波直接輻射焦化廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：pH和輻射時(shí)間對(duì)氨氮去除率影響較大，而初始氨氮質(zhì)量濃度和曝氣量對(duì)氨氮去除率影響不大，在微波功率750 W、pH 11的條件下處理100 m L不同濃度的焦化廢水，一組輻射5 m in后焦化廢水中氨氮質(zhì)量濃度由1 350 mg/L降至50 mg/L，另一組輻射10 min后焦化廢水中氨氮質(zhì)量濃度由5 000 mg/L降至350 mg/L，顯示了較高的氨氮去除率。在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，新建了一套中試規(guī)模的連續(xù)微波處理工藝，處理山西某焦化廠的焦化廢水，初始質(zhì)量濃度為2 400～11 000 mg/L的焦化廢水氨氮去除率達(dá)到80%左右，且較空氣吹脫法經(jīng)濟(jì)成本低。

上述研究表明，微波加熱技術(shù)的應(yīng)用可使氨氮廢水中的大量氨氮得到有效去除，改變了該類廢水中碳氮比例嚴(yán)重失調(diào)的狀況，經(jīng)過(guò)微波處理的氨氮廢水可以用某些常規(guī)生物方法進(jìn)行處理。

微波加熱技術(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在其他廢水處理中的應(yīng)用也日趨廣泛［23-29］，且微波加熱技術(shù)與其他處理方法聯(lián)用也已被越來(lái)越多的人接受并應(yīng)用。Ai等［30］全面地進(jìn)行了微波與幾種高級(jí)氧化技術(shù)聯(lián)合處理廢水的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)微波輻射幾乎可使高級(jí)氧化技術(shù)的處理效率提高一倍，表現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性。

3 結(jié)語(yǔ)

微波加熱技術(shù)的應(yīng)用使處理時(shí)間大大縮減，藥劑加入量有所減少，使某些難生物降解廢水的可生化性有所提高，并且使一些所需條件苛刻的反應(yīng)能夠順利進(jìn)行且效率大大提高，尤其是在將其作為氨氮廢水預(yù)處理技術(shù)方面表現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性。

但是微波加熱技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用還處于起步階段，其相關(guān)技術(shù)、設(shè)備研發(fā)及配套設(shè)備的整合、微波加熱技術(shù)在規(guī)模生產(chǎn)上的應(yīng)用瓶頸等許多問(wèn)題還需做進(jìn)一步研究，且目前大部分實(shí)驗(yàn)都是在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下討論廢水中單一指標(biāo)的變化情況。尋求一種綜合處理廢水中的各種有害物質(zhì)的連續(xù)微波處理工藝以及加快微波加熱技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程的研究是今后發(fā)展的方向。

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Application of M icrowave Heating Technology to Refractory Organic W astewater Treatment

Xu Xinsheng1， Liu Yonghong1， Wang Ning1， Yan Wei2

（1. College of Environment and Chem ical Engineering，Xi’an Polytechnic University，Xi’an Shaanxi 710048，China；2. Zhejiang Wenzhou Research Institute of Light Industry，Wenzhou Zhejiang 325003，China）

The characteristics of some industrial wastewaters，such as phenol wastewater，dye wastewater，pharmaceutical wastewater and ammonia wastewater，are introduced. The application of m icrowave heating technology to the treatment of these wastewaters is deeply analyzed. The application advantages of microwave heating technology are summarized. Finally，its application prospect to wastewater treatment is forecasted.

m icrowave heating technology；refractory organic wastewater；wastewater treatment

X703

A

1006-1878（2012）04 - 0316 - 05

2012 - 03 - 04；

2012 - 03 - 26。

徐新生（1987—），男，河南省輝縣市人，碩士生，主要研究方向?yàn)楣I(yè)廢水處理。電話 18710510373，電郵 xinshengxu0406@126.com。聯(lián)系人：劉永紅，電話13572505762，電郵 liuyhxa@hotmail.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（21176197）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2009ZX07212-002-002）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃（2011KTZB03-03-01）；溫州市科技項(xiàng)目（H20100004）。

（編輯 張艷霞）