微波加熱技術在難降解有機廢水處理中的應用

徐新生，劉永紅，王 寧，延 衛

（1. 西安工程大學 環境與化學工程學院，陜西 西安 710048；2. 浙江溫州輕工研究院，浙江 溫州 325003）

微波加熱技術在難降解有機廢水處理中的應用

徐新生1，劉永紅1，王 寧1，延 衛2

（1. 西安工程大學 環境與化學工程學院，陜西 西安 710048；2. 浙江溫州輕工研究院，浙江 溫州 325003）

論述了含酚廢水、染料廢水、制藥廢水及工業氨氮廢水的特點并對微波加熱技術在該類廢水中的應用現狀進行了深入的分析，總結了微波加熱技術在含酚廢水、染料廢水、制藥廢水及工業氨氮廢水處理中的應用優勢，展望了微波加熱技術在廢水處理中的應用前景。

微波加熱技術；難降解有機廢水；廢水處理

微波是指頻率為300 MHz～300 GHz、波長為1 mm～1 m的超高頻電磁波，目前國內經常使用的兩種微波頻率為915 MHz和2 450 MHz。微波加熱技術是使物體內部分子相互摩擦發熱、對物質內部直接加熱的方法。與傳統加熱方法相比，微波加熱技術具有選擇性高、快速高效、設備體積小、節能、清潔等優點［1］。微波加熱機理包括離子傳導和偶極子運動兩種形式。離子傳導與介質濃度、離子大小及電荷量有關；偶極子運動與介質的弛豫時間、溫度及黏度有關。在實際應用中，一般情況下兩種運動形式同時存在［2］。

微波加熱技術起源于20世紀30年代，最初應用于通訊領域。1967年，W illiams報道了用微波加快化學反應的實驗結果，將微波加熱技術引入化學實驗中，并逐漸形成了微波化學新領域［3］。將微波加熱技術應用在環境污染治理尤其是水處理方面，是近幾年新興的研究領域。微波加熱技術不僅被廣泛應用于COD、苯酚、色度等的去除，而且對氨氮的去除也表現出較大的應用潛力，這為“中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要”中新增約束性指標——氨氮的減排提供了一條全新的思路。

本文總結了幾種典型有機廢水的特點及微波加熱技術在該類廢水處理中的應用情況，對其在應用過程中存在的問題作了總結并對以后的發展方向進行了展望。

1 微波加熱技術在典型難降解工業廢水中的應用

工業廢水具有含污染物種類多、成分復雜、有機物濃度高、色度大、毒性強等特點，尤其是染料、制藥等復雜工業廢水中通常含有大量的難降解有機毒物，水質差異大、可生化性差。目前國內外學者對微波加熱技術在該領域的應用展開了較為深入的研究，微波加熱技術正在成為一種處理難降解工業廢水的新興技術。

1.1 微波加熱技術在含酚廢水中的應用

酚及其衍生物是工業廢水中常見的高毒性、難降解有機物，是一種原型質毒物，對一切生物個體都有毒害作用。含酚廢水在我國水污染控制中被列為需重點解決的有害廢水之一。

徐成斌等［4］用微波協同活性炭催化氧化工藝處理含酚廢水，實驗結果表明：在活性炭加入量1.0 g、微波功率600 W、輻射時間3 m in的條件下，100 m L初始質量濃度600 mg/L的苯酚溶液的去除率可達67.79%；該工藝對苯酚的處理效果明顯優于單獨活性炭吸附及單獨微波輻射工藝。

施向榮等［5］采用微波誘導催化氧化技術，以Fe2O3/γ-A l2O3為催化劑，對高濃度模擬苯酚廢水進行了氧化處理，實驗結果表明：在微波反應功率500 W、催化劑加入量1 g、H2O2加入量3‰、pH 7、輻射時間15 min的條件下，處理30 m L初始質量濃度1 100 mg/L的廢水，苯酚去除率達92.3%；微波催化氧化的處理效果優于單一微波、微波-H2O2聯合工藝。

趙德明等［6］用微波強化臭氧氧化系統處理模擬苯酚廢水，實驗結果表明：在臭氧流量1.4 mg/ min、反應溫度298 K、pH 11、輻射時間30 min的條件下，苯酚去除率達95%以上；微波強化臭氧氧化系統較單獨微波及臭氧體系具有明顯的協同效應。

