有了这种技术,工业废水处理的反应时间仅需0.01秒

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 鸿鹄,科技爱好者

  工业废水由于成分复杂、性质多变,一直是水处理中的“老大难”。

  这些年来中国相继出台了多项政策用于指导水污染防治,使得中国工业废水排放量从2011年的230.9亿吨减至2016年的186.4亿吨,但工业废水排放量依然十分巨大,其中印染和造纸工业废水总量大,占中国工业废水排放量的约1/4,同时污染物成分更为复杂,含有大量难以生物降解的有害物质,其无害化处理是一项令各国都头疼的“世界性难题”。

  有了这种技术,工业废水处理的反应时间仅需0.01秒

  (未经处理排放的工业废水污染农田)

  面对工业废水,究竟应该怎么办?今天我们就来介绍一个工业废水的新“克星”——电子束处理技术。

  (一)工业废水遗患多多,处理究竟有多难?

  工业生产过程中产生的废水、废液和其他有毒有害液体统称为工业废水,它包含生产废水、生产污水和冷却冷凝水等。

  不同于居民日常生活中排泄的洗涤水(生活废水)只有很少一部分需要处理,工业废水的种类繁多、成分复杂,常常包含多种有毒有害物质,对生态环境、人类健康都有着极大危害,所以必须进行处理,达到一定标准后方能排入生活污水系统。

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  (被工业废水污染的水源)

  以往很多工厂为了降低生产成本,其生产过程产生的废水常常不处理或者少处理,就进行偷排偷放,未经处理的工业废水一旦排入自然环境危害巨大。

  未经处理的工业废水进入到江河湖海等地表水体,会直接污染地表水,同时经水体渗入土壤,会进而造成土壤污染。

  数量多、毒性大的工业废水排放入水体后会直接导致水生动植物的死亡甚至绝迹,进入土壤中有害物质则直接影响植物和土壤中微生物的生长。这些污染最后又通过生物富集,造成食物链污染,最终到达人体,对人体造成危害。

  而且,自然界的水系往往是相通的,工业废水会随地表径流等方式渗透到地下,污染地下水,饮用被污染的地表水或者地下水都会危害身体健康,导致各种病症,甚至死亡。

  最后,很多工业废水都溶解有一些易挥发的有毒有害气体,往往会带有令人不快的恶臭,散发到大气中又进一步导致大气污染。

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  (现代造纸工业流程)

  以造纸废水的产生和处理为例,造纸工业中废水主要来源于生产中的制浆和抄纸两个生产过程。制浆是分离植物原料中的纤维制成浆料后进行漂白;抄纸是把得到了浆料进行稀释、成型、压榨、烘干,最后制成纸张。

  制浆的洗浆步骤排出的废水因含有大量纤维、无机盐和色素,呈黑褐色,称为黑水,其中的污染物浓度很高;而后漂白工序排出废水又含有大量的酸碱物质。抄纸过程需要添加的填料和有机物胶料,也会排出废水,其中还含有大量纤维,称为白水。

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  (造纸过程的废水处理与回收工艺流程图)

  处理这些工业废水方法一般有物理处理法、化学处理法、生化处理法,不过单一使用一种方法往往达不到效果,所以通常是几种处理方法的组合。

  同时,废水处理工艺在设计时,需要设置前端有不同废水分类收集的前处理,以及后置的综合回收利用技术,整体提高工业废水的处理深度。例如利用浮选法(物理处理法)回收白水中纤维性固体物质,澄清水可回用,回收率可达95%;利用燃烧法(化学处理法)回收黑水中氢氧化纳、硫化钠、硫酸钠以及同有机物结合的其他钠盐。

  而随着废水处理出水端水质指标越来越严苛,很多方法都无法满足新标准要求,进而出现了诸如氧化还原法等新兴起的工业废水处理方法。氧化还原法中的超声氧化,光催化氧化等使用效果较好,可以用于工业废水的深度处理,不过也随之带来了成本提高等问题。

  (二)电子束处理工业废水是怎样一种存在?

  由于工业生产活动的多样性,在一个工业园区,往往会进驻多种生产企业,产生多种工业废水。

  如果它们产生的废水需要集中处理,即使在前端分类收集分类处理,每个类别废水中集合的污染物质种类也都会十分复杂,所以,仅使用传统的污水处理办法很难彻底解决废水净化问题,也很难满足新的水处理标准要求。

  新的标准和科技发展催生了多种新型、高效的技术来解决上述难题,而电子束辐照技术的发展,使其在污水处理方面表现出清洁、高效、无二次污染的巨大潜力,因此受到人们的关注。

  电子束处理工业废水技术中首先要用到的就是电子束辐照技术,该技术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。

  不过电子束看不见摸不着,是如何做到净化污水呢?

