高建政，張玥，楊斌，王學(xué)科

利用輻照技術(shù)對污泥中大腸桿菌殺滅效果的研究及對輻照污泥技術(shù)的選擇

高建政1，張玥2，楊斌2，王學(xué)科3

（1.天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191；2.天津市技術(shù)物理研究所，天津 300192；3.天津壹新環(huán)保工程有限公司，天津 300400）

采用γ輻照技術(shù)對市政污泥進(jìn)行處理，對輻照后污泥中大腸桿菌含量進(jìn)行檢測。試驗(yàn)結(jié)果表明，10 kGy以上的輻照劑量對污泥中大腸桿菌可以達(dá)到較為理想的殺滅效果。進(jìn)行污泥滅菌實(shí)驗(yàn)或輻照劑量工藝研究時(shí)可以選擇鈷60γ射線輻照裝置，工業(yè)電子加速器輻照裝置更適合污泥輻照滅菌的連續(xù)作業(yè)。

γ輻照；污泥處置；大腸桿菌；工業(yè)輻照

1 引言

市政污水處理廠污泥（下簡稱“市政污泥”或“污泥”）是污水處理工藝中產(chǎn)生的剩余污泥，具有產(chǎn)量大、含水率高、污染物濃度高等特點(diǎn)，長時(shí)間堆放極易產(chǎn)生滲濾液污染水體，其揮發(fā)的有害氣體污染周邊大氣，是亟待解決的環(huán)保焦點(diǎn)問題。

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2019中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》，截至2019年底，全國城市污水處理廠累計(jì)處理污水5.32× 1010m3。根據(jù)污泥處理廠天津壹新環(huán)保工程有限公司的處理經(jīng)驗(yàn)，污泥占污水的體積為0.05%～0.08%，2019年城市污水處理產(chǎn)生的含水率為80%的城市污泥約為2 660萬～4 256萬t。

對污泥進(jìn)行消毒處理可以減少污泥中的蟲卵、細(xì)菌、病毒含量，減少SO2等有異味氣體的產(chǎn)生，還可以作為厭氧消化技術(shù)的原料，提高產(chǎn)沼率。目前對污泥進(jìn)行消毒滅菌的方法主要是化學(xué)法和高溫加熱法?；瘜W(xué)法是在待處理的污泥中添加次氯酸等各種化學(xué)藥劑，通過化學(xué)殺菌的方法將污泥中的有害生物殺滅。這種方法優(yōu)點(diǎn)是單位價(jià)格較低，但是為了徹底消毒，則需要充分?jǐn)嚢杷巹┡c待處理的污泥，需要較長的滅菌時(shí)間，同時(shí)由于添加了藥劑，處理后的污泥中會呈現(xiàn)鹽堿性，限制了污泥再利用的范圍。高溫法則是對污泥進(jìn)行熱處理。這是一種傳統(tǒng)有效的處理方法，不添加化學(xué)藥劑，不會影響污泥的利用，但是高溫法由于需要對污泥進(jìn)行高溫加熱才能達(dá)到滅菌效果，因此能耗極高，既不符合當(dāng)今綠色環(huán)保的發(fā)展理念，而且財(cái)務(wù)成本也很高。

本文研究的是一種新型污泥處理技術(shù)，即采用輻照技術(shù)對污泥進(jìn)行滅菌處理。輻照污泥滅菌是指通過使用工業(yè)輻照裝置中產(chǎn)生的高能射線，對污泥進(jìn)行輻照，利用高能射線破壞污泥中有害微生物的細(xì)胞生理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致微生物死亡，從而達(dá)到污泥無害化目的。

早在1973年德國的污水處理廠就使用鈷60放射源處理污泥，隨后美國、印度等國家也都開展過工業(yè)化輻照污泥的嘗試，美國環(huán)保署將污泥輻照處理技術(shù)作為推薦技術(shù)，并規(guī)定污泥經(jīng)過10 kGy的處理，可以作為無害化生物固體無限制使用[1]。中國目前對輻照污泥的研究還停留在試驗(yàn)階段，還沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

