顛覆性新技術(shù)：利用電子束處理污水 原創(chuàng) - IWA全球水行業(yè)動(dòng)態(tài) 2023-10-02 06:57 發(fā)表于英國 圖片 傳統(tǒng)的污水處理側(cè)重于以防止疾病傳播和避免污染。然而，人口的增加、工業(yè)的擴(kuò)張、以
核心提示：顛覆性新技術(shù)：利用電子束處理污水
原創(chuàng) - IWA全球水行業(yè)動(dòng)態(tài) 2023-10-02 06:57 發(fā)表于英國
圖片
傳統(tǒng)的污水處理側(cè)重于以防止疾病傳播和避免污染。然而，人口的增加、工業(yè)的擴(kuò)張、以及水資源的嚴(yán)重短缺，促使公用事業(yè)部門采取更加務(wù)實(shí)的方法來管理污水，并將其視為再生水、能源基質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)會(huì)。這一目標(biāo)正在推動(dòng)創(chuàng)新和采用全球適用、經(jīng)濟(jì)上可持續(xù)和高度可擴(kuò)展的新技術(shù)。
迄今為止，能夠使污水處理受益的一種潛在技術(shù)一直與制藥業(yè)有關(guān)。電離輻射技術(shù)采用伽馬射線（gamma）、電子束（eBea
傳統(tǒng)的污水處理側(cè)重于以防止疾病傳播和避免污染。然而，人口的增加、工業(yè)的擴(kuò)張、以及水資源的嚴(yán)重短缺，促使公用事業(yè)部門采取更加務(wù)實(shí)的方法來管理污水，并將其視為再生水、能源基質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)會(huì)。這一目標(biāo)正在推動(dòng)創(chuàng)新和采用全球適用、經(jīng)濟(jì)上可持續(xù)和高度可擴(kuò)展的新技術(shù)。迄今為止，能夠使污水處理受益的一種潛在技術(shù)一直與制藥業(yè)有關(guān)。電離輻射技術(shù)采用伽馬射線（gamma）、電子束（eBeam）或 X 射線技術(shù)來創(chuàng)建基質(zhì)，可以處理微生物和污染物，如多氯聯(lián)苯 (PCB)、全氟和多氟化合物 (PFAS) 以及三氯乙烯 (TCE)，甚至可以有效處理痕量污染物（百萬分之一或十億分之一）。電離是如此高效，以至于曾經(jīng)被認(rèn)為是難降解的有機(jī)分子現(xiàn)在也能被極低劑量的電離所破壞降解。在環(huán)境應(yīng)用中使用伽馬輻照技術(shù)并不新鮮。早在 20 世紀(jì) 50 年代，就有報(bào)道強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)技術(shù)對(duì)各種污水的價(jià)值（Lowe 等人，1956 年；Praveen 等人，2013 年；Chmielewski 和 Han，2017 年；Wang 等人，2022 年）。美國、德國、日本、波蘭、加拿大、印度、中國、奧地利和前捷克斯洛伐克等多個(gè)國家已在實(shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模進(jìn)行了嘗試。表 1 列出了試驗(yàn)規(guī)模和全面規(guī)模的伽馬射線和電子束項(xiàng)目。環(huán)保行業(yè)忽視這項(xiàng)強(qiáng)大技術(shù)的原因之一，可能是因?yàn)樽畛醯募夹g(shù)是使用放射性鈷-60 產(chǎn)生伽馬射線作為電離輻射源。然而，時(shí)代已經(jīng)變了。今天，當(dāng)世界上提到電離輻射技術(shù)時(shí)，主要指的是電子束技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)在堅(jiān)固性和可靠性方面取得了多項(xiàng)進(jìn)步，目前已被常規(guī)用于醫(yī)療設(shè)備的消毒。鈷-60 的使用已超過 65 年，挽救了數(shù)百萬人的生命，并為醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等部門帶來了經(jīng)濟(jì)效益。然而，在污水處理廠中使用放射性同位素的安全問題以及獲取放射性同位素鈷-60 的經(jīng)濟(jì)性問題，使得這項(xiàng)技術(shù)在世界許多地方的環(huán)保產(chǎn)業(yè)中難以為繼。一些國際機(jī)構(gòu)資助了用于銷毀有機(jī)污染物（如微生物病原體和人造有機(jī)污染物）的電離技術(shù)研究。在美國，水環(huán)境研究基金會(huì)（WERF）、戰(zhàn)略環(huán)境研究與發(fā)展計(jì)劃（SERDP）和環(huán)境保護(hù)局（EPA）資助了大量研究，以證明電子束技術(shù)在銷毀固體基質(zhì)和液體介質(zhì)（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）方面的實(shí)用性。一些出版物強(qiáng)調(diào)了電子束技術(shù)降解全氟辛烷磺酸的機(jī)理和用途，包括美國能源部發(fā)布的一份綜合研討會(huì)報(bào)告，詳細(xì)介紹了滿足環(huán)境部門需求所需的設(shè)備技術(shù)規(guī)格。電子束可由現(xiàn)成的商用設(shè)備產(chǎn)生，這些設(shè)備被稱為電子加速器。加速器有多種類型，如 Dynamitrons、Rhodotrons 和直線加速器，這些設(shè)備有北美、歐洲和亞洲制造商生產(chǎn)。