包伯榮 吳明紅 徐茂均 周瑞敏 朱憲
（上海大學環境與化工學院）

一 引言

　　本論文由三部分內容組成，一為出席國際原子能機構(IAEA)組織召開的“輻射技術與環境保護”國際學術研討會上的報告，二為文獻調研的資料，三為我們在這一領域已從事過的一些工作。
　　輻射技術用于廢氣、廢水及廢渣的處理有如下優點：1) 它可以解決化學法或生化法無法解決的問題，如它可以使不能生物降解的污染物分解；2）不加或少加化學品，從而減少二次污染；3）殺菌特別有效。如據清華大學核能院與北京自來水廠合作進行的工作，在輻照劑量1kGy下，大腸桿菌全部殺死，0.01kGy下，細菌明顯殺傷。
　　輻射技術在環境保護中的應用雖有幾十年的歷史，但仍處于發展階段。近幾年國際會議連續不斷。如1992年三月在德國召開的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月于美國召開的International Symposium on Environmental Application of Ionizing Radiation.
　　下面分三個方面，談談輻射技術在處理廢氣、廢水和廢渣方面的發展歷史、當前進展及展望，并介紹我們在這一領域的初步工作。

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的化學法的突出優點為：
　　· 可以高效同時脫除SO2和NOx
　　· 這是一種干法處理，無二次污染；
　　· 煙道污染物轉化為農肥(NH4)2SO4及NH4No3;
　　· 占地面積小，投資和運行費用低，投資一般為傳統法的80%；
　　· 提供方便的過程控制性和負荷跟蹤性。 煙道氣的電子束凈化的開發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的輻射化學反應。1974年Ebara公司建立了1000 Nm3/hr規模的中試處理裝置，證實電子束法添加氨能同時脫除SO2和NOx并使之轉化為(NH4)2SO4與NH4No3。它使用一臺能量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，運行證明電子束法確是一種工業上可行的脫除煙道氣SO2和NOx的方法，而且變廢為寶，產生副產物肥料。以后近二十年，世界各國（主要為日本、美國、德國、波蘭）先后建立中試廠。統計至1999年中試廠約有20座，最大處理量達24000 Nm3/hr。
　　在上述中試基礎上，世界各國正在籌建示范廠，其中最引人注目的為中國和波蘭二個示范廠。中國四川電力工業局與日本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%。副產物肥料產量為2470kg/hr。波蘭的示范廠設計處理量為270,000Nm3/hr，SO2及NOx去除率分別為95%與80%。使用4臺加速器，每臺電子能量為800kev，功率為300kw，總功率為1.2Mw，計劃于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燃煤機組的煙道氣，處理量為320,000Nm3/hr，采用國際標準型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發電廠排出的煙道氣。我們曾對寶鋼發電廠的煙氣進行過“電子束煙氣脫硫脫氮”的預研，對工藝流程的主要環節進行了研究。其中一個主要環節為煙道氣進入輻照反應器前，要進行噴氨，然后一起進入反應器，使煙道氣中SO2及NOx轉化為(NH4)2SO4及NH4No3。這里加氨方式直接影響SO2和NOx的轉化率及氨的利用率。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成霧滴噴入反應器。我們將它稱為干法加氨方式。從四川成都的實例表明，它易導致氨氣泄漏，反應中氨當量不足而使脫除效率下降，此外副產物中混雜少量重金屬，使產物化肥品質下降。為此我們采用濕法加氨方式，即我們噴入的為氨水，通過二次混合，最后進入反應室。從化學反應的角度或從化工傳質的角度看，我們認為噴氨水更為合理。它的優點為氨水在反應器中兼顧冷卻反應氣體，又可循環使用，不致隨廢氣排出，也可避免固體副產物在反應器中凝結，而且副產物以重結晶方式產出，不含重金屬，因而品質高。