目前，輻照技術(shù)已經(jīng)多年被廣泛應(yīng)用于對食品、中草藥、醫(yī)療用品等的消毒殺菌。輻照技術(shù)消毒滅菌時(shí)無需升高溫度，不在被照射物品中添加新的化學(xué)組分，也不產(chǎn)生消毒的副產(chǎn)品，可大大減少對生態(tài)環(huán)境的影響，是一種安全、高效的殺菌手段，被認(rèn)為是“綠色”技術(shù)[2]，被國外稱為冷巴氏消毒技術(shù)。

本文利用輻照技術(shù)對污泥中大腸桿菌殺滅效果進(jìn)行了研究，以及基于現(xiàn)有工業(yè)輻照的技術(shù)特點(diǎn)以及污泥輻照處理的技術(shù)特點(diǎn)方式，進(jìn)行輻照技術(shù)選擇的分析研究。

2 材料與方法

2.1 樣品

樣品名稱：污泥，含水率95%。

樣品來源：天津壹新環(huán)保工程有限公司。

共6份樣品，每份樣品重約500 g。污泥放入20 cm×14 cm×6 cm的塑料盒中，在盒蓋上標(biāo)注標(biāo)號，用膠帶將塑料盒封裹。輻照完成后，送檢測單位進(jìn)行檢測。

污泥試驗(yàn)樣品如圖1所示。

圖1 污泥試驗(yàn)樣品

2.2 輻照試驗(yàn)

輻照單位：天津金鵬源輻照技術(shù)有限公司。

輻照劑量：0 kGy、5 kGy、10 kGy、15 kGy、20 kGy、25 kGy。

輻照方式：Co-60 γ輻照。

2.3 樣品檢測

由譜尼測試集團(tuán)股份有限公司進(jìn)行大腸桿菌含量檢測。

3 結(jié)果與討論

在不同輻照劑量下，污泥中大腸菌群含量情況如表1 所示。

表1 樣品測試結(jié)果

輻照劑量/kGy大腸菌群/MPN/g 0240 5240 10130 1579 2049 2533

張韶華等[3]曾對污水處理廠曝氣池、沉淀池中的樣品進(jìn)行輻照處理，在6 kGy輻照劑量下細(xì)菌總數(shù)為1.54× 102cfu/ml；在10 kGy輻照劑量下細(xì)菌總數(shù)為0；發(fā)現(xiàn)低劑量（1 kGy）輻照可使活性污泥中的細(xì)菌總數(shù)大幅降低。孫永亮等[4]調(diào)查發(fā)現(xiàn)脫水后污泥中各種病原菌的10（10：病原菌死亡率達(dá)到90%所需輻照劑量）在10 kGy左右。而此次實(shí)驗(yàn)在很高的輻照劑量下仍能夠檢測出大腸桿菌。由于是γ射線輻照，不涉及穿透能力的因素。

分析其原因，因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)是在新冠疫情期間進(jìn)行的，在新冠疫情期間，受到人員及物品流動管制的影響，污泥樣品在輻照處理后無法馬上送至專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行含菌量檢測，樣品從輻照后到檢測機(jī)構(gòu)開始測量大約有長達(dá)20 d的時(shí)間，在等待檢測的時(shí)間內(nèi)，大腸桿菌又進(jìn)行新的繁殖。但從檢測數(shù)據(jù)可以看出，10 kGy的輻照劑量對大腸桿菌已具有明顯的殺滅效果。

4 污泥輻照技術(shù)的方式選擇及分析

目前國際上已經(jīng)存在的工業(yè)化的輻照技術(shù)主要有兩種，一種是鈷60的γ輻照，另一種是高能電子束輻照。從大量的工業(yè)實(shí)踐中可以得出，對絕大多數(shù)被照物品來看，被鈷60的γ射線或高能電子束進(jìn)行相同劑量的輻照后，所得到的輻照效果是近乎相同的。

4.1 鈷60輻照技術(shù)

鈷60放射源輻照使用的是在核反應(yīng)堆制成的鈷60放射源作為輻照源，是一種人造放射源，半衰期為5.27年，發(fā)生一次核衰變可以釋放出2條能量分別為1.17 MeV和 1.33 MeV的γ射線。由于γ射線不帶電，因此具有很強(qiáng)的穿透力，所以可以輻照體積相對較大的物體。同時(shí)由于γ射線穿透力較強(qiáng)，它的傳能線密度也就相對較小，因此使用γ射線輻照物品時(shí)，被輻照物品的輻照吸收劑量率也相對較低。