不同設(shè)備的特點(diǎn)是所能產(chǎn)生的電子能量不同，系統(tǒng)功率也不同。電子能量（以百萬電子伏特為單位）決定了電子束穿透水/污泥的深度，而電子束功率（千瓦）決定了系統(tǒng)的吞吐量，應(yīng)用參數(shù)劑量（以千格拉為單位）則表示沉積的能量。電子束技術(shù)并不新鮮。它正迅速成為醫(yī)療設(shè)備滅菌、食品巴氏殺菌和農(nóng)產(chǎn)品跨境植物檢疫處理的首選技術(shù)。電子束技術(shù)不僅是一種高效的消毒和環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)，而且研究表明，它可以成為水和廢水處理行業(yè)中替代幾種常用技術(shù)的顛覆性技術(shù)，如紫外線消毒、臭氧消毒以及可能的污泥熱水解。在韓國進(jìn)行的研究表明，即使使用 6 千戈的極低劑量，甲烷的產(chǎn)生量也達(dá)到了 231 立方米/天，而消化停留時(shí)間僅為 10 天。由此產(chǎn)生的污泥粘度降低，脫水效果可能得到改善。初步研究表明，使用 100 千瓦 eBeam 系統(tǒng)（包括中溫好氧消化池 (MAD)）的 1 億加侖/日處理廠的每干噸總成本約為 293 美元。要真正確定 eBeam 技術(shù)與熱水解技術(shù)相比的成本效益，還需要進(jìn)行詳細(xì)的比較研究。圖：電子束廢水處理系統(tǒng)的數(shù)字效果圖 （來源：清華大學(xué) 王建龍）盡管有大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了電子束技術(shù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和技術(shù)效果，但目前還沒有超大規(guī)模的處理設(shè)施采用這種技術(shù)。除了中國有用于處理工業(yè)廢水和醫(yī)院廢水的電子束處理廠之外，西方國家沒有任何正在運(yùn)行的電子束處理設(shè)施。造成這種情況的原因可能有幾個(gè)，其中最重要的是環(huán)保界很少采用自己不熟悉的技術(shù)。這種不熟悉可能是由于在本科生和研究生課程中缺乏對(duì)該技術(shù)的接觸。我們需要共同努力，在環(huán)境工程界推廣這項(xiàng)技術(shù)。全球都在強(qiáng)調(diào)可持續(xù)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，這就要求環(huán)境界更好地了解如何利用這項(xiàng)技術(shù)來利用電子，為未來的世界提供清潔和動(dòng)力。本文作者Suresh D Pillai 是美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)系分子微生物學(xué)教授兼國家電子束研究中心主任；Andrzej G Chmielewski 是波蘭華沙核化學(xué)與技術(shù)研究所所長；王建龍是中國清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院副院長。電子束技術(shù)與伽馬射線技術(shù)的主要區(qū)別在于，電子束技術(shù)不依賴放射性同位素。相反，它使用電力在工業(yè)規(guī)模的 "電子加速器 "中將電子的能量提高到 1000 萬電子伏特（10 MeV）。這些高能電子對(duì)水分子的輻射分解極為有效。水自由基陽離子（H2O-+）和預(yù)水合電子（e-水合）的形成是水的主要輻射分解過程。這兩個(gè)反應(yīng)都以大約 10-16 秒的速度進(jìn)行。自由基陽離子很快（約 10-14 秒）失去一個(gè)質(zhì)子，與鄰近的水分子形成羥基自由基，反應(yīng)過程如下 H2O-+ + H2O g-OH + H3O。羥基自由基（-OH）的反應(yīng)性極強(qiáng)，是該技術(shù)許多有益特性的來源。-OH 和電子水（e-aqueous）的相對(duì)含量取決于水介質(zhì)的 pH 值。在堿性條件下，電子水往往占主導(dǎo)地位，而在中性或酸性條件下，-OH 占主導(dǎo)地位。總的來說，水的輻射分解可以表示為 e-（電子）+ H2O g[2.6] eaq- +[0.55]H-+[2.7] H3 O+ +[0.7] H2O2+[2.6]HO-+[0.55] H2，其中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值代表 G 值（吸收 100 kV 能量產(chǎn)生的物質(zhì)數(shù)量）。電子束技術(shù)改變了傳統(tǒng)的模式，因?yàn)樗褂闷胀娏�，在不添加任何化學(xué)物質(zhì)的情況下同時(shí)產(chǎn)生還原和氧化過程。這些強(qiáng)大的氧化還原反應(yīng)幾乎是瞬間發(fā)生的，可以說是一種高級(jí)氧化還原過程。除活性物種外，高能電子還能對(duì) DNA、RNA 和有機(jī)污染物分子等有機(jī)分子造成直接損害。因此，無論是直接機(jī)制還是間接機(jī)制，都使這項(xiàng)技術(shù)極為有效和省時(shí)。https://www.thesourcemagazine.org/harnessing-electrons-seizing-the-potential-of-transferable-technology/
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