微波技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用

譚艷來， 黃力彥， 羅曉棟， 李詩瑤， 姚 創(chuàng)， 岳建雄

(廣東省工程技術(shù)研究所，廣東省水環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510440)

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微波技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用

譚艷來， 黃力彥， 羅曉棟， 李詩瑤， 姚 創(chuàng)， 岳建雄

(廣東省工程技術(shù)研究所，廣東省水環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510440)

針對污水及污泥處理行業(yè)研究及應(yīng)用的一些微波水處理設(shè)備，從微波穿透深度上，對方形水池循環(huán)式、圓形水罐攪拌式及管道式3種微波水處理內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)劣比較，并提出了改進(jìn)建議。

微波；穿透深度；微波水處理設(shè)備；污水處理

隨著我國污水處理行業(yè)的快速發(fā)展，微波技術(shù)在環(huán)保水處理行業(yè)的研究與應(yīng)用成為熱點(diǎn)，目前已開發(fā)出多種微波水處理設(shè)備。部分微波水處理設(shè)備研究及應(yīng)用結(jié)果顯示，微波水處理設(shè)備的處理量為1～10 000 m3，處理后能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，并具有能耗低、占地小、設(shè)備維護(hù)方便、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。筆者結(jié)合國內(nèi)同行研究成果，針對微波水處理設(shè)備設(shè)計(jì)忽略微波穿透力的問題，提出了改進(jìn)建議，以期為利用微波技術(shù)進(jìn)行污水處理及污泥處理的研究提供參考。

1 微波技術(shù)的發(fā)展

微波是指波長為0.01～1.00 mm，頻率為300～300 000 MHz的電磁波。1936年美國貝爾研究所(BTL)的Southworth宣布波導(dǎo)傳輸試驗(yàn)成功，奠定了微波技術(shù)的理論基礎(chǔ)[1]。1941年初，厘米波脈沖雷達(dá)在美國誕生，標(biāo)志著微波技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的開始。1946年微波應(yīng)用于射天文學(xué)、微波波普學(xué)、量子電子學(xué)、微波能利用及微波醫(yī)學(xué)等方面。1964年，微波應(yīng)用于衛(wèi)星通信及衛(wèi)星廣播領(lǐng)域。1973年，我國成功研制915和2 450 MHz 2個(gè)頻率磁控管(微波管)，供工業(yè)化生產(chǎn)使用，最早應(yīng)用的領(lǐng)域是醫(yī)療和家用電器，使用的微波管頻率為2 450 MHz。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，微波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍工、通信、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、化工、食品、皮革、環(huán)保等領(lǐng)域，促進(jìn)了工業(yè)的快速發(fā)展，同時(shí)也給人們的生活帶來了便捷。

2 微波的穿透力

微波的穿透力(穿透深度)就是電磁波穿入到介質(zhì)內(nèi)部的能力[2]。電磁波從介質(zhì)表面進(jìn)入并在其內(nèi)部傳播時(shí)，由于能量不斷被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，其所攜帶的能量就隨著深入介質(zhì)表面的距離，以指數(shù)形式衰減。由于不同介質(zhì)對微波能的吸收衰減能力不同，衰減狀態(tài)決定著微波對介質(zhì)的穿透能力。

以民用工業(yè)中常用的2 450 MHz微波頻率為例，Hong等[3]研究顯示，微波在空氣中的穿透深度為12.20 cm；在自來水中的穿透深度為2.16 cm；在初沉污泥的穿透深度為1.73 cm；在剩余活性污泥中的穿透深度為1.11 cm。肖朝倫等[4]利用微波對城市污水廠脫水污泥的樣品穿透深度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，平均穿透深度為8.7 mm，驗(yàn)證了微波在脫水污泥中的穿透深度小于在自來水、初沉污泥及剩余活性污泥中穿透深度的結(jié)果。由此可以看出，微波在水體中的穿透深度遠(yuǎn)小于在空氣中的穿透深度；微波在含顆粒物及溶解性有機(jī)物多的水體中的穿透深度小于在自來水中的穿透深度。主要原因是微波輻射的介質(zhì)不同，而介質(zhì)對微波能的吸收衰減能力不同，造成微波在不同介質(zhì)中的穿透能力不同。

由以上可知，利用微波輻射進(jìn)行污水處理，由于其在自來水中的最大穿透深度為2.16 cm，若是利用微波處理城市生活污水或工業(yè)廢水，由于廢水含顆粒物及溶解性物質(zhì)的原因，其穿透深度會(huì)逐漸減小。因此，利用微波對污水進(jìn)行處理時(shí)，微波的穿透深度應(yīng)不大于2.16 cm。

3 微波水處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)

目前，部分企業(yè)有微波水處理設(shè)備，主要為微波設(shè)備生產(chǎn)商及環(huán)保水處理企業(yè)。據(jù)了解，相關(guān)微波水處理設(shè)備內(nèi)部污水水池或水罐的結(jié)構(gòu)方式大概有以下3種：

(1)箱式水池循環(huán)式。箱式水池循環(huán)式的設(shè)備構(gòu)造包括內(nèi)置箱式水池、外部微波發(fā)射及控制裝置、循環(huán)水泵及進(jìn)出水口等。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上看，按照箱式水池的體積，微波輻射穿透深度遠(yuǎn)低于箱式水池中心的距離，水體的反應(yīng)存在不均勻性。雖然增加了循環(huán)水泵，能夠提高反應(yīng)體系的均勻性，但是由于箱式水池本身實(shí)際的缺陷，難以達(dá)到較好的處理效果。

