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关于辐射技术应用于污水污泥处理的综述
作者：Wang Jianlong*,Wang Jiazhuo
环境技术实验室，核能与新能源技术研究院
清华大学，北京100084，中国
2006年7月15日收到，2007年1月5日收到修订后的形式，2007年1月5日接受
2007年1月12日在网上可以查询到
摘 要:在污水处理中污水污泥会产生不必要的残余固体废物，并且在今天对残余固体废物的管理是最重要的环境问题之一。污泥的处理和处置构成了相当大比例的污水处理厂运行成本。由于越来越多的冲模污泥和立法监管处置的刺激，现在需要开发新的技术来有效经济地处理污水污泥。一个理想的方法是在适当的治疗后回收。辐射技术被认为是一个有前途的、能够替代在病原体灭活效率高,有机污染物氧化、讨厌的气味消除和其他一些特性增强的技术,这将促进污泥处理和处置的开凿过程。现在在这里我们简要回顾辐射技术在污泥处理中的应用。一些现有的两个基本信息首先介绍了辐照系统和基本辐射化学,然后介绍了全球应用前景的技术综述，详细讨论了各种辐射对污泥的影响;最后给出了一些结论和一些未来的发展方向的建议。
关键词:辐射技术、污泥、消毒
1.介绍
污泥的处理和处置是今天最重要的环境问题之一。随着生活质量的提高，供水的需求也在日益增长。淡水在被人类用来维持生命以及机器制造之后会产生废水[1]。污水污泥是污水处理过程的不可避免的副产品。最常见的污水处理措施有针对去除污染物的涉及检查,主要沉积、生物处理、二次沉淀和消毒[2]。沉积前后的生物处理会产生污水污泥[3]。随着城市人口的增长,人类生活质量的改善和工业和农业的发展，污水污泥的产量已经达到惊人的程度[2]。据估计,在干重的基础上每人每年生成大约26公斤的污泥[4]。在韩国每天约4000吨湿污水污泥产生[5]。在美国,每年花费超过20亿美元用于治疗和管理约5-7百万干有机固体残余物通过超过13000个国有治疗工作岗位[6]。2005年，在中国,产生的污水污泥可以估计为350万吨(干燥重量)。
适当的治疗和处理污水污泥能够避免破坏环境，这是环境保护的一个重要有效的组成部分。市政污泥具有含水量比较高,拥有高负载的有机污染物和高含量的病原体以及相当浓度的重金属的特点。广义上来说，可以用重力浓缩处理,化学处理,厌氧消化、脱水和消毒来处理污水污泥,其次是最终处置,包括焚烧、堆肥、土地应用、垃圾填埋场、海洋倾倒等。
污水污泥的处理占据了相当大一部分的污水处理厂运行的总成本。污水污泥的处理和处置严重挑战了废水处理工业的发展和对环境的保护。越来越多的污水污泥处理会产生相对较高的成本,以及越来越严格的立法限制管理处置实践保证了需要开发一些具有成本效益的解决方案,这些方案可以显著解决当前污泥处理的目标,最好的考虑是实现实益的减少和消灭病原体后回收。
其中一个最有前途的替代能源是辐射处理。放射治疗的污水污泥有几个优点,例如：
- 它可以减少病原体到一个安全水平[2]
- 它能氧化有毒、有害有机污染物如杀虫剂、除草剂、多氯联苯等,将非生物降解的
物质转化为更容易降解的物质[4]
- 在辐照期间消除讨厌的气味也是可以达到的
- 它还可以提高脱水性能和生物降解性
- 这是一个相对简单、高效、可靠的污泥处理方法。
早期辐射技术应用到废物处理的研究是开始于1950年代的[4]。在过去的几十年里基于原理研究以及某些情况下的研究的大量的出版物已经出现了。然而,这个有前途的技术虽然吸引了研究者们的小小的兴趣,但是直到最近几年这个技术尚未被广泛接受，主要是由于政府的保守态度，他们不是很了解这种技术将带来的安全性问题。为了达到对电离辐射这种潜在应用技术在城市污水污泥的处理的更好的理解,这里简要回顾这个有前途的技术以及其应用的可能性。在这里简要介绍了污水污泥处理过程中的辐射技术的发展和基本原理。据实验室和全面研究报道，本文对这种技术在全球范围内的应用和结果进行了综述。辐射处理的影响也进行了较为详细的试验研究。最后,给出了一些结论和对未来的发展方向提出建议。
