包伯榮 吳明紅 徐茂均 周瑞敏 朱憲
（上海大學(xué)環(huán)境與化工學(xué)院）

一 引言

　　本論文由三部分內(nèi)容組成，一為出席國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)組織召開的“輻射技術(shù)與環(huán)境保護(hù)”國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)上的報(bào)告，二為文獻(xiàn)調(diào)研的資料，三為我們?cè)谶@一領(lǐng)域已從事過(guò)的一些工作。
　　輻射技術(shù)用于廢氣、廢水及廢渣的處理有如下優(yōu)點(diǎn)：1) 它可以解決化學(xué)法或生化法無(wú)法解決的問題，如它可以使不能生物降解的污染物分解；2）不加或少加化學(xué)品，從而減少二次污染；3）殺菌特別有效。如據(jù)清華大學(xué)核能院與北京自來(lái)水廠合作進(jìn)行的工作，在輻照劑量1kGy下，大腸桿菌全部殺死，0.01kGy下，細(xì)菌明顯殺傷。
　　輻射技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用雖有幾十年的歷史，但仍處于發(fā)展階段。近幾年國(guó)際會(huì)議連續(xù)不斷。如1992年三月在德國(guó)召開的International Symposium on Application of Isotope and Radiation in Conservation of the Environment；1997年9月于波蘭召開的International Symposium on Radiation Technology in Conservation of the Environment；1998年于上海召開的Regional Workshop on Radiation Treatment of Water and Drinking Water；2000年12月于美國(guó)召開的International Symposium on Environmental Application of Ionizing Radiation.
　　下面分三個(gè)方面，談?wù)勢(shì)椛浼夹g(shù)在處理廢氣、廢水和廢渣方面的發(fā)展歷史、當(dāng)前進(jìn)展及展望，并介紹我們?cè)谶@一領(lǐng)域的初步工作。

二 煙道氣的電子束凈化

　　煙道氣(flue gas)主要指燃煤或燃油發(fā)電廠排出的廢氣，也有有色金屬冶煉廠的廢氣。煙道氣的電子束凈化相比傳統(tǒng)的化學(xué)法的突出優(yōu)點(diǎn)為：
　　· 可以高效同時(shí)脫除SO2和NOx
　　· 這是一種干法處理，無(wú)二次污染；
　　· 煙道污染物轉(zhuǎn)化為農(nóng)肥(NH4)2SO4及NH4No3;
　　· 占地面積小，投資和運(yùn)行費(fèi)用低，投資一般為傳統(tǒng)法的80%；
　　· 提供方便的過(guò)程控制性和負(fù)荷跟蹤性。 煙道氣的電子束凈化的開發(fā)可追溯到七十年代初。1971年日本原子能研究所(JAERI)與Ebara公司開始研究煙道氣輻照引起脫除SO2和NOx的輻射化學(xué)反應(yīng)。1974年Ebara公司建立了1000 Nm3/hr規(guī)模的中試處理裝置，證實(shí)電子束法添加氨能同時(shí)脫除SO2和NOx并使之轉(zhuǎn)化為(NH4)2SO4與NH4No3。它使用一臺(tái)能量0.3-0.7Mev，功率為30kw的電子加速器。