(2)圓形水罐攪拌式。圓形水罐攪拌式的設(shè)備構(gòu)造包括內(nèi)置圓形水罐、外部微波發(fā)射及控制裝置、攪拌裝置及進(jìn)出水口等。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上看，按照圓形水罐的體積，微波輻射穿透深度遠(yuǎn)低于箱式水池中心的距離，水體的反應(yīng)也存在不均勻性。雖然增加了攪拌裝置，能夠一定程度上提高反應(yīng)體系的均勻性，但同樣存在設(shè)計(jì)上的問題，仍難以達(dá)到較好的處理效果。

(3)管道式。管道式的設(shè)備構(gòu)造包括內(nèi)置方形罐體、罐體內(nèi)置水管、罐體外部微波發(fā)射及控制裝置、通風(fēng)散熱裝置、溫控裝置及進(jìn)出水口等。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上看，如果采用的水管管徑小于DN50,微波輻射穿透深度能夠到達(dá)水管的中心，實(shí)現(xiàn)有效的全面輻射；若管徑大于DN50,存在穿透深度不夠的問題。

就以上3種結(jié)構(gòu)的微波水處理設(shè)備，從穿透深度上分析，箱式水池循環(huán)式和圓形水罐攪拌式的穿透深度小，雖然都增加了相應(yīng)設(shè)備提高其均勻性，但效果有限；管道式的穿透深度能夠輻射到中心位置，實(shí)現(xiàn)全面輻射，大幅提高處理效率。因此，單從穿透深度分析，管道式是目前微波水處理設(shè)備中內(nèi)部水體結(jié)構(gòu)較好的方式之一。

4 存在的問題及解決措施

微波水處理設(shè)備在研究及應(yīng)用上需注意以下幾方面問題：①穿透深度對處理效果的影響。微波輻射對污水的穿透深度有限，一旦污水水體的深度超過輻射的穿透深度，將導(dǎo)致部分水體不能吸收微波能，反應(yīng)體系的能量分布不均，影響反應(yīng)速率。②輻射時(shí)間對處理效果的影響。微波對水體的輻射時(shí)間決定了水分子吸收微波能的大小。時(shí)間越長，吸收微波能越多，反應(yīng)越劇烈，處理效果越好；反之，處理效果差。③散熱方式對設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。微波發(fā)射及輔助裝置在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果沒有合適的散熱方式及時(shí)降低設(shè)備運(yùn)行中的溫度，將會(huì)引發(fā)溫度報(bào)警裝置切斷電源停止工作，造成設(shè)備運(yùn)行不連續(xù)。

針對以上問題，在微波水處理設(shè)備的設(shè)計(jì)上，提出以下改進(jìn)措施：①設(shè)備的反應(yīng)水體設(shè)置成管道式，管徑不大于DN50，管道分層布置。一方面，使水管中間水體能夠吸收微波能；另一方面，可以增加微波輻射時(shí)間，提高微波能的利用率。②設(shè)備的內(nèi)罐設(shè)置為長方體，四周布置微波發(fā)射裝置，提高微波輻射的均勻性。③增加設(shè)備運(yùn)行溫度的散熱冷卻方式，常用的有風(fēng)冷、水冷和油冷3種方式，可以根據(jù)設(shè)備的大小選擇合適的散熱冷卻方式。

5 小結(jié)

通過對箱式水池循環(huán)式、圓形水罐攪拌式、管道式3種微波水處理設(shè)備內(nèi)部水池結(jié)構(gòu)的分析，從微波的穿透深度出發(fā)，指出微波輻射不能到達(dá)設(shè)備水池中心位置導(dǎo)致處理效果不佳的問題。針對這種情況，提出采用管道式的水池方式、管道分層布置及增加散熱方式措施，對現(xiàn)有的微波水處理設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到更好的處理效果。微波應(yīng)用于污水處理行業(yè)是一種新技術(shù)的嘗試，應(yīng)用前景廣闊。

[1] 喬瑋,王偉,黎攀，等.城市污水污泥微波熱水解特性研究[J].環(huán)境科學(xué),2008，29(1):152-157.

[2] 呂春敏,嚴(yán)蓮荷,王劍虹，等.光、微波、熱催化氧化效果的比較[J].工業(yè)水處理,2003,23(8):36-38.

[3] HONG S M,PARK J K,TEERADEJ N,et al.Pretreatment of sludge with microwaves for pathogen destruction and improved anaerobic digestion performance[J].Water Environ Res,2006,78(1):76-83.

[4] 肖朝倫,唐嘉麗,潘峰，等.微波輻射對脫水城市污泥穿透性和脫水性的影響[J].過程工程學(xué)報(bào),2011,11(2):215-220.

Application of Microwave Technology in Sewage Treatment

TAN Yan-lai, HUANG Li-yan, LUO Xiao-dong et al

(Guangdong Research Institute of Engineering Technology, Guangdong Key Laboratory of Water Pollution, Guangzhou, Guangdong 510440)

According to some microwave water treatment equipments in the research on sewage and sludge treatment industry, the advantages and disadvantages of three internal structures of microwave water treatment were compared from the aspect of microwave penetration depth, including square circulation circulating, circular tank agitator and pipeline.Finally suggestions were put forward.

Microwave; Penetration depth; Microwave water treatment equipment; Sewage treatment

廣州市珠江科技新星專項(xiàng)(201506010041)。

譚艷來(1982- )，男，湖南茶陵人，高級工程師，碩士，從事高濃度難降解有機(jī)廢水處理技術(shù)研究。

2016-08-19

S 181；X 52

A

0517-6611(2016)31-0088-01