微波技術在污水處理中的應用

譚艷來， 黃力彥， 羅曉棟， 李詩瑤， 姚 創， 岳建雄

(廣東省工程技術研究所，廣東省水環境污染控制重點實驗室，廣東廣州 510440)

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微波技術在污水處理中的應用

譚艷來， 黃力彥， 羅曉棟， 李詩瑤， 姚 創， 岳建雄

(廣東省工程技術研究所，廣東省水環境污染控制重點實驗室，廣東廣州 510440)

針對污水及污泥處理行業研究及應用的一些微波水處理設備，從微波穿透深度上，對方形水池循環式、圓形水罐攪拌式及管道式3種微波水處理內部結構進行優劣比較，并提出了改進建議。

微波；穿透深度；微波水處理設備；污水處理

隨著我國污水處理行業的快速發展，微波技術在環保水處理行業的研究與應用成為熱點，目前已開發出多種微波水處理設備。部分微波水處理設備研究及應用結果顯示，微波水處理設備的處理量為1～10 000 m3，處理后能夠實現達標排放，并具有能耗低、占地小、設備維護方便、運行穩定等特點。筆者結合國內同行研究成果，針對微波水處理設備設計忽略微波穿透力的問題，提出了改進建議，以期為利用微波技術進行污水處理及污泥處理的研究提供參考。

1 微波技術的發展

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宣布波導傳輸試驗成功，奠定了微波技術的理論基礎[1]。1941年初，厘米波脈沖雷達在美國誕生，標志著微波技術工業化應用的開始。1946年微波應用于射天文學、微波波普學、量子電子學、微波能利用及微波醫學等方面。1964年，微波應用于衛星通信及衛星廣播領域。1973年，我國成功研制915和2 450 MHz 2個頻率磁控管(微波管)，供工業化生產使用，最早應用的領域是醫療和家用電器，使用的微波管頻率為2 450 MHz。

經過幾十年的發展，微波技術已廣泛應用于軍工、通信、醫學、化學、化工、食品、皮革、環保等領域，促進了工業的快速發展，同時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內部的能力[2]。電磁波從介質表面進入并在其內部傳播時，由于能量不斷被吸收并轉化為熱能，其所攜帶的能量就隨著深入介質表面的距離，以指數形式衰減。由于不同介質對微波能的吸收衰減能力不同，衰減狀態決定著微波對介質的穿透能力。

以民用工業中常用的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行試驗，結果表明，平均穿透深度為8.7 mm，驗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果。由此可以看出，微波在水體中的穿透深度遠小于在空氣中的穿透深度；微波在含顆粒物及溶解性有機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不同，而介質對微波能的吸收衰減能力不同，造成微波在不同介質中的穿透能力不同。

由以上可知，利用微波輻射進行污水處理，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廢水，由于廢水含顆粒物及溶解性物質的原因，其穿透深度會逐漸減小。因此，利用微波對污水進行處理時，微波的穿透深度應不大于2.16 cm。

3 微波水處理設備的結構

目前，部分企業有微波水處理設備，主要為微波設備生產商及環保水處理企業。據了解，相關微波水處理設備內部污水水池或水罐的結構方式大概有以下3種：

(1)箱式水池循環式。箱式水池循環式的設備構造包括內置箱式水池、外部微波發射及控制裝置、循環水泵及進出水口等。從結構設計上看，按照箱式水池的體積，微波輻射穿透深度遠低于箱式水池中心的距離，水體的反應存在不均勻性。雖然增加了循環水泵，能夠提高反應體系的均勻性，但是由于箱式水池本身實際的缺陷，難以達到較好的處理效果。

(2)圓形水罐攪拌式。圓形水罐攪拌式的設備構造包括內置圓形水罐、外部微波發射及控制裝置、攪拌裝置及進出水口等。從結構設計上看，按照圓形水罐的體積，微波輻射穿透深度遠低于箱式水池中心的距離，水體的反應也存在不均勻性。雖然增加了攪拌裝置，能夠一定程度上提高反應體系的均勻性，但同樣存在設計上的問題，仍難以達到較好的處理效果。

(3)管道式。管道式的設備構造包括內置方形罐體、罐體內置水管、罐體外部微波發射及控制裝置、通風散熱裝置、溫控裝置及進出水口等。從結構設計上看，如果采用的水管管徑小于DN50,微波輻射穿透深度能夠到達水管的中心，實現有效的全面輻射；若管徑大于DN50,存在穿透深度不夠的問題。

就以上3種結構的微波水處理設備，從穿透深度上分析，箱式水池循環式和圓形水罐攪拌式的穿透深度小，雖然都增加了相應設備提高其均勻性，但效果有限；管道式的穿透深度能夠輻射到中心位置，實現全面輻射，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備中內部水體結構較好的方式之一。

4 存在的問題及解決措施

微波水處理設備在研究及應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，將導致部分水體不能吸收微波能，反應體系的能量分布不均，影響反應速率。②輻射時間對處理效果的影響。微波對水體的輻射時間決定了水分子吸收微波能的大小。時間越長，吸收微波能越多，反應越劇烈，處理效果越好；反之，處理效果差。③散熱方式對設備運行穩定性的影響。微波發射及輔助裝置在運行過程中會產生大量熱量，如果沒有合適的散熱方式及時降低設備運行中的溫度，將會引發溫度報警裝置切斷電源停止工作，造成設備運行不連續。

針對以上問題，在微波水處理設備的設計上，提出以下改進措施：①設備的反應水體設置成管道式，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間，提高微波能的利用率。②設備的內罐設置為長方體，四周布置微波發射裝置，提高微波輻射的均勻性。③增加設備運行溫度的散熱冷卻方式，常用的有風冷、水冷和油冷3種方式，可以根據設備的大小選擇合適的散熱冷卻方式。

5 小結

通過對箱式水池循環式、圓形水罐攪拌式、管道式3種微波水處理設備內部水池結構的分析，從微波的穿透深度出發，指出微波輻射不能到達設備水池中心位置導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，對現有的微波水處理設備進行改進，以達到更好的處理效果。微波應用于污水處理行業是一種新技術的嘗試，應用前景廣闊。

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

[2] 呂春敏,嚴蓮荷,王劍虹，等.光、微波、熱催化氧化效果的比較[J].工業水處理,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].過程工程學報,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(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廢水處理技術研究。

2016-08-19

S 181；X 52

A

0517-6611(2016)31-0088-01