利用辐照技术对污泥中大肠杆菌杀灭效果的研究及对辐照污泥技术的选择

2021-04-13高建政张玥杨斌王学科

科技与创新 2021年6期

高建政，张玥，杨斌，王学科

高建政1，张玥2，杨斌2，王学科3

（1.天津市生态环境监测中心，天津 300191；2.天津市技术物理研究所，天津 300192；3.天津壹新环保工程有限公司，天津 300400）

采用γ辐照技术对市政污泥进行处理，对辐照后污泥中大肠杆菌含量进行检测。试验结果表明，10 kGy以上的辐照剂量对污泥中大肠杆菌可以达到较为理想的杀灭效果。进行污泥灭菌实验或辐照剂量工艺研究时可以选择钴60γ射线辐照装置，工业电子加速器辐照装置更适合污泥辐照灭菌的连续作业。

γ辐照；污泥处置；大肠杆菌；工业辐照

1 引言

市政污水处理厂污泥（下简称“市政污泥”或“污泥”）是污水处理工艺中产生的剩余污泥，具有产量大、含水率高、污染物浓度高等特点，长时间堆放极易产生渗滤液污染水体，其挥发的有害气体污染周边大气，是亟待解决的环保焦点问题。

根据生态环境部发布的《2019中国生态环境状况公报》，截至2019年底，全国城市污水处理厂累计处理污水5.32× 1010m3。根据污泥处理厂天津壹新环保工程有限公司的处理经验，污泥占污水的体积为0.05%～0.08%，2019年城市污水处理产生的含水率为80%的城市污泥约为2 660万～4 256万t。

对污泥进行消毒处理可以减少污泥中的虫卵、细菌、病毒含量，减少SO2等有异味气体的产生，还可以作为厌氧消化技术的原料，提高产沼率。目前对污泥进行消毒灭菌的方法主要是化学法和高温加热法。化学法是在待处理的污泥中添加次氯酸等各种化学药剂，通过化学杀菌的方法将污泥中的有害生物杀灭。这种方法优点是单位价格较低，但是为了彻底消毒，则需要充分搅拌药剂与待处理的污泥，需要较长的灭菌时间，同时由于添加了药剂，处理后的污泥中会呈现盐碱性，限制了污泥再利用的范围。高温法则是对污泥进行热处理。这是一种传统有效的处理方法，不添加化学药剂，不会影响污泥的利用，但是高温法由于需要对污泥进行高温加热才能达到灭菌效果，因此能耗极高，既不符合当今绿色环保的发展理念，而且财务成本也很高。

本文研究的是一种新型污泥处理技术，即采用辐照技术对污泥进行灭菌处理。辐照污泥灭菌是指通过使用工业辐照装置中产生的高能射线，对污泥进行辐照，利用高能射线破坏污泥中有害微生物的细胞生理结构，进而导致微生物死亡，从而达到污泥无害化目的。

早在1973年德国的污水处理厂就使用钴60放射源处理污泥，随后美国、印度等国家也都开展过工业化辐照污泥的尝试，美国环保署将污泥辐照处理技术作为推荐技术，并规定污泥经过10 kGy的处理，可以作为无害化生物固体无限制使用[1]。中国目前对辐照污泥的研究还停留在试验阶段，还没有实现工业化。

目前，辐照技术已经多年被广泛应用于对食品、中草药、医疗用品等的消毒杀菌。辐照技术消毒灭菌时无需升高温度，不在被照射物品中添加新的化学组分，也不产生消毒的副产品，可大大减少对生态环境的影响，是一种安全、高效的杀菌手段，被认为是“绿色”技术[2]，被国外称为冷巴氏消毒技术。

