微波技术应用于固体废弃物处理系统

引言

　　微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。近几年来，微波的高效发热特性的进一步开发，使得它的应用从传统的通讯领域转向催化化学、材料加工、污染控制等领域。其中，在污染控制领域，特别是在工业污泥、医疗垃圾、废旧轮胎、电子垃圾以及建筑垃圾等固体废弃物的处理方面取得了较大的进展。

　　1　微波加热的原理

　　1.1　微波加热的机理

　　在微波加热的过程中，微波能转化为热能的机理有2种，即偶极子转动机理和离子传导机理。

　　偶极子转动机理是由微波辐射引起物体内部的分子相互摩擦而产生热能。自然界的介质都是由一端带正电荷、另一端带负电荷的分子（或偶极子）组成。在自然状态下，介质内的偶极子作杂乱无章的运动和排列，当介质处于电场中时，其内部重新进行排列，变成了有一定取向、有规则排列的极化分子。当电场方向以一定频率交替变化时，介质中的偶极子的极化取向也以同样频率转变，在转变过程中，因分子间相互摩擦、碰撞而产生热能。电场变化频率越快，偶极子转动的频率也就越快，产生的热效应越强，而微波波段电磁场频率高达108数量级，所以在微波辐射下，偶极子转动产生的热量相当可观，从而使体系在很短的时间内达到很高的温度。偶极子转动产生的加热效率取决于介质的驰豫时间、温度和黏度。

　　离子传导机理是指可离解离子在电场中产生导电移动，由于介质对离子的阻碍而产生热效应。离子传导产生的加热效率取决于离子的大小、浓度、电荷量和导电性。

　　1.2　微波加热的特点

　　传统加热是利用传导和对流方式进行的，首先加热容器，容器将热量传导到物体表面，然后热量由表面传递到物体内部，从而获得热平衡条件，因此加热需要较长时间。而加热环境一般不可能严格地绝热封闭，长时间加热，就可能向环境散发大量热量。而微波加热通常在全封闭状态下进行，微波功率以光速渗入物体内部，及时转变为热能，避免了长时间加热过程中的热散失，并且可对物体内外部进行“整体”加热，因此，与传统的加热方式相比，微波加热具有效率高、速度快、能耗低等特点。

　　2　微波技术在固体废弃物处理中的应用

　　2.1　工业污泥的处理

　　工业污泥是油和含固体碎屑的水的乳化物，全球每年产生的含油污泥多达几十亿吨，常规的处理工艺是：加热破乳—离心分离—填埋。由于加热破乳时常常使用破乳添加剂，因此产生的残留物很难处理，脱油后需要填埋处理的残渣量大，填埋费用高。美国开发了钢厂含油淤泥的微波脱油技术，该技术是将含油和金属的污泥与添加剂混合，然后在一个流动系统中接受微波辐照10min,最后通过离心分离，分离出固体物质（主要是Fe、FeOx）、油和水。分离出的固体可重新用作炼钢原料，油可作燃料出售。研究表明，该微波破乳脱油系统的处理速度比常规的脱油系统快30倍，处理系统的体积可节省90%,大幅度降低了需要填埋处理的固体废渣，降低了填埋费用，采用微波脱油处理该钢厂污泥，处理费用比常规处理方法降低10倍。

　　此外，以污水处理厂产生的污泥为原料，采用微波辐照可制备污泥活性炭。也有将污水处理厂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的微波辐照260s,成功制得污泥活性炭，该活性炭的碘值为517.4mg/g。用制得的污泥活性炭处理TNT废水，处理效率略高于粉状商品活性炭。

　　2.2　医疗垃圾的灭菌消毒

　　微波灭菌的机理是微波能在微生物体内转化为热能，使生物体本身温度升高，从而使体内蛋白质发生变性凝固致死。其特点是作用温度低，时间短，无二次污染。一般情况下，霉菌、酵母等常见微生物采用微波辐射1min,加热到70～80℃就能被杀死，达到杀菌目的；在65～66℃左右，采用微波辐照2min便可杀死青霉素的孢子。微波灭菌消毒是一个以蒸汽为基础，通过微波产生湿热和蒸汽进行消毒的过程。在利用微波对固体废物灭菌消毒时，首先将废物粉碎，然后送入微波加热炉并通入蒸汽旋转加热，在灭菌消毒的同时废物体积也会被压缩。有关研究表明，将医疗废物浸湿粉碎后，再采用微波对废物进行消毒，毒素会被迅速消灭，废物体积也可减少80%。全球许多国家每年产生大量的医疗垃圾，造成严重的环境污染，仅在意大利，每年就有25万t医疗垃圾产生。如果采用微波技术灭菌消毒后，60%以上的医疗垃圾可作填埋处理。采用这种方法处理医疗垃圾与传统的焚烧法相比，不会生成毒性强的二恶英等二次污染物，而且处理时间短，效果好，能耗低。

