核辐射技术在环境污染治理中的应用

 摘要

     本文首先介绍了核辐射技术的基本概念，然后讨论了电子束辐照和γ射线辐照在工业废水，废气及於渣处理的机理及其应用，说明了辐射技术在环境保护中具有其它技术和方法不可替代的作用，指出了辐射技术在环境保护中存在的问题和发展方向。

关键词

     环境保护   核辐射技术 环境污染治理  γ射线  电子束

正文

     核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流。核辐射可以使物质引起电离或激发，故称为电离辐射。电离辐射又分直接致电离辐射和间接致电离辐射。直接致电离辐射包括质子等带电粒子。间接致电离辐射包括光子、中子等不带电粒子。核辐射主要是α、β、γ三种射线：α射线是氦核，β射线是电子，这两种射线由于穿透力小，影响距离比较近，只要辐射源不进入体内，影响不会太大。γ射线的穿透力很强，是一种波长很短的电磁波。

     污染物的辐射处理方法是利用γ射线及快速电子对环境污染物进行辐照。辐照时体系可产生物理化学效应，化学效应及生物学效应等。核辐射技术在处理环境污染物应用面广，可用高能射线对燃烧废气、生活污水和工业废水消化污水及固体废物等进行处理都已取得良好效果。辐射能有效地的降解三废中的有机物；杀死废物中的有害病毒，有害微生物；提高污泥的沉降和过滤性能；节省大量能源。辐射不会带来二次污染，安全可靠，特别对于那些常规方法难以处理的污染物具有重要意义。

一、核辐射技术在治理环境废水中的应用

    废水处理主要有下面的四个方面：

1．降低废水中的生化需氧量f BOD)和化学需氧量(COD)o

2．使废水更稳定，使难以降解的化合物转变成比较容易被生物或化学氧化的形式降解。

3．消灭废水中的病菌，病毒及有害微生物，设法破坏有毒化合物。

4．改善废水中固体成分(污泥)的处理和运输。

用辐射方法可以完全解决上面的问题，达到治理环境污染的目的。

    采用γ射线或者加速电子对污染物进行处理时，一方面，高能射线可以与污染物直接作用，引起它们分解和改性；另一方面，高能射线可以与介质(水和空气)发生作用产生一系列的自由基、离子、水合电子及离子基等，这些粒子具有相当高的活性，能与污染物发生氧化或还原作用造成有机物的降解。通常情况，在高能射线辐照下，纯水会发生如下反应

注：式中括号内是G值，它的定义是每吸收1000V射线能量所生成产物的分子数

另外， 通过改变辐照反应体系和条件 ( 如氧气浓度、 p H、微量添加物等) ，可控制主要辐照产物的产额，继而使反应朝着所需的方向进行。 

对于废水中的有机污染物的降解反应一般以氧化反应为主，保持较高的氧气含量，可有效提高氧化性自由基( 如 OH? ) 的产额，同时抑制还原性物质( 如 H?、e) 的产生。      Pi k a e v等利用 γ射线对含酚废水进行处理试验，考察了氧气辐照剂量率(单位时间中的辐照剂量 ) 等参数的影响。结果表明，废水中含有氧气时，酚的分解率可大大加快，酚分解的产额 G也大幅度提高；另外酚分解的产额G随辐照剂量率的增大而减小。 

Ha s h i mo t o等研究了电子柬对工业含蒽醌染料废水进行辐照脱色、降解处理 。 结果表明，芳香环的脱色 、降解程度随氧含量增加而增加，而氧含量达 2 5 ％时，其脱色效果与用纯氧鼓泡体系几乎相同。 此外，研究还表明染料脱色、降解效果与染料自身性质 有关， 辐照剂量相差 2个数量级， 一般在 1 0 Gy以上。 

