核辐照技术


1、基本原理与辐照类型

1.1基本原理

当辐射能超过一般化学键的键能和分子的电离势时,就足以破坏化学键和分子的结合能。当这些辐射能作用于废水时,废水便进行辐射分解而生成强的氧化物质(如OH·、H2O· 、H2O2、O2·等),这些氧化物质与水中的污染物质、细菌相互作用,使之达到氧化分解和消毒目的。辐照处理废水的机制如下:

对pH=7的纯水来说,其辐照初级产物及产额G(当吸收100eV的电子束辐照能量时形成或分解的自由基、原子、离子或分子的数目)如表1所示。

此外,通过改变污水中的氧气浓度、pH、微量添加物(催化剂)等辐照反应的条件,可以调控辐照产物的产额,使反应向着所需要的方向进行。

1.2特点

核辐照处理废水特点:无需化学试剂、不产生二次固体废物、有机污染物分解成CO2和H2O、节省能源;不足之处是电子束与水作用产生的自由基与污染物质反应的选择性差,并且易受自由基消耗剂的影响。

1.3辐照类型

1.3.1同位素辐照

Co60Cs137是目前最常用的同位素辐照源,装置最好安装在地下,这样可保证运行安全。Co60的半衰期较短(5.3a,需经常补充Co源才能保持辐照强度,Cs137虽然半衰期长(30a),但是它的射线能量较弱,辐照废水时其穿透能力较低。

1.3.2电子束辐照

它是由电子加速器加速出来的高能电子束的一种辐照装置,它能保证辐射源有高的功率,从而保持设备的高处理能力。

2、电子束辐照技术

目前国际上唯一在运行的核辐照(电子束辐照)处理废水装置,应用在浙江省金华市浦江县恒昌集团,该项目于2017年3月建成。本文主要介绍电子束辐照处理废水相关内容,第3章节介绍恒昌集团案例。

2.1定义

是指利用被加速的电子束流轰击或照射被处理对象,使其发生在常规方法下难以引发的物理化学及生物学反应,从而达到净化废水目的。相比于传统废水处理方法,电子束辐照技术的长处在于处理难降解有机废水、抗生素废水、含致病菌废水等。

2.2安全性

电子束处理工业废水技术属于核技术应用范畴,电子束处理工业废水是否有放射性,可分为两个问题。首先是处理设施,也即电子加速器是否会产生辐射。由于不使用放射性核素,电子加速器通过电源控制开启和关闭,断电后不产生任何辐射。运行过程中产生的电离辐射,只需要10cm的混凝土结构就可以完全屏蔽。另外,电子加速器的安全联锁设计,可及时、快速断电,实施保护措施。

此外,电子束辐射装置在全球范围内的工业生产、科学研究中已广泛应用,有现行的防护和运行法规,且拥有成熟的经验可供借鉴。电子束处理工业废水技术在处理废水的过程中,不会产生和排放有毒害副产物,不会对周边居民的环境与生活造成不良影响。

至于废水经辐照后的安全性,要使物质产生放射性,必须有一个能量阈值。高能电子束只能作用于外存电子,而作用不到原子核,所以不会产生感生放射性(感生放射性是指原本稳定的材料因为接受了特殊的辐射而产生的放射性。)“废水中的基本元素包括氢、氮、氧、碳、硫等,要产生感生放射性,辐射源的能量至少大于10MeV,而目前电子束辐照中使用的辐射源能量仅为1到2MeV。因此废水经过电子束处理后的出水是安全的。”

3、案例介绍

3.1项目概括

恒昌集团为印染企业,每天产生印染废水6000-9000立方米,原有环保设施采用传统的生物处理工艺,末端经臭氧脱色后间接排放至市政污水管网。示范工程建成后,废水经生物处理后再采用电子束辐照深度处理,设计规模为2000立方米/天,改造后工艺流程见图3.1。

印染废水具有污染物浓度高、种类多、含有毒有害成分及色度高等特点,利用加速后的电子束流对污水进行辐照,可以使水中的污染物发生分解或降解、有害微生物发生变性等,从而达到消毒净化废水的目的。

图3.1 电子束辐照处理工艺图

3.2处理效果

该示范项目处理效果显著:出水COD在60mg/L以内,色度10倍以下,不返色,无二次污染,出水水质稳定。


原工艺处理后水样与辐照处理后水样对比

3.3处理设备

电子束辐照处理废水技术主要设备为电子加速器。




3.4配套工程

配套工程主要为电子加速器厂房、屏蔽、电气等工程建设。

3.4反应时间

废水在电子束下停留时间仅约0.01秒。

3.5占地面积

设计规模为2000立方米/天(最大处理规模为5000立方米/天),设备占地约200平方米。

3.6投资

投资约1300元/立方米.天(处理污水量)。

3.7运行成本

以浦江的示范工程为例,企业的原处理工艺是在生化处理后,出水采用混凝沉淀加臭氧氧化,只能达到接入城市污水处理厂的纳管标准。现在采用电子束辐照加混凝沉淀处理工艺,出水水质能够达到直接排放标准要求。如实现直接排放,与原工艺相比较,每吨废水处理费用可节省约1.4元。

3.8使用寿命:

传统污水处理设备一般3~5年需更换维修,电子束设备使用寿命可达20年以上。

4、结论及市场预测

4.1结论

没有包打天下的水处理技术,电子束辐照技术并不是替代传统水处理技术,而是对传统污水处理技术和工艺的有益补充及升级,将传统工艺与电子束技术相结合,可满足技术可行性和经济可行性的要求。

在环保标准不断提高的情况下,传统技术很难满足排放要求,电子束辐照处理技术的优点在于处理效率高、出水水质稳定且设计灵活,可控性能好。

电子束辐照处理技术突破了当前难降解废水处理的技术瓶颈,一旦实现大规模产业化,可大幅度提高中国工业废水治理水平。该技术结合生物技术深度处理工业废水工艺,成本更低,净化程度更高,可实现废水的高标准排放或者中水回用。而且,针对难降解有机物质具有其他技术难以比拟的优势,有望解决难降解废水处理“世界性难题”。

4.2市场预测

国内趋于严苛的环保标准,为工业废水治理提出了新要求,也催生了庞大的市场需求。以2014年中国工业废水排放量205.3亿吨计算,每天排放超过5600万吨,每套电子束辐照装置处理能力5000吨/天,按照5%的工业废水采用电子束辐照技术处理计算,需要电子束辐照装置600套,对应市场规模近100亿元。


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