2.辐射技术用于污水污泥处理
2.1两个辐射系统
目前有两个选项可用于污水污泥的辐射处理。一个是伽马源,另一种是电子加速器。这两个被认为是等效并给定的辐射剂量。
Cs-137或Co-60可以有效地用于为伽马射线在污泥处理过程生成应用程序。Co-60是最常见的被运用于工业源的物质,这是由于非放射性Co-59暴露在一个核反应堆中子通量中[7]。Co-60通常是能更高效的发出两个伽马射线的能量兆电子伏,分别是1.17和1.33[6，8]。Co-60半衰期为5.26年。所以在长时间使用这些来源的20年里,只有6%的活动原来是留下了。然后留下的的残余物通常是应用于辐照器供应商的重用,回收或处置[8]。Co-60的稳定衰变是其主要缺点之一,所以使它最终取代放射性源是很有必要的。
另一个辐射源的选择是Cs-137以盐中海的形式。伴随着30年的半衰期它的辐射能量是0.66兆电子伏。中海是水溶性的,为了防止泄露或其他事故[7]它被限制了应用,因为它可能带来严重的问题。所以目前Co-60几乎完全用作工业用gamma;射线源[8]。
伽马射线可以穿透水和污泥,这保证了多层厚厚的淤泥的辐射效应。Co-60伽马射线的半值厚度(1.3兆电子伏)大约是在水中28厘米和在正常液体污泥中不少于25厘米,并且cs-137的半值厚度在水中是24厘米[7]。
对高能电子束而言,它是由电子束加速器在一个方向通过电场和磁场加速带电粒子。通常情况下,电子在真空系统中从阴极发出加速。然后他们通过薄金属窗口向目标前进[4]。机器的类型通常是根据电子束的能量范围分类。并且通过传统和相对低成本的机器加速电子的能量可以达到3兆电子伏[7]。线性加速器产生的高能电子通常更加昂贵和复杂。
电子的穿透能力在水里大约是3毫米/兆电子伏。因此,薄截面污泥通过电子束需要确保与加速电子的联系与目标。并且获得污水污泥的同质条件以及剂量分布在应用中起着重要的作用来加速电子束处理污水污泥。
加速电子束在伽马辐射中的一个主要优势是它缺乏放射性源,它大大简化了一些与安全有关的问题[6]。采用电子束加速器的另一个明显的优势是,与伽马辐射相比它可以瞬间开启和关闭从而促进控制,尤其是在紧急情况下或维护中。然而,它一直局限于一些应用治疗，由于伴随着穿透深度水媒体它的能量会快速损失，这是上面提到的。
2.2辐射化学
有两个基本概念在水辐射化学中至关重要。一是吸收剂量,它描述了在材料中暴露于电离辐射场的能量的数量。吸收剂量可以定义为正式吸收的能量数量除以材料辐照的质量。SI单位用于描述吸收剂量Gy。1 Gy相当于1 J/kg。
Gvalue是辐射化学中另外一个重要的概念,它衡量了放射化学产生指定的化学物种的数量在一个辐照物质生产每100 eV吸收于电离辐射的能量。
在水中,废水和污泥的主成分是水。因此,可以预见,电离辐射的影响可能是由辐射和水之间的相互作用产生的[6]。对于纯水而言,当暴露在电离辐射下,水辐解可以[9]提出如下方程:
H2O→[2.7]OH* [2.6]eaq- [0.6]H* [2.6]H3O [0.7]H2O2 [0.45]H2
如果我们考虑纯水,每个100 eV吸收水将导致2.7代的激进OH*,2.6 eaqminus;,0.6H*,2.6 H3O ,0.7过氧化氢分子和0.45 H2分子[4]。
在水介质中,氧化氢氧自由基OH*,正在减少的水化电子eaqminus;和氢自由基H*是主要的产品,都是高活性瞬态物种,当电离辐射在污水污泥的处理工作的时候，它能够负责各种各样的影响包括病原体的减少,以及有害有机污染物的氧化,目标污染物分子结构的破坏,讨厌的气味的消除以及各种特性改变,
3电离辐射在污泥处理中过程的历史，发展以及在世界范围内的应用
电离辐射是任意的几种类型的粒子和射线的放射性物质,核反应,辐射生产机器。它有足够高的能量来打破债券和电离原子,但是没有足够高的能量来影响原子核的结构,它避免了感应的放射性辐射产品。有如此高的能量的辐射被称为电离辐射,包括伽马射线、高能电子和产生于高能电子的x射线[8]。