Bi等［7］采用微波誘導ClO2-CuOx/A l2O3催化氧化處理初始質量濃度為100 mg/L的模擬苯酚溶液，實驗結果表明：在ClO2加入量80 mg/L、微波功率50 W、輻射時間5 m in、催化劑加入量50 g/L、pH 9的條件下，苯酚和COD去除率分別為92.24%和79.13%；微波誘導ClO2-CuOx/A l2O3催化氧化工藝較常規ClO2催化氧化工藝有用時較短、催化劑加入量少及pH適用范圍廣等優點。

Prasannakumar等［8］利用微波協同H2O2氧化降解廢水中的苯酚，實驗結果表明：在H2O2加入量5.0 m L、微波功率668 W、輻射時間60 s的條件下，100 m L初始質量濃度300 mg/L的苯酚溶液降解率達82.36%；微波協同H2O2氧化降解苯酚效率較單獨H2O2氧化時間大大縮短。

上述研究表明，在含酚廢水處理中微波加熱技術與其他技術聯用表現出明顯的優越性。微波加熱技術不僅減少了化學處理藥劑的加入量，而且大大縮短了處理時間。

1.2 微波加熱技術在染料廢水中的應用

染料廢水是一種有機物含量高、色度深、毒性大、污染性極強的廢水，同時染料廢水有排放量大、排放具有間歇性、水質不穩定的特點，屬目前我國難治理的主要工業廢水之一。

喬俊蓮等［9］用微波協同活性炭氧化工藝處理模擬甲基橙廢水，實驗結果表明：在甲基橙質量濃度305 mg/L、微波功率580 W、輻射時間10 min、活性炭加入量1.2 g/L的條件下，廢水脫色率為99.63%；微波協同活性炭氧化工藝對甲基橙的處理效果明顯優于單獨活性炭吸附及單獨微波輻射的處理效果。

張靜等［10］采用Fe2O3/膨潤土負載型催化劑協同微波誘導氧化處理模擬活性嫩黃廢水，實驗結果表明：在催化劑加入量0.5 g、微波功率900 W、輻射時間5 m in的條件下，50 m L質量濃度50 mg/L的模擬活性嫩黃廢水色度去除率為96.40%。

孫杰等［11］用微波紫外燈光氧化-內電解聯合工藝處理活性深蘭M-2GE染料模擬廢水，實驗結果表明：在廢水pH 6.3、次氯酸鈉加入量4 m L/L，微波紫外光反應時間30 m in、內電解反應時間50 min的條件下，色度去除率和COD去除率分別達95%和70%以上；染料廢水經微波紫外光氧化-內電解法處理較單獨微波紫外光氧化或內電解法處理染料廢水的處理效果好。

Zhang等［12］利用微波協同活性炭快速降解剛果紅染料廢水，實驗結果表明：在微波頻率2 450 MHz、活性炭加入量2.0 mg/L、輻射功率800 W、pH 8、反應時間1.5 min的條件下，25 m L 質量濃度50 mg/L的剛果紅廢水色度去除率達89.15%，且增加活性炭加入量到3.6 g/L或延長反應時間到2.5 min時，色度去除率可達到96.49%～97.88%；微波協同活性炭工藝較單獨微波及單獨活性炭吸附處理對色度去除率效果好。

Bi等［13］采用微波誘導ClO2催化氧化處理活性艷黃染料廢水，實驗結果表明：在ClO2加入量0.08 g/L、微波功率400 W、輻射時間1.5 m in、催化劑CuOn-La2O3/γ-Al2O3加入量70 g/L及pH 7的條件下，100 m L質量濃度200 mg/L活性艷黃染料廢水色度去除率為94.03%；微波強化ClO2催化氧化較常規濕式催化氧化處理時間短、pH適用范圍更廣。