1977年Ebara公司與日鋼等合作建立了10000Nm3/hr的示范裝置，采用二臺(tái)能量為600-750kev,功率為10-45kw的電子加速器凈化熱壓鋼廠的排放氣體，運(yùn)行證明電子束法確是一種工業(yè)上可行的脫除煙道氣SO2和NOx的方法，而且變廢為寶，產(chǎn)生副產(chǎn)物肥料。以后近二十年，世界各國(guó)（主要為日本、美國(guó)、德國(guó)、波蘭）先后建立中試廠。統(tǒng)計(jì)至1999年中試廠約有20座，最大處理量達(dá)24000 Nm3/hr。
　　在上述中試基礎(chǔ)上，世界各國(guó)正在籌建示范廠，其中最引人注目的為中國(guó)和波蘭二個(gè)示范廠。中國(guó)四川電力工業(yè)局與日本Ebara合作在成都建成300,000Nm3/hr處理量的電子束脫硫脫氮示范裝置，1997年9月開工，用于處理100Mw(2%S)煤電廠的煙道氣。該廠使用二臺(tái)800kev，輸出400mA的加速器，總功率為640kw,輻照劑量為3kGy，SO2去除率為80%，NOx去除率為20%。副產(chǎn)物肥料產(chǎn)量為2470kg/hr。波蘭的示范廠設(shè)計(jì)處理量為270,000Nm3/hr，SO2及NOx去除率分別為95%與80%。使用4臺(tái)加速器，每臺(tái)電子能量為800kev，功率為300kw，總功率為1.2Mw，計(jì)劃于1999年建成，建成后可能是世界上最大功率加速器輻照裝置。其它國(guó)家也在籌劃之中，如巴西建立一座用于處理圣保羅市某電廠100Mw燃煤機(jī)組的煙道氣，處理量為320,000Nm3/hr，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)型300kw加速器。近年日本名古屋熱電廠建造處理量為620,000Nm3/hr的電子束脫硫脫氮裝置，處理燃燒原油的220Mw發(fā)電廠排出的煙道氣。我們?cè)鴮?duì)寶鋼發(fā)電廠的煙氣進(jìn)行過(guò)“電子束煙氣脫硫脫氮”的預(yù)研，對(duì)工藝流程的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究。其中一個(gè)主要環(huán)節(jié)為煙道氣進(jìn)入輻照反應(yīng)器前，要進(jìn)行噴氨，然后一起進(jìn)入反應(yīng)器，使煙道氣中SO2及NOx轉(zhuǎn)化為(NH4)2SO4及NH4No3。這里加氨方式直接影響SO2和NOx的轉(zhuǎn)化率及氨的利用率。按照日本Ebara公司的加氨方式（四川成都即采用這一方式）為液氨氣化的氨氣與作為氣霧動(dòng)力的空氣在噴嘴中混合，此混合氣體再在氣液混流噴嘴中與軟水構(gòu)成霧滴噴入反應(yīng)器。我們將它稱為干法加氨方式。從四川成都的實(shí)例表明，它易導(dǎo)致氨氣泄漏，反應(yīng)中氨當(dāng)量不足而使脫除效率下降，此外副產(chǎn)物中混雜少量重金屬，使產(chǎn)物化肥品質(zhì)下降。為此我們采用濕法加氨方式，即我們噴入的為氨水，通過(guò)二次混合，最后進(jìn)入反應(yīng)室。從化學(xué)反應(yīng)的角度或從化工傳質(zhì)的角度看，我們認(rèn)為噴氨水更為合理。它的優(yōu)點(diǎn)為氨水在反應(yīng)器中兼顧冷卻反應(yīng)氣體，又可循環(huán)使用，不致隨廢氣排出，也可避免固體副產(chǎn)物在反應(yīng)器中凝結(jié)，而且副產(chǎn)物以重結(jié)晶方式產(chǎn)出，不含重金屬，因而品質(zhì)高。