电离从地球创造以来辐射就一直存在了。但是在1890年代,威廉伦琴发现了神奇的x射线,只有天然的来源来自于宇宙的辐射和放射性物质来源。
3.1伽马辐射
对于环境电离辐射的应用而言,劳等[20]进行了最早的研究，他们将辐射技术应用于废水净化中使用来实现对Co-60gamma;辐照器的实际污水消毒。辐照源在1960年代变得可能,电离辐射用于治疗应用在环境中的水，废水和污水污泥得到了集中研究[4]。
第一个辐照器的是安装在Geiselbullach处理厂[7]用于污水污泥的消毒,它在德国慕尼黑以东10公里。有一个内置的中央照射轴管建于地下。辐射来源有一个圆柱形式(直径30毫米,长度300毫米)。每个包含钴-60的 30小匾,双重封装,最初活动约18000词。每2或3年安装有额外的来源[7]。
辐照器是在一个批量处理模式中操作的,伴随3 kGy的吸收剂量治疗大约5.6立方米的污泥。对于辐照,它包含有4%的污泥固体流动的筒仓照射轴,它也进入了管道的连接。为了提供一个同质的剂量分布,污泥和循环泵进行了混合。在预定时间内,这取决于放射性安装和所需的剂量,污泥被疏散抽出。分批的操作一天自动运行24小时。所有的泵、阀门、指标和控制设备坐落在永久访问泵轴或建筑地面,所以在任何时候服务和检查都有可能出现,不需要特别的安全措施[7]。不幸的是,在1993年的春天为了停止主要操作核电站的操作,当时在德国新规定不允许进一步使用污水污泥用在草原和饲料生产领域。因为只有这些地区需要消毒的污水污泥,治疗不再是必要的,所以就决定停止辐照装置的操作[7]。但20年的操作经验是非常重要和宝贵的，世界各地的研究人员对这个领域都是很感兴趣的。
一个植物治疗脱水和堆肥污泥的试点和示范,也与其他固体废物混合,在1979年它被建造和委托了,在阿尔伯克基的桑迪亚国家实验室,美国纳米[7]。使用的辐射源是有着1000000 Ci的Cs-137最大活动。设计能力是8吨干污泥干固体(大约50%)每天需要10 kGy的剂量。但工厂的操作会由于一些不明原因停止。
一个使用伽马源展示适当的辐射技术设施在治疗整个城市的传统的污水处理厂的污泥产生建立了同位素巴巴原子能研究中心的部门会同巴罗达大学硕士古吉拉特邦供水和排水板和巴罗达市政公司,印度[2]。使用500000 Ci的伽马源Co-60 最大活动和设计的最大处理能力为110立方米/天[2]。城市污水处理厂包含一个删除室，其次是初级沉淀池、滴滤池、二次沉淀池和厌氧消化池。辐照装置位于结束过程的通道。辐照污泥被释放到干燥床上晒干[10]的。污泥初级沉淀池在巩固了之后,然后收集辐照过程进行。自1992年的调试以来,设备在日常操作和工作还是很顺利的[10,2]。结果表明,一定剂量的2 kGy对消毒未经处理的污水污泥来说是足够的。
3.2电子束
电子束还没有如此广泛应用于污水污泥处理。但仍有一些实验室研究以及一些示范项目。然而,大多数人只在他们退役之前干了好几年而已。
在美国有两个电子加速器曾经用于处理城市污水污泥,一个是在波士顿，另外一个在迈阿密[7]。之前建成的污水污泥处理的试点和示范项目在1976年的波士顿的鹿土地污水处理厂。麻省理工学院完成了设计和监督。据报道,容量是400立方米/天。但调查是在实验室进行的,项目于1984年退役前没有扩大研究。后者污水处理厂建于1981-1983年在弗吉尼亚州键,迈阿密,FL。使用加速器的功率75千瓦(1.5兆电子伏,50 mA),允许每日产能645立方米的剂量4 kGy的[7]。
有一些关于加速的应用电子束在污水污泥的处理的报告来自德国,澳大利亚和日本[7]。但正如刚才提到的,大多数人只有2-4年的研究经验。尽管有相当多的关于污水处理的报告出现了,并且一些建造在世界各地工业规模的污水处理厂使用加速电子束,但是目前为止还没有全面的使用植物加速器处理污水污泥的技术出现。
4.各种辐照对污水污泥的影响
4.1辐射对病原体
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