基于以上特點(diǎn)，使用鈷源進(jìn)行工業(yè)輻照的物品多為體積相對較大（形狀異型）或密度相對較大或總吸收劑量相對較小的物品，如大包裝的食品、藥品、香辛料、醫(yī)療器械及異型材等。

鈷60放射衰變屬于核衰變，其γ射線發(fā)出的角度也是隨機(jī)的。從宏觀來看，鈷源棒放出的射線是4π方向的，因此，為了提高射線的利用率，及被照物品的輻照均勻性，就要考慮到鈷源60放射源棒的工業(yè)排布方式，以期獲得最大的射線利用率和被照物品輻照均勻性。在實(shí)際的鈷源工業(yè)輻照實(shí)踐中，若干工業(yè)輻照用鈷源棒是按照自身放射源含量的多少，通過一定科學(xué)計(jì)算后，按照相對最佳的順序放置在鈷源輻照屏蔽室內(nèi)鈷源專用貯存格柵之中，使得格柵兩側(cè)形成均勻梯度的輻照場。在鈷源非工作狀態(tài)，存放的鈷源的格柵是放置在近10 m深的水井之中，當(dāng)需要進(jìn)行輻照作業(yè)時(shí)，儲源格柵提升至水面之上，利用專用的機(jī)械傳輸裝置，將被照物品帶至格柵兩側(cè)的梯度輻照場內(nèi)進(jìn)行輻照，輻照作業(yè)完成后再由機(jī)械傳輸裝置帶出輻照場。

鈷源輻照裝置如圖2所示。

圖2 鈷源輻照裝置示意圖

注：圖片來源于北京三強(qiáng)核力輻射工程技術(shù)有限公司。

由于含菌污泥屬于量大、可流動、低值物品，如將污泥按照普通需輻照物品一樣密封打包處理后再在傳統(tǒng)的鈷源輻照裝置中進(jìn)行商業(yè)輻照，是不符合商業(yè)原則的。如果開發(fā)新型專用鈷源污泥輻照裝置，也會遇到如下問題：首先，要使得輻照劑量達(dá)到10 kGy，一般需要在鈷源輻照場中進(jìn)行 1 h或者更長時(shí)間的輻照；其次為了利用鈷源輻照的強(qiáng)穿透力及4π輻照角度的特點(diǎn)，同時(shí)也為了提高鈷源射線的利用率及輻照均勻性，就需要將大量的污泥長時(shí)間在鈷源棒近距離周圍進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。這種長時(shí)間在高度危險(xiǎn)的I類放射性鈷源棒近距離進(jìn)行長時(shí)間大量流體運(yùn)動的輻照方式，對從鈷源輻照裝置放射源安全管理的角度來說，是完全無法接受的。如鈷60放射源的保護(hù)裝置出現(xiàn)問題，可能會造成污泥與放射源混雜，會成為極難處理的輻照事故。

而且，由于鈷源屬于放射性核素，其原子核的核衰變和γ射線的放射是無法停止的，即使沒有需要輻照處理的物品，鈷源輻照依舊存在，無法降低輻照成本。從經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上講，對污泥進(jìn)行工業(yè)輻照鈷60γ輻照并不是合適的方式。但是，由于γ射線的穿透力強(qiáng)，在不需要特殊輻照束裝置的條件下，僅需要對樣品污泥進(jìn)行簡單的處理，即可進(jìn)行污泥輻照的研究實(shí)驗(yàn)或輻照劑量工藝確定實(shí)驗(yàn)，所得的污泥輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可應(yīng)用于未來的加速器工業(yè)輻照。

4.2 電子加速器輻照技術(shù)

