微波技術(shù)應(yīng)用于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(gè)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(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)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(jìn)一步開發(fā)，使得它的應(yīng)用從傳統(tǒng)的通訊領(lǐng)域轉(zhuǎn)向催化化學(xué)、材料加工、污染控制等領(lǐng)域。其中，在污染控制領(lǐng)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(jìn)展。

　　1　微波加熱的原理

　　1.1　微波加熱的機(jī)理

　　在微波加熱的過程中，微波能轉(zhuǎn)化為熱能的機(jī)理有2種，即偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理和離子傳導(dǎo)機(jī)理。

　　偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)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(zhì)都是由一端帶正電荷、另一端帶負(fù)電荷的分子（或偶極子）組成。在自然狀態(tài)下，介質(zhì)內(nèi)的偶極子作雜亂無章的運(yùn)動(dòng)和排列，當(dāng)介質(zhì)處于電場中時(shí)，其內(nèi)部重新進(jìn)行排列，變成了有一定取向、有規(guī)則排列的極化分子。當(dāng)電場方向以一定頻率交替變化時(shí)，介質(zhì)中的偶極子的極化取向也以同樣頻率轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)的頻率也就越快，產(chǎn)生的熱效應(yīng)越強(qiáng)，而微波波段電磁場頻率高達(dá)108數(shù)量級，所以在微波輻射下，偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)可觀，從而使體系在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度。偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的加熱效率取決于介質(zhì)的馳豫時(shí)間、溫度和黏度。

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

　　1.2　微波加熱的特點(diǎn)

　　傳統(tǒng)加熱是利用傳導(dǎo)和對流方式進(jìn)行的，首先加熱容器，容器將熱量傳導(dǎo)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(shí)間。而加熱環(huán)境一般不可能嚴(yán)格地絕熱封閉，長時(shí)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(jìn)行，微波功率以光速滲入物體內(nèi)部，及時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，避免了長時(shí)間加熱過程中的熱散失，并且可對物體內(nèi)外部進(jìn)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(diǎn)。

　　2　微波技術(shù)在固體廢棄物處理中的應(yīng)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(dá)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(shí)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?jiān)看?，填埋費(fèi)用高。美國開發(fā)了鋼廠含油淤泥的微波脫油技術(shù)，該技術(shù)是將含油和金屬的污泥與添加劑混合，然后在一個(gè)流動(dòng)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(zhì)（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(fèi)用，采用微波脫油處理該鋼廠污泥，處理費(fèi)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(jī)理是微波能在微生物體內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能，使生物體本身溫度升高，從而使體內(nèi)蛋白質(zhì)發(fā)生變性凝固致死。其特點(diǎn)是作用溫度低，時(shí)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(dá)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(gè)以蒸汽為基礎(chǔ)，通過微波產(chǎn)生濕熱和蒸汽進(jìn)行消毒的過程。在利用微波對固體廢物滅菌消毒時(shí)，首先將廢物粉碎，然后送入微波加熱爐并通入蒸汽旋轉(zhuǎn)加熱，在滅菌消毒的同時(shí)廢物體積也會被壓縮。有關(guān)研究表明，將醫(yī)療廢物浸濕粉碎后，再采用微波對廢物進(jìn)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(yán)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(shù)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(qiáng)的二惡英等二次污染物，而且處理時(shí)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(zhì)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(jìn)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?yàn)榧訜釡囟炔粔蚨鵁o法完全分解，若采用微波加熱，溫度會穩(wěn)定上升，很快達(dá)到2000℃。而且采用微波加熱處理廢舊輪胎還能實(shí)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(shù)，將廢舊輪胎橡膠進(jìn)行軟化處理，使橡膠分子結(jié)構(gòu)中的CC鍵和CS鍵斷裂，從而回收了36%的C（包括高質(zhì)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(yán)格封閉的條件下進(jìn)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(jì)算機(jī)、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(jié)果滲析出有害金屬，污染地下水。

　　為此Florida大學(xué)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(shù)。該技術(shù)是將壓碎的廢電路板放入一個(gè)熔融石英坩堝中，在一個(gè)內(nèi)壁襯有耐火材料的微波爐中加熱30～60min,其中的有機(jī)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(gè)微波爐，進(jìn)入第2個(gè)微波爐被分解。剩下的物質(zhì)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(zhì)。將這種物質(zhì)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(shù)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(shè)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(jì)[18],我國每年僅施工建設(shè)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(hù)生態(tài)的有效途徑。

　　據(jù)報(bào)道，微波技術(shù)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(shù)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(zhì)量與新拌瀝青路面料相同，而成本降低了1/3,同時(shí)節(jié)約了垃圾清運(yùn)和處理等費(fèi)用。利用微波技術(shù)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(jié)語

　　微波的發(fā)展還表現(xiàn)在應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。微波的最重要應(yīng)用是雷達(dá)和通信。雷達(dá)不僅用于國防，同時(shí)也用于導(dǎo)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(yīng)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(yuǎn)鏡、微波加速器等對于物理學(xué)、天文學(xué)等的研究具有重要意義。毫米波微波技術(shù)對控制熱核反應(yīng)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(xué)等方面的研究，以及微波在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面的研究和發(fā)展已越來越受到重視（見微波應(yīng)用、微波能應(yīng)用、微波醫(yī)學(xué)應(yīng)用等）。 利用微波技術(shù)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(diǎn)，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。然而國內(nèi)對微波技術(shù)在固體廢棄物處理方方面的應(yīng)用研究起步較晚，而且目前的工作大多限于實(shí)驗(yàn)室研究水平，工業(yè)化應(yīng)用較少。隨著人們環(huán)保意識的提高和微波技術(shù)的進(jìn)一步完善，以及用于污染控制領(lǐng)域的微波設(shè)備的研制開發(fā)等，微波技術(shù)將會在固體廢棄物的處理乃至整個(gè)污染控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。