P i k a e o等还曾用 γ射线对含氰废水进行处理，研究了辐照剂量率、氧浓度 、氰化物浓度等因素的影响，得出在静态条件及流动体系中，约2 k Gy的辐照剂量可使浓度 为 2 6 mg ／ L的含氰废水中的氰完全分解。殷敬文等曾研究不同剂量、不同 CN 浓度下氰化物的分解及其分解产物，结果表明，在稀水溶液中CN 的辐解是由辐射的间接效应引起的，他们还进一步研究了水中杂物存在时对 CN分解效果的影响。 

辐射技术还可用于含重金属离子废水的处理 ，S c h me l l i n g I  、 Ma h n a z等分别利用电子束和γ射线对含 Pb 和 Hg的废水进行处理 。 研究表明， 金属离子在辐照产生的水合电子和氢原子作用下，可被还原为低价或单质金属，并从溶液中沉淀出来。因此， 在 此情况下， 辐射反应以还原反应为主， 通过限制氧气 含量而降低 OH的产额， 提高 H和 e 。的产 生量，同 时使用乙醇作为?OH 自由基的消除剂，以阻止金属 被重新氧化。 当使用剂量为3 k Gy时，浓度为0．O 01 mg ／ L 的Hg可完全去除； 而 0 ． 0 01 mg ／ L的 P b则较难去除，当辐照剂量为4 0 k Gy时其去除率只有 9 6 ％。 

     然而，对于大部分工业废水而言，单纯依靠辐射处理所需的辐射剂量过高。因此， 将该技术与常规水处理技术结合使用才具有更大的可行性。Sa k u mo t o 等研究认为，辐射结合臭氧化处理含酚废水可使去除率上升所需辐照剂量下降，两者具有明显协同效应。还有人将常规吸附方法与辐射技术结合起来处理难降解废水，利用辐射降解作用来对使用过的吸附剂进行再生，达到了较好的效果。

 二、核辐射技术在治理固体废物中的应用

     由于辐射技术具有优良的杀菌效果，因此在港口粪便、医院废弃物、城市垃圾和污泥消毒处理方面是最有效的方法之一。 甚至有人认为辐射技术结合 其他技术如堆肥化、化学改性等对固体废弃物进行综合改性是解决城市垃圾、污泥等固体废弃物的最好出路。

     医疗废物和国际空港、海港的垃圾是产生量大且难处理的两大类固体废弃物。医疗废物即从医院、医疗中心和诊所的医疗服务中产生的临床废物，包括手术、包扎残余物、生培养、动物实验残余物、传染性废物、废水处理污泥等。这些废物除含有大量的致病菌、病外，还含有化学药品甚至重金属化合物，还有大约20%的塑料（比如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等）。如果燃烧，会产生有毒气体产物。为了防止在处理这种废物时有传染疾病的危险，可通过辐照对医疗废物进行消毒。国际空港和海港的垃圾含有大量的食物碎屑、塑料、纤维素等成分，可能存在潜在的动物传染病病原体，国际废物消毒的一种可能替代方法是采用辐射技术。辐照装置可以设在空港区内进行自动和连续地工作，也可以由同一个辐照设施处理生物医学废物和港口垃圾，这种概念设计既可靠又经济，能够满足清洁环境的现代要求。

