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颠覆性新技术:利用电子束处理污水

2023-10-16 17:25:16

来源:IWA全球水行业动态

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[摘要] 传统的污水处理侧重于以防止疾病传播和避免污染。然而,人口的增加、工业的扩张、以及水资源的严重短缺,促使公用事业部门采取更加务实的方法来管理污水,并将其视为再生水、能源基质和营养物质的机会。这一目标正在推动创新和采用全球适用、经济上可持续和高度可扩展的新技术。

 

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传统的污水处理侧重于以防止疾病传播和避免污染。然而,人口的增加、工业的扩张、以及水资源的严重短缺,促使公用事业部门采取更加务实的方法来管理污水,并将其视为再生水、能源基质和营养物质的机会。这一目标正在推动创新和采用全球适用、经济上可持续和高度可扩展的新技术。

迄今为止,能够使污水处理受益的一种潜在技术一直与制药业有关。电离辐射技术采用伽马射线(gamma)、电子束(eBeam)或 X 射线技术来创建基质,可以处理微生物和污染物,如多氯联苯 (PCB)、全氟和多氟化合物 (PFAS) 以及三氯乙烯 (TCE),甚至可以有效处理痕量污染物(百万分之一或十亿分之一)。电离是如此高效,以至于曾经被认为是难降解的有机分子现在也能被极低剂量的电离所破坏降解。

电离技术为何被忽视?

在环境应用中使用伽马辐照技术并不新鲜。早在 20 世纪 50 年代,就有报道强调了这项技术对各种污水的价值(Lowe 等人,1956 年;Praveen 等人,2013 年;Chmielewski 和 Han,2017 年;Wang 等人,2022 年)。美国、德国、日本、波兰、加拿大、印度、中国、奥地利和前捷克斯洛伐克等多个国家已在实验室和中试规模进行了尝试。表 1 列出了试验规模和全面规模的伽马射线和电子束项目。

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环保行业忽视这项强大技术的原因之一,可能是因为最初的技术是使用放射性钴-60 产生伽马射线作为电离辐射源。然而,时代已经变了。今天,当世界上提到电离辐射技术时,主要指的是电子束技术。这项技术在坚固性和可靠性方面取得了多项进步,目前已被常规用于医疗设备的消毒。

-60 的使用已超过 65 年,挽救了数百万人的生命,并为医药、农业和工业等部门带来了经济效益。然而,在污水处理厂中使用放射性同位素的安全问题以及获取放射性同位素钴-60 的经济性问题,使得这项技术在世界许多地方的环保产业中难以为继。

一些国际机构资助了用于销毁有机污染物(如微生物病原体和人造有机污染物)的电离技术研究。在美国,水环境研究基金会(WERF)、战略环境研究与发展计划(SERDP)和环境保护局(EPA)资助了大量研究,以证明电子束技术在销毁固体基质和液体介质(包括土壤、污水、污泥和地下水)中的全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)方面的实用性。一些出版物强调了电子束技术降解全氟辛烷磺酸的机理和用途,包括美国能源部发布的一份综合研讨会报告,详细介绍了满足环境部门需求所需的设备技术规格。

电子束可由现成的商用设备产生,这些设备被称为电子加速器。加速器有多种类型,如 Dynamitrons、Rhodotrons 和直线加速器,这些设备有北美、欧洲和亚洲制造商生产。不同设备的特点是所能产生的电子能量不同,系统功率也不同。电子能量(以百万电子伏特为单位)决定了电子束穿透水/污泥的深度,而电子束功率(千瓦)决定了系统的吞吐量,应用参数剂量(以千格拉为单位)则表示沉积的能量。电子束技术并不新鲜。它正迅速成为医疗设备灭菌、食品巴氏杀菌和农产品跨境植物检疫处理的首选技术。

电子束技术不仅是一种高效的消毒和环境污染修复技术,而且研究表明,它可以成为水和废水处理行业中替代几种常用技术的颠覆性技术,如紫外线消毒、臭氧消毒以及可能的污泥热水解。在韩国进行的研究表明,即使使用 6 千戈的极低剂量,甲烷的产生量也达到了 231 立方米/天,而消化停留时间仅为 10 天。由此产生的污泥粘度降低,脱水效果可能得到改善。初步研究表明,使用 100 千瓦 eBeam 系统(包括中温好氧消化池 (MAD))的 1 亿加仑/日处理厂的每干吨总成本约为 293 美元。要真正确定 eBeam 技术与热水解技术相比的成本效益,还需要进行详细的比较研究。

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图:电子束废水处理系统的数字效果图 (来源:清华大学 王建龙)

尽管有大量的经验数据证明了电子束技术的经济价值和技术效果,但目前还没有超大规模的处理设施采用这种技术。除了中国有用于处理工业废水和医院废水的电子束处理厂之外,西方国家没有任何正在运行的电子束处理设施。造成这种情况的原因可能有几个,其中最重要的是环保界很少采用自己不熟悉的技术。这种不熟悉可能是由于在本科生和研究生课程中缺乏对该技术的接触。我们需要共同努力,在环境工程界推广这项技术。全球都在强调可持续技术,以实现可持续发展目标,这就要求环境界更好地了解如何利用这项技术来利用电子,为未来的世界提供清洁和动力。

作者:

本文作者Suresh D Pillai 是美国德克萨斯农工大学食品科学与技术系分子微生物学教授兼国家电子束研究中心主任;Andrzej G Chmielewski 是波兰华沙核化学与技术研究所所长;王建龙是中国清华大学核能与新能源技术研究院副院长。

电子束技术:

电子束技术与伽马射线技术的主要区别在于,电子束技术不依赖放射性同位素。相反,它使用电力在工业规模的 "电子加速器 "中将电子的能量提高到 1000 万电子伏特(10 MeV)。这些高能电子对水分子的辐射分解极为有效。水自由基阳离子(H2O-+)和预水合电子(e-水合)的形成是水的主要辐射分解过程。这两个反应都以大约 10-16 秒的速度进行。自由基阳离子很快(约 10-14 秒)失去一个质子,与邻近的水分子形成羟基自由基,反应过程如下 H2O-+ + H2O g-OH + H3O。羟基自由基(-OH)的反应性极强,是该技术许多有益特性的来源。-OH 和电子水(e-aqueous)的相对含量取决于水介质的 pH 值。在碱性条件下,电子水往往占主导地位,而在中性或酸性条件下,-OH 占主导地位。总的来说,水的辐射分解可以表示为 e-(电子)+ H2O g[2.6] eaq- +[0.55]H-+[2.7] H3 O+ +[0.7] H2O2+[2.6]HO-+[0.55] H2,其中括号内的数值代表 G 值(吸收 100 kV 能量产生的物质数量)。

电子束技术改变了传统的模式,因为它使用普通电力,在不添加任何化学物质的情况下同时产生还原和氧化过程。这些强大的氧化还原反应几乎是瞬间发生的,可以说是一种高级氧化还原过程。除活性物种外,高能电子还能对 DNA、RNA 和有机污染物分子等有机分子造成直接损害。因此,无论是直接机制还是间接机制,都使这项技术极为有效和省时。

英文原文:

https://www.thesourcemagazine.org/harnessing-electrons-seizing-the-potential-of-transferable-technology/

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