微波加热技术在难降解有机废水处理中的应用

徐新生，刘永红，王 宁，延 卫

（1. 西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710048；2. 浙江温州轻工研究院，浙江 温州 325003）

微波加热技术在难降解有机废水处理中的应用

徐新生1，刘永红1，王 宁1，延 卫2

（1. 西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710048；2. 浙江温州轻工研究院，浙江 温州 325003）

论述了含酚废水、染料废水、制药废水及工业氨氮废水的特点并对微波加热技术在该类废水中的应用现状进行了深入的分析，总结了微波加热技术在含酚废水、染料废水、制药废水及工业氨氮废水处理中的应用优势，展望了微波加热技术在废水处理中的应用前景。

微波加热技术；难降解有机废水；废水处理

微波是指频率为300 MHz～300 GHz、波长为1 mm～1 m的超高频电磁波，目前国内经常使用的两种微波频率为915 MHz和2 450 MHz。微波加热技术是使物体内部分子相互摩擦发热、对物质内部直接加热的方法。与传统加热方法相比，微波加热技术具有选择性高、快速高效、设备体积小、节能、清洁等优点［1］。微波加热机理包括离子传导和偶极子运动两种形式。离子传导与介质浓度、离子大小及电荷量有关；偶极子运动与介质的弛豫时间、温度及黏度有关。在实际应用中，一般情况下两种运动形式同时存在［2］。

微波加热技术起源于20世纪30年代，最初应用于通讯领域。1967年，W illiams报道了用微波加快化学反应的实验结果，将微波加热技术引入化学实验中，并逐渐形成了微波化学新领域［3］。将微波加热技术应用在环境污染治理尤其是水处理方面，是近几年新兴的研究领域。微波加热技术不仅被广泛应用于COD、苯酚、色度等的去除，而且对氨氮的去除也表现出较大的应用潜力，这为“中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要”中新增约束性指标——氨氮的减排提供了一条全新的思路。

本文总结了几种典型有机废水的特点及微波加热技术在该类废水处理中的应用情况，对其在应用过程中存在的问题作了总结并对以后的发展方向进行了展望。

1 微波加热技术在典型难降解工业废水中的应用

工业废水具有含污染物种类多、成分复杂、有机物浓度高、色度大、毒性强等特点，尤其是染料、制药等复杂工业废水中通常含有大量的难降解有机毒物，水质差异大、可生化性差。目前国内外学者对微波加热技术在该领域的应用展开了较为深入的研究，微波加热技术正在成为一种处理难降解工业废水的新兴技术。

1.1 微波加热技术在含酚废水中的应用

酚及其衍生物是工业废水中常见的高毒性、难降解有机物，是一种原型质毒物，对一切生物个体都有毒害作用。含酚废水在我国水污染控制中被列为需重点解决的有害废水之一。

徐成斌等［4］用微波协同活性炭催化氧化工艺处理含酚废水，实验结果表明：在活性炭加入量1.0 g、微波功率600 W、辐射时间3 m in的条件下，100 m L初始质量浓度600 mg/L的苯酚溶液的去除率可达67.79%；该工艺对苯酚的处理效果明显优于单独活性炭吸附及单独微波辐射工艺。

施向荣等［5］采用微波诱导催化氧化技术，以Fe2O3/γ-A l2O3为催化剂，对高浓度模拟苯酚废水进行了氧化处理，实验结果表明：在微波反应功率500 W、催化剂加入量1 g、H2O2加入量3‰、pH 7、辐射时间15 min的条件下，处理30 m L初始质量浓度1 100 mg/L的废水，苯酚去除率达92.3%；微波催化氧化的处理效果优于单一微波、微波-H2O2联合工艺。

赵德明等［6］用微波强化臭氧氧化系统处理模拟苯酚废水，实验结果表明：在臭氧流量1.4 mg/ min、反应温度298 K、pH 11、辐射时间30 min的条件下，苯酚去除率达95%以上；微波强化臭氧氧化系统较单独微波及臭氧体系具有明显的协同效应。

Bi等［7］采用微波诱导ClO2-CuOx/A l2O3催化氧化处理初始质量浓度为100 mg/L的模拟苯酚溶液，实验结果表明：在ClO2加入量80 mg/L、微波功率50 W、辐射时间5 m in、催化剂加入量50 g/L、pH 9的条件下，苯酚和COD去除率分别为92.24%和79.13%；微波诱导ClO2-CuOx/A l2O3催化氧化工艺较常规ClO2催化氧化工艺有用时较短、催化剂加入量少及pH适用范围广等优点。

Prasannakumar等［8］利用微波协同H2O2氧化降解废水中的苯酚，实验结果表明：在H2O2加入量5.0 m L、微波功率668 W、辐射时间60 s的条件下，100 m L初始质量浓度300 mg/L的苯酚溶液降解率达82.36%；微波协同H2O2氧化降解苯酚效率较单独H2O2氧化时间大大缩短。