     污泥是废水处理过程中不可避免的副产物，最普通的废水处理步骤是隔筛过滤、初级沉淀、生物处理、二级沉淀和杀菌。在生物处理前后的沉淀过程中都会产生污水污泥。污泥的产生量已经达到了警戒水平，据估计每人每年大约产生 26 kg （干重）污泥。城市污泥有较高含量的水分、有机污染物和病原体，还含有相当浓度的重金属。污水污泥的适当处理和处置是环境保护的重要部分。污泥中含有大量的能量与生物价值，是优良的农田肥料和土壤改良剂。但由于含有大量病原体而不能直接利用。堆肥化、巴氏消毒或化学处理等常规的方法处理效果均不十分理想，难于实现工业化。辐射技术可以克服常用处理方法的缺点，辐射处理过的污水沉积物得到的肥料与以污水热处理法得到的肥料十分相似，但是各种原始水样在沉积时形成的淤泥的体积比运到消毒工厂的污水体积要小1～2 个数量级， 因此需要非常低的辐射功率。辐射技术是目前国际上普遍认为很有前途的污泥处理方法，γ  放射源和电子束辐照均可用于污泥的处理。辐射处理污泥的优点是：①能杀死污泥中的病菌和病毒，消毒效果比热处理可靠；②不破坏污泥中的有机氮化物，不会减少污泥的肥力和产生难闻臭味（巴氏热处理法中氮损失较多，污泥的肥力下降）； ③能防止污泥中的杂草种子发芽， 但不会影响正常种子的发芽；④处理温度较低（25～30 ℃），减少对工厂设备的腐蚀； ⑤可以氧化有毒的和危险的有机污染物（如杀虫剂、除草剂、多氯联苯等），把难于生物降解的物质转化为容易降解的化合物；⑥辐照后的污泥具有良好的脱水性能，可省去化学絮凝剂和一些相应的设备；⑦污泥经辐照灭菌后，可作为肥料直接在农田使用。

     俄罗斯物理动力研究所设计出一种利用快中子反应堆处理生活和工业垃圾的新技术，可以从垃圾处理中得到金属、建筑材料、化工产品、电力和热力。该技术是通过在包有不锈钢双层外壳的核反应堆中加砌一个烧垃圾的炉子来实现。在炉中要不断加入少量的煤来保炉内高温，炉温可以达到 1500℃，此温度下所有的垃圾都会被汽化。向炉子中定期装入生活和工业垃圾，垃圾掉入吹氧的高温渣缸中，易燃部分迅速汽化和燃烧，矿物质部分在渣中

熔化，金属由于密度较大在熔化后沉入底部。将金属定期铸成铸件用于加工金属制品；炉渣用于加工建筑材料；炉子及炉内高温气体由反应堆的不锈钢双层外壳之间循环的液体钠来冷却，升温后的液体钠（高达500 ℃）可为驱动汽轮发电机的蒸汽发生器供热。试验表明这套装置可处理生活和工业垃圾2×104t/a，发电功率为5 kW/a，能够实现自给有余。 

三、核辐射技术在治理大气污染物中的应用

     辐射处理是去除废气中的NOX 和 SO2 的最有效方法 ,用时还得到了有用的肥料。在辐射过程中 ,空气中的氧和水分被分离生成 O、 OH、 HO2 等氧化能力很强的活性粒子。这些粒子与 SO2、 NOX 发生反应 ,生成硫酸和硝酸,被收集器收集起来。如果在反应过程加入少量的氨 ,不仅可以提高废气去除率 ,还得到了硫酸铵和硝酸铵的复盐 ,是有用的肥料。对于烟道气净化 ,入射电子束的能量大部分被烟道气中的主要成分 N2、 O2、 H2O、 CO2、 SO2、 NOX 等基质气体吸收 ,导致母体分子电离和破碎 ,形成活性物质 ,如:OH-、O2 -、 NH-2 等自由基 ,有水时可使 SO2 和 NOX 分别氧化生成 H2 SO4 和 HNO3。辐照前在烟道气中预先加入化学计量的氨 ,使酸转化为粉末状的氨盐 ,由于这些氨盐以固体颗粒形式存在 可以通过静电沉降等方法收集起来。多级辐射可以获得更高的去除效率。电子束干法除尘( EDBS)净化烟道气技术 ,不仅可以同时去除 SO2、NOX ,还可以清除其他污染物 ,其最产