三 工業廢水及飲用水的去污和消毒

　　工業廢水重點為印染廠、造紙廠排出的廢水以及含酚、含氰、橡膠廠和畜牧場的廢水等。飲用水也有多種來源，如地下水、河水、醫院污水、畜牧場污水等。輻射對殺菌的效果特別好，這是人所共知的。巴西學者于1993年建立的廢水處理的小試驗廠，采用80%工業廢水及20%民用廢水，發現在3kGy下，大腸桿菌下降5個數量級，3-9kGy下，有機物去除20-30%。限于篇幅，本文僅舉一些典型的例子說明國內外這方面的進展。
　　1970年在美國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）。
　　韓國三星重工業公司曾報導了韓國建成的二個工業廢水處理廠。一個建在Taegu染料工業聯合企業，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。實驗室研究證明原來用化學法及生物法只有20-30%的總廢水量再循環。而生物法后進行輻照，再加凝聚、過濾達到最佳效果，從而使90%的總廢水再循環使用。該廠需要4臺加速器，總功率為320kw，輻照劑量為1kGy。
　　意大利學者于1997年曾報導一種可移動式電子束輻照裝置。該裝置采用直線加速器，電子能量為4-6Mev，功率為1kw，它可進行地下水及廢水（劑量1-25kGy下處理量1800-70kg/h ），有機和含氯廢水（75kGy下處理量25kg/h）及固體醫院廢物（35kGy下處理量為50kg/h）等。這種裝置可在幾天內裝卸，特別適于緊急事件處理。
　　俄羅斯在這方面的工作非常出色，先后進行過含酚廢水、氰化物、木質素的輻射去除。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，每臺配一臺功率50kw，電子能量0.7-1.0Mev的電子加速器，處理量12000m3/d。俄羅斯科學院物理化學研究所Pikaev教授長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同處理。在噴霧條件下電子束的射程比在液態中增加20-50倍，因而可采用低能電子加速器。該法已建小試驗廠用于一個小鎮飲用水的處理。加速器電子能量只需0.3Mev，功率15kw，只需幾kGy劑量即足以達到純化和消毒的目的。 國內在80年代以來在輻射技術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，在通氣條件下進行輻照完全脫色，COD不斷降低，到10kGy,COD小于國家標準，色度與自來水相當。清華大學與北京自來水廠研究了水的輻射消毒。北京環保所與北京結核病醫院研究了醫院污水、污物的輻射消毒。90年代北京大學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，并用脈沖輻解技術研究其輻射分解機理，得出輻射加臭氧化可能是這類廢水處理得最佳方案。
　　上海大學環境與化工學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。傳統的活性炭再生法需要900-1000oC的高溫，而輻射法可在常溫下進行。我們先后用60Co?輻照及電子束照射，達到幾乎相同的效果。我們用差示掃描量熱器(DSC)檢測活性炭中雜質，得出在3kGy下活性炭恢復到未使用前的原貌。如果活性炭雜質濃度很高，用輻射法結合化學法得到最佳的再生效果。我們學院的另一項工作是染料廢水去色的脈沖輻解研究，用脈沖輻解技術研究了在不同條件下的去色機理，并計算了反應速率常數。研究表明輻射法去色非常快速有效。此外，我們對飲用水的電子束處理的經濟可行性進行了綜合研究，它與其它水處理法相比處理費用較低，這也是實現產業化的重要條件。我國制造的電子加速器每千瓦為6-8萬人民幣，相當于進口設備的三分之一。加速器的使用壽命在三十年以上，僅需二名技術工人進行操作，每千瓦電子能量可以加工的水量為16000噸/年（按每年工作4000小時計），每天可提供一個居民區純凈水50噸/kw。設置一套1Mev,20kw的電子加速器，每天供應凈化水為1000噸，其代價為每噸人民幣4元左右，每個家庭每天消耗純凈水40立升計算，只需化費幾角人民幣。

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，當時在德國的慕尼黑附近的Geiselbullach建成第一個污泥輻照裝置，處理經厭氣消化的液體污泥（固體含量〈5%）。60Co輻照源強度為25pBq（約70萬居里），處理量為180m3/d（3kGy下），進行分批操作。在美國，污泥的輻照處理始于1974年，當時在新墨西哥建立了一個用137Cs源的污泥輻照裝置。1976年在麻省波士頓附近一個廢水處理廠建立了一個用電子束的污泥輻照裝置。電子束與?輻照相比的優點為，前者電離密度大，因而劑量率高，處理效率高，并且輻射防護也方便，當時使用的電子加速器為750kev,50kw（相當于127pBq,即350萬居里）。處理量為380噸/天（4 kGy下）。基于上面的經驗，1984年美國在氟羅里達州的邁阿密一個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研究所進行，設計電子束輻照裝置為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年波蘭會議報告了他們的運行經驗。該裝置用60Co作為輻照源，源強18.5pBq（-50萬居里），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40萬人的該市的污泥。它的建造基本與德國的裝置相同，源強為26pBq（70萬居里），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節劑，肥料添加劑和動物飼料。例如泰國啤酒工業產生的污泥經3kGy?輻照后用于喂魚，用取代60%標準飼料的輻照污泥與不用輻照污泥的飼料同時喂養魚類，證明在魚生長率及質量方面均無差異，解決了飼料（豆并須進口）不足的問題。越南河內城市廢物經?輻照后作為播種體的載體，既富含有機物，又可長期保存，混以無機肥料(N,P,K)，即為上等肥料。
　　在1997年波蘭會議上，我們曾對污泥的輻射處理及再利用作過報告，包括對上海蘇州河污泥處理的一些方案。上海是我國最大的工業城市，工業廢水、廢渣的排放引起蘇州河河水發黑，因此蘇州河河床污泥的處理十分重要。我們建議建造一臺1.5Mev,30mA的電子加速器，計劃在劑量3-5kGy下，污泥含水量50%，則預計處理量可達50-100噸/天，經輻照的污泥可用于農業。
　　輻射技術在環境保護中的應用遠不止上述內容，其它如環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，生物醫用材料制備等，這里不一一介紹了。

（有關圖、表及參考文獻省略）