本文利用辐照技术对污泥中大肠杆菌杀灭效果进行了研究，以及基于现有工业辐照的技术特点以及污泥辐照处理的技术特点方式，进行辐照技术选择的分析研究。

2 材料与方法

2.1 样品

样品名称：污泥，含水率95%。

样品来源：天津壹新环保工程有限公司。

共6份样品，每份样品重约500 g。污泥放入20 cm×14 cm×6 cm的塑料盒中，在盒盖上标注标号，用胶带将塑料盒封裹。辐照完成后，送检测单位进行检测。

污泥试验样品如图1所示。

图1 污泥试验样品

2.2 辐照试验

辐照单位：天津金鹏源辐照技术有限公司。

辐照剂量：0 kGy、5 kGy、10 kGy、15 kGy、20 kGy、25 kGy。

辐照方式：Co-60 γ辐照。

2.3 样品检测

由谱尼测试集团股份有限公司进行大肠杆菌含量检测。

3 结果与讨论

在不同辐照剂量下，污泥中大肠菌群含量情况如表1 所示。

表1 样品测试结果

辐照剂量/kGy大肠菌群/MPN/g 0240 5240 10130 1579 2049 2533

张韶华等[3]曾对污水处理厂曝气池、沉淀池中的样品进行辐照处理，在6 kGy辐照剂量下细菌总数为1.54× 102cfu/ml；在10 kGy辐照剂量下细菌总数为0；发现低剂量（1 kGy）辐照可使活性污泥中的细菌总数大幅降低。孙永亮等[4]调查发现脱水后污泥中各种病原菌的10（10：病原菌死亡率达到90%所需辐照剂量）在10 kGy左右。而此次实验在很高的辐照剂量下仍能够检测出大肠杆菌。由于是γ射线辐照，不涉及穿透能力的因素。

分析其原因，因为本次实验是在新冠疫情期间进行的，在新冠疫情期间，受到人员及物品流动管制的影响，污泥样品在辐照处理后无法马上送至专门机构进行含菌量检测，样品从辐照后到检测机构开始测量大约有长达20 d的时间，在等待检测的时间内，大肠杆菌又进行新的繁殖。但从检测数据可以看出，10 kGy的辐照剂量对大肠杆菌已具有明显的杀灭效果。

4 污泥辐照技术的方式选择及分析

目前国际上已经存在的工业化的辐照技术主要有两种，一种是钴60的γ辐照，另一种是高能电子束辐照。从大量的工业实践中可以得出，对绝大多数被照物品来看，被钴60的γ射线或高能电子束进行相同剂量的辐照后，所得到的辐照效果是近乎相同的。

4.1 钴60辐照技术

钴60放射源辐照使用的是在核反应堆制成的钴60放射源作为辐照源，是一种人造放射源，半衰期为5.27年，发生一次核衰变可以释放出2条能量分别为1.17 MeV和 1.33 MeV的γ射线。由于γ射线不带电，因此具有很强的穿透力，所以可以辐照体积相对较大的物体。同时由于γ射线穿透力较强，它的传能线密度也就相对较小，因此使用γ射线辐照物品时，被辐照物品的辐照吸收剂量率也相对较低。

基于以上特点，使用钴源进行工业辐照的物品多为体积相对较大（形状异型）或密度相对较大或总吸收剂量相对较小的物品，如大包装的食品、药品、香辛料、医疗器械及异型材等。

钴60放射衰变属于核衰变，其γ射线发出的角度也是随机的。从宏观来看，钴源棒放出的射线是4π方向的，因此，为了提高射线的利用率，及被照物品的辐照均匀性，就要考虑到钴源60放射源棒的工业排布方式，以期获得最大的射线利用率和被照物品辐照均匀性。在实际的钴源工业辐照实践中，若干工业辐照用钴源棒是按照自身放射源含量的多少，通过一定科学计算后，按照相对最佳的顺序放置在钴源辐照屏蔽室内钴源专用贮存格栅之中，使得格栅两侧形成均匀梯度的辐照场。在钴源非工作状态，存放的钴源的格栅是放置在近10 m深的水井之中，当需要进行辐照作业时，储源格栅提升至水面之上，利用专用的机械传输装置，将被照物品带至格栅两侧的梯度辐照场内进行辐照，辐照作业完成后再由机械传输装置带出辐照场。