上述研究表明，微波加熱技術的應用可有效提高染料廢水的色度去除率，同時縮短處理時間，使活性炭的重復使用次數增加，降低了成本，并且使一些難降解有機物更易去除。

1.3 微波加熱技術在制藥廢水中的應用

制藥廢水的特點是成分復雜、有機物含量高、毒性大、色度深和含鹽量高，特別是可生化性很差且間歇排放，屬目前我國難治理的主要工業廢水之一。

王子波等［14］用微電解-微波輻射聯用技術處理敵百蟲農藥廢水。實驗結果表明：將廢水稀釋200倍，使進水COD為750 mg/L，經過微電解實驗的出水繼續作為微波輻射進水進行實驗，在pH 2、活性炭加入量6 g/L、H2O2加入量10 m L/L、微波功率490 W、輻射時間8 m in的條件下，出水COD達25～70 mg/L；與傳統生化法相比，利用微電解-微波輻射法處理敵百蟲農藥廢水，耗時短、效率高、操作簡單。

肖廣全等［15］用微波輻射-生物接觸氧化法對某制藥廠污水處理站的調節池出水進行處理，實驗結果表明：初始COD 6 000～8 000 mg/L的制藥廢水經微波處理后COD去除率為10%～15%；而直接用好氧生物接觸氧化法處理時COD的去除率較低，且出水COD大于300 mg/L；經過微波預處理（輻射功率459 W、輻射時間8 m in）后，再進行好氧生物接觸氧化處理（760 m in），組合工藝對COD的總去除率大于95%，最終出水的COD小于300 mg/L。

朱駿等［16］采用微波強化Fenton試劑氧化法處理高濃度醫藥中間體廢水，實驗結果表明：在初始pH 4、H2O2加入量5 m L/L、FeSO4·7H2O加入量3 g/L、微波功率為300 W、輻射時間7 m in的條件下，對500 m L醫藥中間體廢水的COD去除率達89.7%；微波強化Fenton試劑氧化技術降解速率較普通Fenton試劑氧化技術快。

Yang等［17］利用微波強化Fenton試劑催化氧化反應處理初始COD為49 912.5 mg/L的高濃度制藥廢水，實驗結果表明：在輻射功率300 W、輻射時間6 m in、初始pH 4.42、H2O2加入量1.3 g/L、Fe2（SO4）3加入量4.9 mg/L的條件下，COD去除率達57.53%，且BOD5/COD由0.165上升至0.470，可生化性大大提高；該方法較單獨的Fenton試劑催化氧化及傳統加熱Fenton催化氧化具有明顯優勢。

上述研究表明，微波加熱技術與物化、生物方法聯用處理制藥廢水時，不僅可以改善處理效果，而且可以縮短處理時間，同時微波加熱技術的應用可大大提高制藥廢水的可生化性，這對于后續聯用的生物處理有著至關重要的作用。

2 微波加熱技術在典型工業氨氮廢水中的應用

隨著COD、色度、酚類等逐步得到有效控制，氨氮作為“中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要”中新增約束性指標已受到相關行業的廣泛關注。垃圾滲濾液和焦化廢水作為兩種氨氮廢水的典型代表，除了具有難降解有機廢水的含有大量有機物組分和多種有害難降解成分、有毒及抑制性物質多等特點外，其突出特點是氨氮濃度高。氨氮含量過高會影響廢水的生物處理過程，同時影響其他有害物質的去除效果。

丁湛等［18］以負載鐵（Ⅱ）的顆粒活性炭（GAC）為催化劑，采用微波強化Fenton試劑氧化處理取自西安市某垃圾填埋場滲濾液處理廠集液池原液的老齡垃圾滲濾液。實驗結果表明：微波作用時間是影響處理效果的主要因素，且在GAC的鐵負載量為33.32 mg/g、微波功率720 W、微波時間30 min的條件下，垃圾滲濾液中COD和氨氮的去除率達到了95.64%和88.63%。

商平等［19］用微波改性的沸石對取自天津市某垃圾處理場經過混凝、絮凝處理的垃圾滲濾液進行深度處理，實驗結果表明：在微波功率480 W、調節水樣pH 6、改性沸石7 g、吸附時間20 min的條件下，100 m L初始質量濃度為32 mg/L的廢水氨氮去除率為92.11%。

