工業廢水由于成分復雜、性質多變，一直是水處理中的“老大難”。面對工業廢水，究竟應該怎么辦?今天我們就來介紹一個工業廢水的新“克星”——電子束處理技術。

這些年來中國相繼出臺了多項政策用于指導水污染防治，使得中國工業廢水排放量從2011年的230.9億噸減至2016年的186.4億噸，但工業廢水排放量依然十分巨大，其中印染和造紙工業廢水總量大，占中國工業廢水排放量的約1/4，同時污染物成分更為復雜，含有大量難以生物降解的有害物質，其無害化處理是一項令各國都頭疼的“世界性難題”。

 
未經處理排放的工業廢水污染農田

面對工業廢水，究竟應該怎么辦?今天我們就來介紹一個工業廢水的新“克星”——電子束處理技術。

(一)工業廢水遺患多多，處理究竟有多難?

工業生產過程中產生的廢水、廢液和其他有毒有害液體統稱為工業廢水，它包含生產廢水、生產污水和冷卻冷凝水等。

不同于居民日常生活中排泄的洗滌水(生活廢水)只有很少一部分需要處理，工業廢水的種類繁多、成分復雜，常常包含多種有毒有害物質，對生態環境、人類健康都有著極大危害，所以必須進行處理，達到一定標準后方能排入生活污水系統。

 被工業廢水污染的水源

以往很多工廠為了降低生產成本，其生產過程產生的廢水常常不處理或者少處理，就進行偷排偷放，未經處理的工業廢水一旦排入自然環境危害巨大。

未經處理的工業廢水進入到江河湖海等地表水體，會直接污染地表水，同時經水體滲入土壤，會進而造成土壤污染。

數量多、毒性大的工業廢水排放入水體后會直接導致水生動植物的死亡甚至絕跡，進入土壤中有害物質則直接影響植物和土壤中微生物的生長。這些污染最后又通過生物富集，造成食物鏈污染，最終到達人體，對人體造成危害。

而且，自然界的水系往往是相通的，工業廢水會隨地表徑流等方式滲透到地下，污染地下水，飲用被污染的地表水或者地下水都會危害身體健康，導致各種病癥，甚至死亡。

最后，很多工業廢水都溶解有一些易揮發的有毒有害氣體，往往會帶有令人不快的惡臭，散發到大氣中又進一步導致大氣污染。

 

現代造紙工業流程

以造紙廢水的產生和處理為例，造紙工業中廢水主要來源于生產中的制漿和抄紙兩個生產過程。制漿是分離植物原料中的纖維制成漿料后進行漂白;抄紙是把得到了漿料進行稀釋、成型、壓榨、烘干，最后制成紙張。

制漿的洗漿步驟排出的廢水因含有大量纖維、無機鹽和色素，呈黑褐色，稱為黑水，其中的污染物濃度很高;而后漂白工序排出廢水又含有大量的酸堿物質。抄紙過程需要添加的填料和有機物膠料，也會排出廢水，其中還含有大量纖維，稱為白水。

 造紙過程的廢水處理與回收工藝流程圖

處理這些工業廢水方法一般有物理處理法、化學處理法、生化處理法，不過單一使用一種方法往往達不到效果，所以通常是幾種處理方法的組合。

同時，廢水處理工藝在設計時，需要設置前端有不同廢水分類收集的前處理，以及后置的綜合回收利用技術，整體提高工業廢水的處理深度。例如利用浮選法(物理處理法)回收白水中纖維性固體物質，澄清水可回用，回收率可達95%;利用燃燒法(化學處理法)回收黑水中氫氧化納、硫化鈉、硫酸鈉以及同有機物結合的其他鈉鹽。

而隨著廢水處理出水端水質指標越來越嚴苛，很多方法都無法滿足新標準要求，進而出現了諸如氧化還原法等新興起的工業廢水處理方法。氧化還原法中的超聲氧化，光催化氧化等使用效果較好，可以用于工業廢水的深度處理，不過也隨之帶來了成本提高等問題。

(二)電子束處理工業廢水是怎樣一種存在?

由于工業生產活動的多樣性，在一個工業園區，往往會進駐多種生產企業，產生多種工業廢水。

如果它們產生的廢水需要集中處理，即使在前端分類收集分類處理，每個類別廢水中集合的污染物質種類也都會十分復雜，所以，僅使用傳統的污水處理辦法很難徹底解決廢水凈化問題，也很難滿足新的水處理標準要求。

新的標準和科技發展催生了多種新型、高效的技術來解決上述難題，而電子束輻照技術的發展，使其在污水處理方面表現出清潔、高效、無二次污染的巨大潛力，因此受到人們的關注。

電子束處理工業廢水技術中首先要用到的就是電子束輻照技術，該技術是利用被加速的電子束流轟擊或照射被處理對象，使之發生常規方法難以引發的物理化學及生物學反應。

不過電子束看不見摸不著，是如何做到凈化污水呢?

