核輻照技術


1、基本原理與輻照類型

1.1基本原理

當輻射能超過一般化學鍵的鍵能和分子的電離勢時,就足以破壞化學鍵和分子的結合能。當這些輻射能作用于廢水時,廢水便進行輻射分解而生成強的氧化物質(如OH·、H2O· 、H2O2、O2·等),這些氧化物質與水中的污染物質、細菌相互作用,使之達到氧化分解和消毒目的。輻照處理廢水的機制如下:

對pH=7的純水來說,其輻照初級産物及産額G(當吸收100eV的電子束輻照能量時形成或分解的自由基、原子、離子或分子的數目)如表1所示。

此外,通過改變污水中的氧氣濃度、pH、微量添加物(催化劑)等輻照反應的條件,可以調控輻照産物的産額,使反應向着所需要的方向進行。

1.2特點

核輻照處理廢水特點:無需化學試劑、不産生二次固體廢物、有機污染物分解成CO2和H2O、節省能源;不足之處是電子束與水作用産生的自由基與污染物質反應的選擇性差,并且易受自由基消耗劑的影響。

1.3輻照類型

1.3.1同位素輻照

Co60Cs137是目前最常用的同位素輻照源,裝置最好安裝在地下,這樣可保證運行安全。Co60的半衰期較短(5.3a,需經常補充Co源才能保持輻照強度,Cs137雖然半衰期長(30a),但是它的射線能量較弱,輻照廢水時其穿透能力較低。

1.3.2電子束輻照

它是由電子加速器加速出來的高能電子束的一種輻照裝置,它能保證輻射源有高的功率,從而保持設備的高處理能力。

2、電子束輻照技術

目前國際上唯一在運行的核輻照(電子束輻照)處理廢水裝置,應用在浙江省金華市浦江縣恒昌集團,該項目于2017年3月建成。本文主要介紹電子束輻照處理廢水相關内容,第3章節介紹恒昌集團案例。

2.1定義

是指利用被加速的電子束流轟擊或照射被處理對象,使其發生在常規方法下難以引發的物理化學及生物學反應,從而達到淨化廢水目的。相比于傳統廢水處理方法,電子束輻照技術的長處在于處理難降解有機廢水、抗生素廢水、含緻病菌廢水等。

2.2安全性

電子束處理工業廢水技術屬于核技術應用範疇,電子束處理工業廢水是否有放射性,可分為兩個問題。首先是處理設施,也即電子加速器是否會産生輻射。由于不使用放射性核素,電子加速器通過電源控制開啟和關閉,斷電後不産生任何輻射。運行過程中産生的電離輻射,隻需要10cm的混凝土結構就可以完全屏蔽。另外,電子加速器的安全聯鎖設計,可及時、快速斷電,實施保護措施。

此外,電子束輻射裝置在全球範圍内的工業生産、科學研究中已廣泛應用,有現行的防護和運行法規,且擁有成熟的經驗可供借鑒。電子束處理工業廢水技術在處理廢水的過程中,不會産生和排放有毒害副産物,不會對周邊居民的環境與生活造成不良影響。

至于廢水經輻照後的安全性,要使物質産生放射性,必須有一個能量阈值。高能電子束隻能作用于外存電子,而作用不到原子核,所以不會産生感生放射性(感生放射性是指原本穩定的材料因為接受了特殊的輻射而産生的放射性。)“廢水中的基本元素包括氫、氮、氧、碳、硫等,要産生感生放射性,輻射源的能量至少大于10MeV,而目前電子束輻照中使用的輻射源能量僅為1到2MeV。因此廢水經過電子束處理後的出水是安全的。”

3、案例介紹

3.1項目概括

恒昌集團為印染企業,每天産生印染廢水6000-9000立方米,原有環保設施采用傳統的生物處理工藝,末端經臭氧脫色後間接排放至市政污水管網。示範工程建成後,廢水經生物處理後再采用電子束輻照深度處理,設計規模為2000立方米/天,改造後工藝流程見圖3.1。

印染廢水具有污染物濃度高、種類多、含有毒有害成分及色度高等特點,利用加速後的電子束流對污水進行輻照,可以使水中的污染物發生分解或降解、有害微生物發生變性等,從而達到消毒淨化廢水的目的。

圖3.1 電子束輻照處理工藝圖

3.2處理效果

該示範項目處理效果顯著:出水COD在60mg/L以内,色度10倍以下,不返色,無二次污染,出水水質穩定。


原工藝處理後水樣與輻照處理後水樣對比

3.3處理設備

電子束輻照處理廢水技術主要設備為電子加速器。




3.4配套工程

配套工程主要為電子加速器廠房、屏蔽、電氣等工程建設。

3.4反應時間

廢水在電子束下停留時間僅約0.01秒。

3.5占地面積

設計規模為2000立方米/天(最大處理規模為5000立方米/天),設備占地約200平方米。

3.6投資

投資約1300元/立方米.天(處理污水量)。

3.7運行成本

以浦江的示範工程為例,企業的原處理工藝是在生化處理後,出水采用混凝沉澱加臭氧氧化,隻能達到接入城市污水處理廠的納管标準。現在采用電子束輻照加混凝沉澱處理工藝,出水水質能夠達到直接排放标準要求。如實現直接排放,與原工藝相比較,每噸廢水處理費用可節省約1.4元。

3.8使用壽命:

傳統污水處理設備一般3~5年需更換維修,電子束設備使用壽命可達20年以上。

4、結論及市場預測

4.1結論

沒有包打天下的水處理技術,電子束輻照技術并不是替代傳統水處理技術,而是對傳統污水處理技術和工藝的有益補充及升級,将傳統工藝與電子束技術相結合,可滿足技術可行性和經濟可行性的要求。

在環保标準不斷提高的情況下,傳統技術很難滿足排放要求,電子束輻照處理技術的優點在于處理效率高、出水水質穩定且設計靈活,可控性能好。

電子束輻照處理技術突破了當前難降解廢水處理的技術瓶頸,一旦實現大規模産業化,可大幅度提高中國工業廢水治理水平。該技術結合生物技術深度處理工業廢水工藝,成本更低,淨化程度更高,可實現廢水的高标準排放或者中水回用。而且,針對難降解有機物質具有其他技術難以比拟的優勢,有望解決難降解廢水處理“世界性難題”。

4.2市場預測

國内趨于嚴苛的環保标準,為工業廢水治理提出了新要求,也催生了龐大的市場需求。以2014年中國工業廢水排放量205.3億噸計算,每天排放超過5600萬噸,每套電子束輻照裝置處理能力5000噸/天,按照5%的工業廢水采用電子束輻照技術處理計算,需要電子束輻照裝置600套,對應市場規模近100億元。


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