呂早生等［20］采用微波加熱法脫除煉焦剩余氨水中的氨氮，實驗結果表明：靜態實驗中，在每100 m L廢水堿加入量1.000 8 g/L、輻射時間5 min、微波功率900 W的條件下，氨氮去除率為98.72 %，剩余氨水中氨氮質量濃度降至68 mg/L；微波加熱和空氣吹脫動態實驗中，在剩余氨水流量4 m L/m in、微波功率720 W、空氣流量0.6 m3/h、加堿量與剩余氨水體積比0.15∶1的條件下，氨氮去除率達到94.58 %，吹脫平衡后氨氮含量為287 mg/L。

Lin等［21-22］用微波直接輻射焦化廢水，實驗結果表明：pH和輻射時間對氨氮去除率影響較大，而初始氨氮質量濃度和曝氣量對氨氮去除率影響不大，在微波功率750 W、pH 11的條件下處理100 m L不同濃度的焦化廢水，一組輻射5 m in后焦化廢水中氨氮質量濃度由1 350 mg/L降至50 mg/L，另一組輻射10 min后焦化廢水中氨氮質量濃度由5 000 mg/L降至350 mg/L，顯示了較高的氨氮去除率。在此實驗的基礎上，新建了一套中試規模的連續微波處理工藝，處理山西某焦化廠的焦化廢水，初始質量濃度為2 400～11 000 mg/L的焦化廢水氨氮去除率達到80%左右，且較空氣吹脫法經濟成本低。

上述研究表明，微波加熱技術的應用可使氨氮廢水中的大量氨氮得到有效去除，改變了該類廢水中碳氮比例嚴重失調的狀況，經過微波處理的氨氮廢水可以用某些常規生物方法進行處理。

微波加熱技術以其獨特優勢在其他廢水處理中的應用也日趨廣泛［23-29］，且微波加熱技術與其他處理方法聯用也已被越來越多的人接受并應用。Ai等［30］全面地進行了微波與幾種高級氧化技術聯合處理廢水的實驗研究，發現微波輻射幾乎可使高級氧化技術的處理效率提高一倍，表現出了極大的優越性。

3 結語

微波加熱技術的應用使處理時間大大縮減，藥劑加入量有所減少，使某些難生物降解廢水的可生化性有所提高，并且使一些所需條件苛刻的反應能夠順利進行且效率大大提高，尤其是在將其作為氨氮廢水預處理技術方面表現出了極大的優越性。

但是微波加熱技術在廢水處理中的應用還處于起步階段，其相關技術、設備研發及配套設備的整合、微波加熱技術在規模生產上的應用瓶頸等許多問題還需做進一步研究，且目前大部分實驗都是在靜態實驗條件下討論廢水中單一指標的變化情況。尋求一種綜合處理廢水中的各種有害物質的連續微波處理工藝以及加快微波加熱技術的工業化進程的研究是今后發展的方向。

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Application of M icrowave Heating Technology to Refractory Organic W astewater Treatment

Xu Xinsheng1， Liu Yonghong1， Wang Ning1， Yan Wei2

（1. College of Environment and Chem ical Engineering，Xi’an Polytechnic University，Xi’an Shaanxi 710048，China；2. Zhejiang Wenzhou Research Institute of Light Industry，Wenzhou Zhejiang 325003，China）

The characteristics of some industrial wastewaters，such as phenol wastewater，dye wastewater，pharmaceutical wastewater and ammonia wastewater，are introduced. The application of m icrowave heating technology to the treatment of these wastewaters is deeply analyzed. The application advantages of microwave heating technology are summarized. Finally，its application prospect to wastewater treatment is forecasted.

m icrowave heating technology；refractory organic wastewater；wastewater treatment

X703

A

1006-1878（2012）04 - 0316 - 05

2012 - 03 - 04；

2012 - 03 - 26。

徐新生（1987—），男，河南省輝縣市人，碩士生，主要研究方向為工業廢水處理。電話 18710510373，電郵 xinshengxu0406@126.com。聯系人：劉永紅，電話13572505762，電郵 liuyhxa@hotmail.com。

國家自然科學基金資助項目（21176197）；國家科技重大專項（2009ZX07212-002-002）；陜西省科技統籌創新工程計劃（2011KTZB03-03-01）；溫州市科技項目（H20100004）。

（編輯 張艷霞）