我們知道化學反應的本質是化學鍵的斷裂和組合，而被加速的電子束流則擁有很高的能量，對于污染物質濃度較低的廢水(稀溶液)，電子束流雖然不會與污染物質直接作用(幾率很小)，但它的能量卻能作用于水分子，被水吸收。

當這一能量超過水分子化學鍵的鍵能和分子的電離勢能時，就會破壞化學鍵和分子的結合，從而分解生成較強的氧化物質，通過這些自由基、氧化物、離子來和水中的污染物質、細菌進行二次相互作用，就可以達到氧化分解和消毒的目的。

 

水分子被高能電子束作用后分解

知道了反應基本過程，也就對電子束輻照技術的主要使用場景有了一定認知：降解有毒有害和難處理的有機污染物、去除無機重金屬離子、消毒殺菌、輻照處理污水中固體成分(污泥)等。根據使用的場景不同，反應過程也會有些不同。

對于有機物，比如苯胺以及苯等衍生物等，電子束輻照能夠有效地將其分子結構破壞掉，從而達到降解的目的。對于污水中的無機污染物，電子束輻照的過程除了產生有氧化性物質，還會產生具有還原性的水合電子和氫原子，而且通過低含氧量的條件提高還原性物質的產量，可以有效地把金屬離子(比如鉛離子、汞離子)還原為金屬單質沉淀出來，即使對于劇毒且穩定的絡合氰化物(冶金行業的主要污染物質)也同樣有效。

 
電子束處理工業廢水的技術優勢

電子束輻照的殺菌消毒過程其實也很好理解，污水中雖然存在大量的細菌，但它們本質上還是有機物復合結構，高能離子能破環它們賴以生存的結構使其失活。

而對于廢水處理過程的副產物污泥而言，雖然它是固體，但其污染物質仍然還是有機物、細菌和重金屬等，因而電子束輻照處理的方法仍然有效。

相比于傳統處理方法，電子束輻照不會引入新的不利物質，所以不會有二次污染，經過處理的污泥，由于含有大量的氮、磷、鉀及腐殖質等物質，還可以作為農用肥料、土壤改良劑。

當然，電子束污水處理技術也不是一招鮮吃遍天，水處理中沒有哪種單個技術可以包打天下，電子束技術的重要性是對傳統污水處理工藝的有益補充及升級，并不是完全替代傳統技術，實際使用過程中還是需要與其他傳統工藝以及前端處理結合。

(三)用電子束技術處理廢水，污染物降解僅需0.01秒

由于電子束輻照技術的巨大優勢，國外很早就開始研究如何將其大規模地應用于污水處理行業中，中國在這方面也走在世界先進行列。

實際應用最主要考慮的是電子束流的能量和束流強度，因為它們決定了降解污染物時的作用效果。顯然電子束流的能量越高，它在污水中的穿透力就越強，與污染物的作用就越充分。同時，電子束流的強度越大，則代表著有更多用于污染物降解的電子，對應的降解效率也就越高。

 
電子束輻照加速器裝置

想要保證電子束流的能量和束流強度，核心秘密就在于電子束輻照加速器裝置，它由一套復雜的控制系統和對應的高精度的機械電子設備系統共同組成，包括：

(1)電子槍(產生并發射電子的裝置);

(2)加速器主機(電子加速、輸運裝置、);

(3)電子束流的引出及應用裝置(束流掃描及引出裝置);

(4)控制系統部分。

需要結合高真空、高氣壓、電子學、高頻與微波技術、計算機與自動控制、機械設計與制造、材料學、束流測量、輻射防護等多個學科的技術。

2017年3月，浙江省金華市建成國內首座電子束輻照處理印染廢水示范項目，并順利通過驗收，這是當時國際上唯一在運行的同類裝置，也標志著中國在這一技術的應用達到國際領先水平。

2018年中國又新增了首個3萬噸級以上電子束處理工業廢水技術商業化應用項目，標志著這項技術在中國已經邁進大規模商業化應用階段。

不管是電子束輻照廢水處理技術本身，還是核心的加速器裝置，我們都取得了巨大突破。

中國首個電子束輻照處理工業規模印染廢水示范工程啟動運行后，打破了污水處理低效“魔咒”，利用高壓加速的電子束對污水進行照射，污染物降解的反應時間只需0.01秒。

同時，電子束設備的壽命一般在20年以上，遠高于其他僅3年、5年壽命的處理設備。

電子束輻照技術的使用可以使每噸工業污水處理費用至少降低1.4元，圖中的單臺設備日處理污水5000噸，其一年可節省245萬的治理費用。這對于附加值低、排放高的造紙紡織印染行業而言無疑是巨大的福音，可以說是解決了世界性難題。

 
左：未處理廢水;中：電子束輻照處理后;右：傳統工藝處理后

當然，電子束處理污水屬于核能技術的范疇，有些人可能會擔憂其輻射和安全性問題。其實，上面已經說了該技術本身不會帶來二次污染，同時技術安全性也很高。

前面提到了其核心裝置是電子加速器，并不是放射源，通過通斷電就可以控制，和核電站是完全不一樣的。即使有輕微的電離輻射，用裝置內10公分厚的混凝土就可以有效地屏蔽。同時，處理完的水可以實現直排，不會產生放射性(電子束廢水處理的能量閾值遠低于使水產生放射性的10個兆電子伏特)。

結語

盡管中國在污水處理方面起步較晚，但是電子束輻照技術方面，中國已處于行業領跑地位。有機的結合電子束輻照處理技術與傳統的水處理技術，形成新的組合工藝，或者對現有的水處理技術進行升級改造提標，都是中國污水處理彎道超車的機會。