高能電子束輻照是指采用不同類型的加速器，將電子能量加速到0.2～10 MeV范圍內(nèi)，然后使用高能電子照射被照物品的輻照方式。

由于電子帶負(fù)電荷，其傳能線密度較高。因此，相對于γ射線輻照，高能電子射線輻照的穿透力較低，而輻照劑量率相對較高，達(dá)到10 kGy輻照劑量一般只需約1 s的時(shí)間（具體數(shù)值要結(jié)合實(shí)際使用加速器掃描窗下的高能電子輸出的功率密度）；基于這種技術(shù)特點(diǎn)，采用電子輻照的物品多為體積相對較小、平均密度相對較小、吸收劑量相對較多的物品，如電線電纜的絕緣層、熱收縮材料制品、各類化工產(chǎn)品等，包裝尺寸較小的食品、藥品等。

高能電子束來源于不同類型的加速器。無論是何種類型的加速器，均是基于電子帶電荷的特性，利用電子在磁場中加速偏轉(zhuǎn)的物理屬性，通過不同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，讓電子槍產(chǎn)生的熱電子在真空狀態(tài)下，在不同形態(tài)的電場中加速，并在不同形態(tài)的磁場中偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生出所需能量的高能電子，并設(shè)定出口輸出的裝置。因此加速器輸出的高能電子束的能量和輻照的方向在一定范圍內(nèi)均是可以設(shè)定的，這個(gè)特性使得加速器輸出的用于輻照的高能電子束射線的單向一致性和射線的利用率皆優(yōu)于鈷源的γ輻照方式。

基于電子加速器輻照的特性，使用電子加速器進(jìn)行輻照時(shí)，可以將被照物品置于加速器電子束流的輸出口下，并對應(yīng)加速器能量高低設(shè)定穿過電子束輸出窗口下的厚度，只要被照物品在經(jīng)過高能電子束流輸出窗口時(shí)的厚度滿足電子束的穿透能力時(shí)，就可以通過特定裝置實(shí)現(xiàn)大量流體的連續(xù)輻照作業(yè)[4]。

地納米加速器如圖3所示。

通過將被照的流體物品整形成合適的形態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)加速器連續(xù)工業(yè)輻照。目前這種輻照方式在污水輻照處理和糧食輻照滅菌方向已有成功的案例。如污泥滅菌工藝需要采用輻照技術(shù)，只需要設(shè)計(jì)一種專用的加速器束下污泥輸運(yùn)裝置，使得通過加速器束下掃描窗的含菌污泥的厚度、寬度，通過速率滿足加速器輸出的高能電子束的能量、功率及污泥輻照所需劑量的要求即可。這種裝置的設(shè)計(jì)與制造與普通污泥的傳輸裝置相類似，并無太高的工業(yè)難度。

中廣核達(dá)勝加速器技術(shù)有限公司輻照污水處理技術(shù)如圖4所示。

圖3 地納米加速器

圖4 中廣核達(dá)勝加速器技術(shù)有限公司輻照污水處理技術(shù)

因此，使用現(xiàn)有成熟的工業(yè)加速器對污泥進(jìn)行輻照滅菌，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)作業(yè)，在技術(shù)上是完全可行的。

5 結(jié)論

輻照技術(shù)是對污泥中大腸桿菌進(jìn)行殺滅的有效技術(shù)手段。輻照劑量在10 kGy以上時(shí)對大腸桿菌可以達(dá)到較為理想的殺滅效果。進(jìn)行污泥滅菌實(shí)驗(yàn)或輻照劑量工藝研究時(shí)可以選擇鈷60γ射線輻照裝置進(jìn)行，工業(yè)電子加速器輻照裝置更適合污泥輻照滅菌的連續(xù)作業(yè)。

［1］中國核學(xué)會. 2016—2017核技術(shù)應(yīng)用學(xué)科發(fā)展報(bào)告［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2018：118-119.

［2］張景麗，顧平.污泥消毒技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展［J］.中國給水排水，2008，24（2）：20-24.

［3］張韶華，石利民，金萍.輻照對污泥消毒效果的觀察［J］.職業(yè)與健康，2002，18（12）：77.

［4］孫永亮，李欣，王潔，等.電子束輻照技術(shù)在剩余污泥處理中的應(yīng)用［J］.原子核物理評論，2013，30（1）：72-78.

2095－6835（2021）06－0057－03

TL929

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.019

高建政（1972—），男，本科，高級工程師，天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心副主任，主要從事輻射環(huán)境監(jiān)測與管理、輻射防護(hù)等工作。

〔編輯：丁琳〕