上述研究表明，在含酚废水处理中微波加热技术与其他技术联用表现出明显的优越性。微波加热技术不仅减少了化学处理药剂的加入量，而且大大缩短了处理时间。

1.2 微波加热技术在染料废水中的应用

染料废水是一种有机物含量高、色度深、毒性大、污染性极强的废水，同时染料废水有排放量大、排放具有间歇性、水质不稳定的特点，属目前我国难治理的主要工业废水之一。

乔俊莲等［9］用微波协同活性炭氧化工艺处理模拟甲基橙废水，实验结果表明：在甲基橙质量浓度305 mg/L、微波功率580 W、辐射时间10 min、活性炭加入量1.2 g/L的条件下，废水脱色率为99.63%；微波协同活性炭氧化工艺对甲基橙的处理效果明显优于单独活性炭吸附及单独微波辐射的处理效果。

张静等［10］采用Fe2O3/膨润土负载型催化剂协同微波诱导氧化处理模拟活性嫩黄废水，实验结果表明：在催化剂加入量0.5 g、微波功率900 W、辐射时间5 m in的条件下，50 m L质量浓度50 mg/L的模拟活性嫩黄废水色度去除率为96.40%。

孙杰等［11］用微波紫外灯光氧化-内电解联合工艺处理活性深兰M-2GE染料模拟废水，实验结果表明：在废水pH 6.3、次氯酸钠加入量4 m L/L，微波紫外光反应时间30 m in、内电解反应时间50 min的条件下，色度去除率和COD去除率分别达95%和70%以上；染料废水经微波紫外光氧化-内电解法处理较单独微波紫外光氧化或内电解法处理染料废水的处理效果好。

Zhang等［12］利用微波协同活性炭快速降解刚果红染料废水，实验结果表明：在微波频率2 450 MHz、活性炭加入量2.0 mg/L、辐射功率800 W、pH 8、反应时间1.5 min的条件下，25 m L 质量浓度50 mg/L的刚果红废水色度去除率达89.15%，且增加活性炭加入量到3.6 g/L或延长反应时间到2.5 min时，色度去除率可达到96.49%～97.88%；微波协同活性炭工艺较单独微波及单独活性炭吸附处理对色度去除率效果好。

Bi等［13］采用微波诱导ClO2催化氧化处理活性艳黄染料废水，实验结果表明：在ClO2加入量0.08 g/L、微波功率400 W、辐射时间1.5 m in、催化剂CuOn-La2O3/γ-Al2O3加入量70 g/L及pH 7的条件下，100 m L质量浓度200 mg/L活性艳黄染料废水色度去除率为94.03%；微波强化ClO2催化氧化较常规湿式催化氧化处理时间短、pH适用范围更广。

上述研究表明，微波加热技术的应用可有效提高染料废水的色度去除率，同时缩短处理时间，使活性炭的重复使用次数增加，降低了成本，并且使一些难降解有机物更易去除。

1.3 微波加热技术在制药废水中的应用

制药废水的特点是成分复杂、有机物含量高、毒性大、色度深和含盐量高，特别是可生化性很差且间歇排放，属目前我国难治理的主要工业废水之一。

王子波等［14］用微电解-微波辐射联用技术处理敌百虫农药废水。实验结果表明：将废水稀释200倍，使进水COD为750 mg/L，经过微电解实验的出水继续作为微波辐射进水进行实验，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、辐射时间8 m in的条件下，出水COD达25～70 mg/L；与传统生化法相比，利用微电解-微波辐射法处理敌百虫农药废水，耗时短、效率高、操作简单。

肖广全等［15］用微波辐射-生物接触氧化法对某制药厂污水处理站的调节池出水进行处理，实验结果表明：初始COD 6 000～8 000 mg/L的制药废水经微波处理后COD去除率为10%～15%；而直接用好氧生物接触氧化法处理时COD的去除率较低，且出水COD大于300 mg/L；经过微波预处理（辐射功率459 W、辐射时间8 m in）后，再进行好氧生物接触氧化处理（760 m in），组合工艺对COD的总去除率大于95%，最终出水的COD小于300 mg/L。

朱骏等［16］采用微波强化Fenton试剂氧化法处理高浓度医药中间体废水，实验结果表明：在初始pH 4、H2O2加入量5 m L/L、FeSO4·7H2O加入量3 g/L、微波功率为300 W、辐射时间7 m in的条件下，对500 m L医药中间体废水的COD去除率达89.7%；微波强化Fenton试剂氧化技术降解速率较普通Fenton试剂氧化技术快。

Yang等［17］利用微波强化Fenton试剂催化氧化反应处理初始COD为49 912.5 mg/L的高浓度制药废水，实验结果表明：在辐射功率300 W、辐射时间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的条件下，COD去除率达57.53%，且BOD5/COD由0.165上升至0.470，可生化性大大提高；该方法较单独的Fenton试剂催化氧化及传统加热Fenton催化氧化具有明显优势。