三 工業(yè)廢水及飲用水的去污和消毒

　　工業(yè)廢水重點(diǎn)為印染廠、造紙廠排出的廢水以及含酚、含氰、橡膠廠和畜牧場(chǎng)的廢水等。飲用水也有多種來(lái)源，如地下水、河水、醫(yī)院污水、畜牧場(chǎng)污水等。輻射對(duì)殺菌的效果特別好，這是人所共知的。巴西學(xué)者于1993年建立的廢水處理的小試驗(yàn)廠，采用80%工業(yè)廢水及20%民用廢水，發(fā)現(xiàn)在3kGy下，大腸桿菌下降5個(gè)數(shù)量級(jí)，3-9kGy下，有機(jī)物去除20-30%。限于篇幅，本文僅舉一些典型的例子說(shuō)明國(guó)內(nèi)外這方面的進(jìn)展。
　　1970年在美國(guó)邁阿密水處理廠建成Electron Beam Research Facility (EBRF)已正常工作多年，該廠采用1.5Mev, 0-50mA的加速器，電子束掃描寬度為1.2m，高5cm，處理量為0.4m3/分（120gpm）。
　　韓國(guó)三星重工業(yè)公司曾報(bào)導(dǎo)了韓國(guó)建成的二個(gè)工業(yè)廢水處理廠。一個(gè)建在Taegu染料工業(yè)聯(lián)合企業(yè)，該廠采用1Mev,40kw加速器，染料廢水處理量為1′103m3/d。另一處理廠建在漢城附近Cheongwon市的S-紙公司，用于造紙廠廢水的處理。實(shí)驗(yàn)室研究證明原來(lái)用化學(xué)法及生物法只有20-30%的總廢水量再循環(huán)。而生物法后進(jìn)行輻照，再加凝聚、過(guò)濾達(dá)到最佳效果，從而使90%的總廢水再循環(huán)使用。該廠需要4臺(tái)加速器，總功率為320kw，輻照劑量為1kGy。
　　意大利學(xué)者于1997年曾報(bào)導(dǎo)一種可移動(dòng)式電子束輻照裝置。該裝置采用直線加速器，電子能量為4-6Mev，功率為1kw，它可進(jìn)行地下水及廢水（劑量1-25kGy下處理量1800-70kg/h ），有機(jī)和含氯廢水（75kGy下處理量25kg/h）及固體醫(yī)院廢物（35kGy下處理量為50kg/h）等。這種裝置可在幾天內(nèi)裝卸，特別適于緊急事件處理。
　　俄羅斯在這方面的工作非常出色，先后進(jìn)行過(guò)含酚廢水、氰化物、木質(zhì)素的輻射去除。而伏龍芝橡膠廠廢水中含的乳化劑異丁基苯磺酸鹽不能生物降解，該廠用電子束處理已建二條流水線，每臺(tái)配一臺(tái)功率50kw，電子能量0.7-1.0Mev的電子加速器，處理量12000m3/d。俄羅斯科學(xué)院物理化學(xué)研究所Pikaev教授長(zhǎng)期從事廢水的輻射處理。它的新研究成果是廢水在噴霧條件下用電子束加臭氧協(xié)同處理。在噴霧條件下電子束的射程比在液態(tài)中增加20-50倍，因而可采用低能電子加速器。該法已建小試驗(yàn)廠用于一個(gè)小鎮(zhèn)飲用水的處理。加速器電子能量只需0.3Mev，功率15kw，只需幾kGy劑量即足以達(dá)到純化和消毒的目的。 國(guó)內(nèi)在80年代以來(lái)在輻射技術(shù)處理廢水和飲用水方面也作了不少工作。如四川棉紡織一廠用60Co?輻照處理廢水，在通氣條件下進(jìn)行輻照完全脫色，COD不斷降低，到10kGy,COD小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，色度與自來(lái)水相當(dāng)。清華大學(xué)與北京自來(lái)水廠研究了水的輻射消毒。北京環(huán)保所與北京結(jié)核病醫(yī)院研究了醫(yī)院污水、污物的輻射消毒。90年代北京大學(xué)研究天津大沽化工廠排出的含六氯化苯及五氯苯酚廢水的輻射處理，并用脈沖輻解技術(shù)研究其輻射分解機(jī)理，得出輻射加臭氧化可能是這類廢水處理得最佳方案。
　　上海大學(xué)環(huán)境與化工學(xué)院在廢水及飲用水的輻射處理方面也作了一些研究。其中活性炭的常溫輻射再生比較突出。傳統(tǒng)的活性炭再生法需要900-1000oC的高溫，而輻射法可在常溫下進(jìn)行。我們先后用60Co?輻照及電子束照射，達(dá)到幾乎相同的效果。我們用差示掃描量熱器(DSC)檢測(cè)活性炭中雜質(zhì)，得出在3kGy下活性炭恢復(fù)到未使用前的原貌。如果活性炭雜質(zhì)濃度很高，用輻射法結(jié)合化學(xué)法得到最佳的再生效果。我們學(xué)院的另一項(xiàng)工作是染料廢水去色的脈沖輻解研究，用脈沖輻解技術(shù)研究了在不同條件下的去色機(jī)理，并計(jì)算了反應(yīng)速率常數(shù)。研究表明輻射法去色非?？焖儆行?。此外，我們對(duì)飲用水的電子束處理的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了綜合研究，它與其它水處理法相比處理費(fèi)用較低，這也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的重要條件。我國(guó)制造的電子加速器每千瓦為6-8萬(wàn)人民幣，相當(dāng)于進(jìn)口設(shè)備的三分之一。加速器的使用壽命在三十年以上，僅需二名技術(shù)工人進(jìn)行操作，每千瓦電子能量可以加工的水量為16000噸/年（按每年工作4000小時(shí)計(jì)），每天可提供一個(gè)居民區(qū)純凈水50噸/kw。設(shè)置一套1Mev,20kw的電子加速器，每天供應(yīng)凈化水為1000噸，其代價(jià)為每噸人民幣4元左右，每個(gè)家庭每天消耗純凈水40立升計(jì)算，只需化費(fèi)幾角人民幣。