钴源辐照装置如图2所示。

图2 钴源辐照装置示意图

注：图片来源于北京三强核力辐射工程技术有限公司。

由于含菌污泥属于量大、可流动、低值物品，如将污泥按照普通需辐照物品一样密封打包处理后再在传统的钴源辐照装置中进行商业辐照，是不符合商业原则的。如果开发新型专用钴源污泥辐照装置，也会遇到如下问题：首先，要使得辐照剂量达到10 kGy，一般需要在钴源辐照场中进行 1 h或者更长时间的辐照；其次为了利用钴源辐照的强穿透力及4π辐照角度的特点，同时也为了提高钴源射线的利用率及辐照均匀性，就需要将大量的污泥长时间在钴源棒近距离周围进行往复运动。这种长时间在高度危险的I类放射性钴源棒近距离进行长时间大量流体运动的辐照方式，对从钴源辐照装置放射源安全管理的角度来说，是完全无法接受的。如钴60放射源的保护装置出现问题，可能会造成污泥与放射源混杂，会成为极难处理的辐照事故。

而且，由于钴源属于放射性核素，其原子核的核衰变和γ射线的放射是无法停止的，即使没有需要辐照处理的物品，钴源辐照依旧存在，无法降低辐照成本。从经济上和技术上讲，对污泥进行工业辐照钴60γ辐照并不是合适的方式。但是，由于γ射线的穿透力强，在不需要特殊辐照束装置的条件下，仅需要对样品污泥进行简单的处理，即可进行污泥辐照的研究实验或辐照剂量工艺确定实验，所得的污泥辐照实验结果也可应用于未来的加速器工业辐照。

4.2 电子加速器辐照技术

高能电子束辐照是指采用不同类型的加速器，将电子能量加速到0.2～10 MeV范围内，然后使用高能电子照射被照物品的辐照方式。

由于电子带负电荷，其传能线密度较高。因此，相对于γ射线辐照，高能电子射线辐照的穿透力较低，而辐照剂量率相对较高，达到10 kGy辐照剂量一般只需约1 s的时间（具体数值要结合实际使用加速器扫描窗下的高能电子输出的功率密度）；基于这种技术特点，采用电子辐照的物品多为体积相对较小、平均密度相对较小、吸收剂量相对较多的物品，如电线电缆的绝缘层、热收缩材料制品、各类化工产品等，包装尺寸较小的食品、药品等。

高能电子束来源于不同类型的加速器。无论是何种类型的加速器，均是基于电子带电荷的特性，利用电子在磁场中加速偏转的物理属性，通过不同类型结构设计方式，让电子枪产生的热电子在真空状态下，在不同形态的电场中加速，并在不同形态的磁场中偏转，从而产生出所需能量的高能电子，并设定出口输出的装置。因此加速器输出的高能电子束的能量和辐照的方向在一定范围内均是可以设定的，这个特性使得加速器输出的用于辐照的高能电子束射线的单向一致性和射线的利用率皆优于钴源的γ辐照方式。

基于电子加速器辐照的特性，使用电子加速器进行辐照时，可以将被照物品置于加速器电子束流的输出口下，并对应加速器能量高低设定穿过电子束输出窗口下的厚度，只要被照物品在经过高能电子束流输出窗口时的厚度满足电子束的穿透能力时，就可以通过特定装置实现大量流体的连续辐照作业[4]。

地纳米加速器如图3所示。

通过将被照的流体物品整形成合适的形态，即可实现加速器连续工业辐照。目前这种辐照方式在污水辐照处理和粮食辐照灭菌方向已有成功的案例。如污泥灭菌工艺需要采用辐照技术，只需要设计一种专用的加速器束下污泥输运装置，使得通过加速器束下扫描窗的含菌污泥的厚度、宽度，通过速率满足加速器输出的高能电子束的能量、功率及污泥辐照所需剂量的要求即可。这种装置的设计与制造与普通污泥的传输装置相类似，并无太高的工业难度。

中广核达胜加速器技术有限公司辐照污水处理技术如图4所示。