  我们知道化学反应的本质是化学键的断裂和组合,而被加速的电子束流则拥有很高的能量,对于污染物质浓度较低的废水(稀溶液),电子束流虽然不会与污染物质直接作用(几率很小),但它的能量却能作用于水分子,被水吸收。

  当这一能量超过水分子化学键的键能和分子的电离势能时,就会破坏化学键和分子的结合,从而分解生成较强的氧化物质,通过这些自由基、氧化物、离子来和水中的污染物质、细菌进行二次相互作用,就可以达到氧化分解和消毒的目的。

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  (水分子被高能电子束作用后分解)

  知道了反应基本过程,也就对电子束辐照技术的主要使用场景有了一定认知:降解有毒有害和难处理的有机污染物、去除无机重金属离子、消毒杀菌、辐照处理污水中固体成分(污泥)等。根据使用的场景不同,反应过程也会有些不同。

  对于有机物,比如苯胺以及苯等衍生物等,电子束辐照能够有效地将其分子结构破坏掉,从而达到降解的目的。对于污水中的无机污染物,电子束辐照的过程除了产生有氧化性物质,还会产生具有还原性的水合电子和氢原子,而且通过低含氧量的条件提高还原性物质的产量,可以有效地把金属离子(比如铅离子、汞离子)还原为金属单质沉淀出来,即使对于剧毒且稳定的络合氰化物(冶金行业的主要污染物质)也同样有效。

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  (电子束处理工业废水的技术优势)

  电子束辐照的杀菌消毒过程其实也很好理解,污水中虽然存在大量的细菌,但它们本质上还是有机物复合结构,高能离子能破环它们赖以生存的结构使其失活。

  而对于废水处理过程的副产物污泥而言,虽然它是固体,但其污染物质仍然还是有机物、细菌和重金属等,因而电子束辐照处理的方法仍然有效。

  相比于传统处理方法,电子束辐照不会引入新的不利物质,所以不会有二次污染,经过处理的污泥,由于含有大量的氮、磷、钾及腐殖质等物质,还可以作为农用肥料、土壤改良剂。

  当然,电子束污水处理技术也不是一招鲜吃遍天,水处理中没有哪种单个技术可以包打天下,电子束技术的重要性是对传统污水处理工艺的有益补充及升级,并不是完全替代传统技术,实际使用过程中还是需要与其他传统工艺以及前端处理结合。

  (三)用电子束技术处理废水,污染物降解仅需0.01秒

  由于电子束辐照技术的巨大优势,国外很早就开始研究如何将其大规模地应用于污水处理行业中,中国在这方面也走在世界先进行列。

  实际应用最主要考虑的是电子束流的能量和束流强度,因为它们决定了降解污染物时的作用效果。显然电子束流的能量越高,它在污水中的穿透力就越强,与污染物的作用就越充分。同时,电子束流的强度越大,则代表着有更多用于污染物降解的电子,对应的降解效率也就越高。

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  (电子束辐照加速器装置)

  想要保证电子束流的能量和束流强度,核心秘密就在于电子束辐照加速器装置,它由一套复杂的控制系统和对应的高精度的机械电子设备系统共同组成,包括:

  (1)电子枪(产生并发射电子的装置);

  (2)加速器主机(电子加速、输运装置、);

  (3)电子束流的引出及应用装置(束流扫描及引出装置);

  (4)控制系统部分。

  需要结合高真空、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、辐射防护等多个学科的技术。

  2017年3月,浙江省金华市建成国内首座电子束辐照处理印染废水示范项目,并顺利通过验收,这是当时国际上唯一在运行的同类装置,也标志着中国在这一技术的应用达到国际领先水平。

  2018年中国又新增了首个3万吨级以上电子束处理工业废水技术商业化应用项目,标志着这项技术在中国已经迈进大规模商业化应用阶段。

  不管是电子束辐照废水处理技术本身,还是核心的加速器装置,我们都取得了巨大突破。

  中国首个电子束辐照处理工业规模印染废水示范工程启动运行后,打破了污水处理低效“魔咒”,利用高压加速的电子束对污水进行照射,污染物降解的反应时间只需0.01秒。

  同时,电子束设备的寿命一般在20年以上,远高于其他仅3年、5年寿命的处理设备。

  电子束辐照技术的使用可以使每吨工业污水处理费用至少降低1.4元,图中的单台设备日处理污水5000吨,其一年可节省245万的治理费用。这对于附加值低、排放高的造纸纺织印染行业而言无疑是巨大的福音,可以说是解决了世界性难题。

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  (左:未处理废水;中:电子束辐照处理后;右:传统工艺处理后)

  当然,电子束处理污水属于核能技术的范畴,有些人可能会担忧其辐射和安全性问题。其实,上面已经说了该技术本身不会带来二次污染,同时技术安全性也很高。

  前面提到了其核心装置是电子加速器,并不是放射源,通过通断电就可以控制,和核电站是完全不一样的。即使有轻微的电离辐射,用装置内10公分厚的混凝土就可以有效地屏蔽。同时,处理完的水可以实现直排,不会产生放射性(电子束废水处理的能量阈值远低于使水产生放射性的10个兆电子伏特)。

  结语

  尽管中国在污水处理方面起步较晚,但是电子束辐照技术方面,中国已处于行业领跑地位。有机的结合电子束辐照处理技术与传统的水处理技术,形成新的组合工艺,或者对现有的水处理技术进行升级改造提标,都是中国污水处理弯道超车的机会。

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  编辑| 史文慧

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