四 污泥的輻射處理及再利用

　　污泥種類很多，如河床污泥，畜牧場(chǎng)污泥，還有廢水處理廠的生化污泥等。污泥輻射處理的歷史可追溯到1973年，當(dāng)時(shí)在德國(guó)的慕尼黑附近的Geiselbullach建成第一個(gè)污泥輻照裝置，處理經(jīng)厭氣消化的液體污泥（固體含量〈5%）。60Co輻照源強(qiáng)度為25pBq（約70萬(wàn)居里），處理量為180m3/d（3kGy下），進(jìn)行分批操作。在美國(guó)，污泥的輻照處理始于1974年，當(dāng)時(shí)在新墨西哥建立了一個(gè)用137Cs源的污泥輻照裝置。1976年在麻省波士頓附近一個(gè)廢水處理廠建立了一個(gè)用電子束的污泥輻照裝置。電子束與?輻照相比的優(yōu)點(diǎn)為，前者電離密度大，因而劑量率高，處理效率高，并且輻射防護(hù)也方便，當(dāng)時(shí)使用的電子加速器為750kev,50kw（相當(dāng)于127pBq,即350萬(wàn)居里）。處理量為380噸/天（4 kGy下）?；谏厦娴慕?jīng)驗(yàn)，1984年美國(guó)在氟羅里達(dá)州的邁阿密一個(gè)水處理廠又建一污泥輻照廠，該廠采用1.5Mev,75kw電子加速器，電子束掃描寬度為1.2米，液體污泥（2%固體含量）厚度為4mm，流速25噸/h，劑量為3.5-4kGy。日本污泥輻照處理工作主要在日本原子能研究所所屬的高崎輻射化學(xué)研究所進(jìn)行，設(shè)計(jì)電子束輻照裝置為Cockcroft-Walton型電子加速器，能量2Mev，束流30mA，含水量80%的污泥餅通過(guò)平板嘴撒在不銹鋼傳送帶，受到自上而下的電子輻照，噴嘴寬為20cm，污泥厚度為1-10mm，供料量為300kg/h。
　　90年代比較成功的例子一為印度建在南部城市Baroda的污泥消毒研究型輻照器(Sludge Hygienzation Research Irradiator)于1990年正式投入使用，1997年波蘭會(huì)議報(bào)告了他們的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。該裝置用60Co作為輻照源，源強(qiáng)18.5pBq（-50萬(wàn)居里），處理污泥為4%固體含量的厭氣消化污泥，在4 kGy下處理量為110m3/d，分批間歇操作。另一為阿根廷建在Tucuman市的60Co污泥輻照裝置，它可以處理有40萬(wàn)人的該市的污泥。它的建造基本與德國(guó)的裝置相同，源強(qiáng)為26pBq（70萬(wàn)居里），處理含8-10%固體的厭氣消化污泥，在3kGy下，最大處理量為180 m3/d，該裝置于1997年底建成。
　　經(jīng)輻照處理的污泥可以變廢為寶投入再利用。它們的用途主要有三方面即作為土壤調(diào)節(jié)劑，肥料添加劑和動(dòng)物飼料。例如泰國(guó)啤酒工業(yè)產(chǎn)生的污泥經(jīng)3kGy?輻照后用于喂魚，用取代60%標(biāo)準(zhǔn)飼料的輻照污泥與不用輻照污泥的飼料同時(shí)喂養(yǎng)魚類，證明在魚生長(zhǎng)率及質(zhì)量方面均無(wú)差異，解決了飼料（豆并須進(jìn)口）不足的問題。越南河內(nèi)城市廢物經(jīng)?輻照后作為播種體的載體，既富含有機(jī)物，又可長(zhǎng)期保存，混以無(wú)機(jī)肥料(N,P,K)，即為上等肥料。
　　在1997年波蘭會(huì)議上，我們?cè)鴮?duì)污泥的輻射處理及再利用作過(guò)報(bào)告，包括對(duì)上海蘇州河污泥處理的一些方案。上海是我國(guó)最大的工業(yè)城市，工業(yè)廢水、廢渣的排放引起蘇州河河水發(fā)黑，因此蘇州河河床污泥的處理十分重要。我們建議建造一臺(tái)1.5Mev,30mA的電子加速器，計(jì)劃在劑量3-5kGy下，污泥含水量50%，則預(yù)計(jì)處理量可達(dá)50-100噸/天，經(jīng)輻照的污泥可用于農(nóng)業(yè)。
　　輻射技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止上述內(nèi)容，其它如環(huán)境友好材料的輻射制備，塑料及固體廢物的輻射處理及再利用，天然橡膠的輻射硫化，生物醫(yī)用材料制備等，這里不一一介紹了。

（有關(guān)圖、表及參考文獻(xiàn)省略）