　　2.3　废旧轮胎的回收

　　轮胎是含有橡胶、炭黑、钢以及硫磺等多种物质的混合材料。废旧轮胎的处理通常采用热分解法，相对于焚烧而言，在缺氧条件下进行的热分解可以减少NOx和SOx的排放，并避免煤烟的产生。然而，常规的热分解常常因为加热温度不够而无法完全分解，若采用微波加热，温度会稳定上升，很快达到2000℃。而且采用微波加热处理废旧轮胎还能实现橡胶材料的再利用并回收能源。英国的一些工厂利用微波加热技术，将废旧轮胎橡胶进行软化处理，使橡胶分子结构中的CC键和CS键断裂，从而回收了36%的C（包括高质量的活性炭和石油烃等其他碳化产品），残余的甲烷、氢气等还可用于系统的加热。该加热处理过程，必须在严格封闭的条件下进行，避免产生二恶英、油烟和飞灰。

　　2.4　电子垃圾的处理

　　近年来，从计算机、汽车、电话、电视和其他产品上丢弃的电子部件和印刷线路板每年有数百万件。对这些电子垃圾常规的处理是填埋，结果渗析出有害金属，污染地下水。

　　为此Florida大学D.E.Clark教授研究开发了微波销毁印刷线路板回收贵金属的技术。该技术是将压碎的废电路板放入一个熔融石英坩埚中，在一个内壁衬有耐火材料的微波炉中加热30～60min,其中的有机物，如苯和苯乙烯等挥发出来，被载气（压缩空气）带出第1个微波炉，进入第2个微波炉被分解。剩下的物质在1000℃以下焦化，然后将微波炉功率升高，剩余物（绝大多数为玻璃和金属）在1400℃的高温下熔化，形成一种玻璃化物质。将这种物质冷却后，金、银和其他金属就以珠状分离出来，可回收用作金属冶炼的原料。余下的玻璃化产物则可回收作建筑材料。

　　微波技术处理电子垃圾，可将废弃物体积减少50%,处理过程中无需使用任何添加剂，不会造成二次污染，最终的玻璃化产物，可将有害成分牢牢地包固在其中，不会造成渗漏，可回收利用其中的贵金属，因而处理成本低。

　　2.5　建筑垃圾的回收

　　建筑垃圾是在施工建设过程中或旧建筑物维修、拆除过程中产生的，主要含有砂浆、混凝土、砖石、土桩头、金属以及装饰装修产生的废料和包装材料等废弃物。据估计[18],我国每年仅施工建设所产生的建筑废渣就有4000万t。因此，综合利用建筑垃圾是节约资源、保护生态的有效途径。

　　据报道，微波技术是回收再利用建筑垃圾的有效方法。

　　美国CYCLEAN公司采用微波技术可100%地回收利用建筑垃圾，使旧沥青路面料再生，再生后的沥青路面料的质量与新拌沥青路面料相同，而成本降低了1/3,同时节约了垃圾清运和处理等费用。利用微波技术回收建筑垃圾，不仅解决了常规处理方法如堆肥、焚烧、填埋等易造成的二次污染、投资大、占地面积大等问题，而且可使废物资源化。

　　3　结语

　　微波的发展还表现在应用范围的扩大。微波的最重要应用是雷达和通信。雷达不仅用于国防，同时也用于导航、气象测量、大地测量、工业检测和交通管理等方面。通信应用主要是现代的卫星通信和常规的中继通信。射电望远镜、微波加速器等对于物理学、天文学等的研究具有重要意义。毫米波微波技术对控制热核反应的等离子体测量提供了有效的方法。微波遥感已成为研究天体、气象和大地测量、资源勘探等的重要手段。微波在工业生产、农业科学等方面的研究，以及微波在生物学、医学等方面的研究和发展已越来越受到重视（见微波应用、微波能应用、微波医学应用等）。 利用微波技术处理固体废弃物具有快速高效、操作简单、能耗少、成本低、资源回收利用率高等特点，因而具有广泛的应用前景。然而国内对微波技术在固体废弃物处理方方面的应用研究起步较晚，而且目前的工作大多限于实验室研究水平，工业化应用较少。随着人们环保意识的提高和微波技术的进一步完善，以及用于污染控制领域的微波设备的研制开发等，微波技术将会在固体废弃物的处理乃至整个污染控制领域得到广泛的应用。