基于微波技術的固體廢棄物處理系統(tǒng)

　　引言

　　微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。近幾年來，微波的高效發(fā)熱特性的進一步開發(fā)，使得它的應用從傳統(tǒng)的通訊領域轉向催化化學、材料加工、污染控制等領域。其中，在污染控制領域，特別是在工業(yè)污泥、醫(yī)療垃圾、廢舊輪胎、電子垃圾以及建筑垃圾等固體廢棄物的處理方面取得了較大的進展。

　　1　微波加熱的原理

　　1.1　微波加熱的機理

　　在微波加熱的過程中，微波能轉化為熱能的機理有2種，即偶極子轉動機理和離子傳導機理。

　　偶極子轉動機理是由微波輻射引起物體內(nèi)部的分子相互摩擦而產(chǎn)生熱能。自然界的介質都是由一端帶正電荷、另一端帶負電荷的分子（或偶極子）組成。在自然狀態(tài)下，介質內(nèi)的偶極子作雜亂無章的運動和排列，當介質處于電場中時，其內(nèi)部重新進行排列，變成了有一定取向、有規(guī)則排列的極化分子。當電場方向以一定頻率交替變化時，介質中的偶極子的極化取向也以同樣頻率轉變，在轉變過程中，因分子間相互摩擦、碰撞而產(chǎn)生熱能。電場變化頻率越快，偶極子轉動的頻率也就越快，產(chǎn)生的熱效應越強，而微波波段電磁場頻率高達108數(shù)量級，所以在微波輻射下，偶極子轉動產(chǎn)生的熱量相當可觀，從而使體系在很短的時間內(nèi)達到很高的溫度。偶極子轉動產(chǎn)生的加熱效率取決于介質的馳豫時間、溫度和黏度。

　　離子傳導機理是指可離解離子在電場中產(chǎn)生導電移動，由于介質對離子的阻礙而產(chǎn)生熱效應。離子傳導產(chǎn)生的加熱效率取決于離子的大小、濃度、電荷量和導電性。

　　1.2　微波加熱的特點

　　傳統(tǒng)加熱是利用傳導和對流方式進行的，首先加熱容器，容器將熱量傳導到物體表面，然后熱量由表面?zhèn)鬟f到物體內(nèi)部，從而獲得熱平衡條件，因此加熱需要較長時間。而加熱環(huán)境一般不可能嚴格地絕熱封閉，長時間加熱，就可能向環(huán)境散發(fā)大量熱量。而微波加熱通常在全封閉狀態(tài)下進行，微波功率以光速滲入物體內(nèi)部，及時轉變?yōu)闊崮埽苊饬碎L時間加熱過程中的熱散失，并且可對物體內(nèi)外部進行“整體”加熱，因此，與傳統(tǒng)的加熱方式相比，微波加熱具有效率高、速度快、能耗低等特點。

　　2　微波技術在固體廢棄物處理中的應用

　　2.1　工業(yè)污泥的處理

　　工業(yè)污泥是油和含固體碎屑的水的乳化物，全球每年產(chǎn)生的含油污泥多達幾十億噸，常規(guī)的處理工藝是：加熱破乳—離心分離—填埋。由于加熱破乳時常常使用破乳添加劑，因此產(chǎn)生的殘留物很難處理，脫油后需要填埋處理的殘渣量大，填埋費用高。美國開發(fā)了鋼廠含油淤泥的微波脫油技術，該技術是將含油和金屬的污泥與添加劑混合，然后在一個流動系統(tǒng)中接受微波輻照10min，最后通過離心分離，分離出固體物質（主要是Fe、FeOx）、油和水。分離出的固體可重新用作煉鋼原料，油可作燃料出售。研究表明，該微波破乳脫油系統(tǒng)的處理速度比常規(guī)的脫油系統(tǒng)快30倍，處理系統(tǒng)的體積可節(jié)省90%，大幅度降低了需要填埋處理的固體廢渣，降低了填埋費用，采用微波脫油處理該鋼廠污泥，處理費用比常規(guī)處理方法降低10倍。

　　此外，以污水處理廠產(chǎn)生的污泥為原料，采用微波輻照可制備污泥活性炭。也有將污水處理廠初沉池和二沉池的混合污泥烘干，用磷酸溶液活化后，再采用400W的微波輻照260s，成功制得污泥活性炭，該活性炭的碘值為517.4mg/g。用制得的污泥活性炭處理TNT廢水，處理效率略高于粉狀商品活性炭。

　　2.2　醫(yī)療垃圾的滅菌消毒

　　微波滅菌的機理是微波能在微生物體內(nèi)轉化為熱能，使生物體本身溫度升高，從而使體內(nèi)蛋白質發(fā)生變性凝固致死。其特點是作用溫度低，時間短，無二次污染。一般情況下，霉菌、酵母等常見微生物采用微波輻射1min，加熱到70～80℃就能被殺死，達到殺菌目的；在65～66℃左右，采用微波輻照2min便可殺死青霉素的孢子。微波滅菌消毒是一個以蒸汽為基礎，通過微波產(chǎn)生濕熱和蒸汽進行消毒的過程。在利用微波對固體廢物滅菌消毒時，首先將廢物粉碎，然后送入微波加熱爐并通入蒸汽旋轉加熱，在滅菌消毒的同時廢物體積也會被壓縮。有關研究表明，將醫(yī)療廢物浸濕粉碎后，再采用微波對廢物進行消毒，毒素會被迅速消滅，廢物體積也可減少80%。全球許多國家每年產(chǎn)生大量的醫(yī)療垃圾，造成嚴重的環(huán)境污染，僅在意大利，每年就有25萬t醫(yī)療垃圾產(chǎn)生。如果采用微波技術滅菌消毒后，60%以上的醫(yī)療垃圾可作填埋處理。采用這種方法處理醫(yī)療垃圾與傳統(tǒng)的焚燒法相比，不會生成毒性強的二惡英等二次污染物，而且處理時間短，效果好，能耗低。