上述研究表明，微波加热技术与物化、生物方法联用处理制药废水时，不仅可以改善处理效果，而且可以缩短处理时间，同时微波加热技术的应用可大大提高制药废水的可生化性，这对于后续联用的生物处理有着至关重要的作用。

2 微波加热技术在典型工业氨氮废水中的应用

随着COD、色度、酚类等逐步得到有效控制，氨氮作为“中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要”中新增约束性指标已受到相关行业的广泛关注。垃圾渗滤液和焦化废水作为两种氨氮废水的典型代表，除了具有难降解有机废水的含有大量有机物组分和多种有害难降解成分、有毒及抑制性物质多等特点外，其突出特点是氨氮浓度高。氨氮含量过高会影响废水的生物处理过程，同时影响其他有害物质的去除效果。

丁湛等［18］以负载铁（Ⅱ）的颗粒活性炭（GAC）为催化剂，采用微波强化Fenton试剂氧化处理取自西安市某垃圾填埋场渗滤液处理厂集液池原液的老龄垃圾渗滤液。实验结果表明：微波作用时间是影响处理效果的主要因素，且在GAC的铁负载量为33.32 mg/g、微波功率720 W、微波时间30 min的条件下，垃圾渗滤液中COD和氨氮的去除率达到了95.64%和88.63%。

商平等［19］用微波改性的沸石对取自天津市某垃圾处理场经过混凝、絮凝处理的垃圾渗滤液进行深度处理，实验结果表明：在微波功率480 W、调节水样pH 6、改性沸石7 g、吸附时间20 min的条件下，100 m L初始质量浓度为32 mg/L的废水氨氮去除率为92.11%。

吕早生等［20］采用微波加热法脱除炼焦剩余氨水中的氨氮，实验结果表明：静态实验中，在每100 m L废水碱加入量1.000 8 g/L、辐射时间5 min、微波功率900 W的条件下，氨氮去除率为98.72 %，剩余氨水中氨氮质量浓度降至68 mg/L；微波加热和空气吹脱动态实验中，在剩余氨水流量4 m L/m in、微波功率720 W、空气流量0.6 m3/h、加碱量与剩余氨水体积比0.15∶1的条件下，氨氮去除率达到94.58 %，吹脱平衡后氨氮含量为287 mg/L。

Lin等［21-22］用微波直接辐射焦化废水，实验结果表明：pH和辐射时间对氨氮去除率影响较大，而初始氨氮质量浓度和曝气量对氨氮去除率影响不大，在微波功率750 W、pH 11的条件下处理100 m L不同浓度的焦化废水，一组辐射5 m in后焦化废水中氨氮质量浓度由1 350 mg/L降至50 mg/L，另一组辐射10 min后焦化废水中氨氮质量浓度由5 000 mg/L降至350 mg/L，显示了较高的氨氮去除率。在此实验的基础上，新建了一套中试规模的连续微波处理工艺，处理山西某焦化厂的焦化废水，初始质量浓度为2 400～11 000 mg/L的焦化废水氨氮去除率达到80%左右，且较空气吹脱法经济成本低。

上述研究表明，微波加热技术的应用可使氨氮废水中的大量氨氮得到有效去除，改变了该类废水中碳氮比例严重失调的状况，经过微波处理的氨氮废水可以用某些常规生物方法进行处理。

微波加热技术以其独特优势在其他废水处理中的应用也日趋广泛［23-29］，且微波加热技术与其他处理方法联用也已被越来越多的人接受并应用。Ai等［30］全面地进行了微波与几种高级氧化技术联合处理废水的实验研究，发现微波辐射几乎可使高级氧化技术的处理效率提高一倍，表现出了极大的优越性。

3 结语

微波加热技术的应用使处理时间大大缩减，药剂加入量有所减少，使某些难生物降解废水的可生化性有所提高，并且使一些所需条件苛刻的反应能够顺利进行且效率大大提高，尤其是在将其作为氨氮废水预处理技术方面表现出了极大的优越性。

但是微波加热技术在废水处理中的应用还处于起步阶段，其相关技术、设备研发及配套设备的整合、微波加热技术在规模生产上的应用瓶颈等许多问题还需做进一步研究，且目前大部分实验都是在静态实验条件下讨论废水中单一指标的变化情况。寻求一种综合处理废水中的各种有害物质的连续微波处理工艺以及加快微波加热技术的工业化进程的研究是今后发展的方向。

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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，河南省辉县市人，硕士生，主要研究方向为工业废水处理。电话 18710510373，电邮 xinshengxu0406@126.com。联系人：刘永红，电话13572505762，电邮 liuyhxa@hotmail.com。

国家自然科学基金资助项目（21176197）；国家科技重大专项（2009ZX07212-002-002）；陕西省科技统筹创新工程计划（2011KTZB03-03-01）；温州市科技项目（H20100004）。

（编辑 张艳霞）