物能用作化肥 ,不产生需要处理的泥浆和沉渣 ,因而不会产生污染物的处置问题。电子束辐照技术具有以下优点: (1)同时去除SO2 和 NOX ,清除效率高; (2)由于是干法处理技术 ,无需废水处理; (3)反应生成可利用的副产品; (4)无需催化剂; (5)比传统方法更经济。缺点是:电能需求大 ,电子束剂量需求高 ,辐照后气溶胶的过滤等。另外,电子束辐照方法能有效净化其他工业废气 ,如:易挥发的有机物(VOCS) ,汽车尾气 ,有气味、有毒的气体及焚烧炉的废气等。当然 ,电子束处理污染废气的技术涉及到许多不同的物理化学机制,如:能量吸收 ,气相反应 ,颗粒形成 ,气固相的相互影响等。

综上所述

    核辐射技术在环境保护中的应用已显示了巨大的潜力，可用于废气、废水、固体废弃物以及环境难降解有毒有机物的处理，并显示出了卓越的应用前景。 

    高能电子束的可控性好，反应速率快较适于处理流量较大的废气污染，并已在国内外实现了工业化应用，仍需解决的问题主要是电子加速器本身的造价和耐久性。而γ射线的穿透能力较强，适合于处理密度和厚度较大的介质，可方便地实现废水和固体废弃物等的降解。γ射线推广应用的主要问题在于源室的造价 较高和辐射剂量较低，从而使反应时间偏 长，难以进行大批量处理 。 然而对于常规方法难以处理的难降解有毒物质，采用辐射处理方法，具有较好的技术和经济可行性。此外，在辐射处理过程中，为了降低所需的辐射剂量，应当采取与其他常规技术如催化技术、敏化技术等相结合的方法。

      近几十年来，核科学技术在环境科学研究中的应用已经取得可观的效果，在环境监测、三废治理等方面均面临巨大的机遇 但是与其他技术相比，也存在成本昂贵 技术复杂 需要依赖型设备 工业化推广困难等缺点，同时与环境学科交叉的深度和广度不够，很难独挡一面，更难占有不可替代的位置针对这一实际情况，必须深入分析，研讨对策，确定核技术在环境科学中的现实发展战略 相信核技术在环境科学中的应用将日趋繁荣，有着广阔的发展前景。

参考文献

【1】 吴明红，包伯荣．辐射技术在环境保护中的应用【M】．北京：化学工业出版社，2002.13．

【2】包伯荣, 吴明红, 罗文芸, 等.辐射技术在废水及污泥处理中的应用【J】. 核技术, 1996,12(19): 759 - 765.

【3】张艳君. 辐照技术在环境保护中的应用. 【J】太原科技,2002(3) :30231

【4】陈范欣.核技术在环境保护中的应用.【J】物理通报,2001 (7) :42243

【5】Ben W T.核技术应用于环境保护:一个全球性的研究网.【J】国际原子能机构通报,1993 ,35 (2) :39242

【6】袁光钰,王伟.环境科学中的核技术应用问题.【J】环境科学进展,1997 ,5 (3) :5025

【7】郭之虞，王宇钢，包尚联等.核技术及其应用的发展[J].北京大学学报(自然科学版),2003(39)： 82-91.

【8】王兰新.辐射技术在环境保护中的应用[J].环境科学动态， 1995 （3）：20-23.

【9】胡俊， 王建龙  氯酚类污染物的辐射降解研究进展 ［J］辐射研究与辐射工艺学报， 2005,23(3):135-139

【10】秦海丰， 包华影， 贾海顺，等辐射法处理多氯联苯的研究进展【J】辐射研究与辐射工艺学报，2004,22(5):261-264

【11】戚生初等, 用辐射技术处理焦化厂废水中氰化物的研究,国际科联环境问题委员会(SCOPE)中国委员1990年年会会议文

【12】刘秀华，邓义，何小波  辐射技术在固体废物处理中的应用，【J】化学进展.2010年第29卷第4期

【13】郑 勇, 郭晓亚  辐照技术在城市固体废弃物资源化中的应用【J】 江苏环境科技.Vol.21 No.Apr.2008

【14】王彦丽 张小安 肖国青  环境保护中辐射技术的应用研究【J】原子核物理评论 1007-4627（2006）01-0073-05