　　2.3　廢舊輪胎的回收

　　輪胎是含有橡膠、炭黑、鋼以及硫磺等多種物質的混合材料。廢舊輪胎的處理通常采用熱分解法，相對于焚燒而言，在缺氧條件下進行的熱分解可以減少NOx和SOx的排放，并避免煤煙的產(chǎn)生。然而，常規(guī)的熱分解常常因為加熱溫度不夠而無法完全分解，若采用微波加熱，溫度會穩(wěn)定上升，很快達到2000℃。而且采用微波加熱處理廢舊輪胎還能實現(xiàn)橡膠材料的再利用并回收能源。英國的一些工廠利用微波加熱技術，將廢舊輪胎橡膠進行軟化處理，使橡膠分子結構中的CC鍵和CS鍵斷裂，從而回收了36%的C（包括高質量的活性炭和石油烴等其他碳化產(chǎn)品），殘余的甲烷、氫氣等還可用于系統(tǒng)的加熱。該加熱處理過程，必須在嚴格封閉的條件下進行，避免產(chǎn)生二惡英、油煙和飛灰。

　　2.4　電子垃圾的處理

　　近年來，從計算機、汽車、電話、電視和其他產(chǎn)品上丟棄的電子部件和印刷線路板每年有數(shù)百萬件。對這些電子垃圾常規(guī)的處理是填埋，結果滲析出有害金屬，污染地下水。

　　為此Florida大學D.E.Clark教授研究開發(fā)了微波銷毀印刷線路板回收貴金屬的技術。該技術是將壓碎的廢電路板放入一個熔融石英坩堝中，在一個內(nèi)壁襯有耐火材料的微波爐中加熱30～60min，其中的有機物，如苯和苯乙烯等揮發(fā)出來，被載氣（壓縮空氣）帶出第1個微波爐，進入第2個微波爐被分解。剩下的物質在1000℃以下焦化，然后將微波爐功率升高，剩余物（絕大多數(shù)為玻璃和金屬）在1400℃的高溫下熔化，形成一種玻璃化物質。將這種物質冷卻后，金、銀和其他金屬就以珠狀分離出來，可回收用作金屬冶煉的原料。余下的玻璃化產(chǎn)物則可回收作建筑材料。

　　微波技術處理電子垃圾，可將廢棄物體積減少50%，處理過程中無需使用任何添加劑，不會造成二次污染，最終的玻璃化產(chǎn)物，可將有害成分牢牢地包固在其中，不會造成滲漏，可回收利用其中的貴金屬，因而處理成本低。

　　2.5　建筑垃圾的回收

　　建筑垃圾是在施工建設過程中或舊建筑物維修、拆除過程中產(chǎn)生的，主要含有砂漿、混凝土、磚石、土樁頭、金屬以及裝飾裝修產(chǎn)生的廢料和包裝材料等廢棄物。據(jù)估計［18］，我國每年僅施工建設所產(chǎn)生的建筑廢渣就有4000萬t。因此，綜合利用建筑垃圾是節(jié)約資源、保護生態(tài)的有效途徑。

　　據(jù)報道，微波技術是回收再利用建筑垃圾的有效方法。

　　美國CYCLEAN公司采用微波技術可100%地回收利用建筑垃圾，使舊瀝青路面料再生，再生后的瀝青路面料的質量與新拌瀝青路面料相同，而成本降低了1/3，同時節(jié)約了垃圾清運和處理等費用。利用微波技術回收建筑垃圾，不僅解決了常規(guī)處理方法如堆肥、焚燒、填埋等易造成的二次污染、投資大、占地面積大等問題，而且可使廢物資源化。

　　3　結語

　　微波的發(fā)展還表現(xiàn)在應用范圍的擴大。微波的最重要應用是雷達和通信。雷達不僅用于國防，同時也用于導航、氣象測量、大地測量、工業(yè)檢測和交通管理等方面。通信應用主要是現(xiàn)代的衛(wèi)星通信和常規(guī)的中繼通信。射電望遠鏡、微波加速器等對于物理學、天文學等的研究具有重要意義。毫米波微波技術對控制熱核反應的等離子體測量提供了有效的方法。微波遙感已成為研究天體、氣象和大地測量、資源勘探等的重要手段。微波在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)科學等方面的研究，以及微波在生物學、醫(yī)學等方面的研究和發(fā)展已越來越受到重視（見微波應用、微波能應用、微波醫(yī)學應用等）。利用微波技術處理固體廢棄物具有快速高效、操作簡單、能耗少、成本低、資源回收利用率高等特點，因而具有廣泛的應用前景。然而國內(nèi)對微波技術在固體廢棄物處理方方面的應用研究起步較晚，而且目前的工作大多限于實驗室研究水平，工業(yè)化應用較少。隨著人們環(huán)保意識的提高和微波技術的進一步完善，以及用于污染控制領域的微波設備的研制開發(fā)等，微波技術將會在固體廢棄物的處理乃至整個污染控制領域得到廣泛的應用。