超臨界水氧化技術處理污泥的研究與應用進展

高占朋

新奧科技發展有限公司

超臨界水氧化技術處理污泥的研究與應用進展

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進入21世紀后，隨著城市和經濟的發展，我國城鎮污水處理廠的建設開始加速發展，勢必產生大量污泥，污泥處置已成為行業面臨的一個難題。超臨界水氧化技術(SCWO)是利用水在超臨界狀態下(374℃，22.1MPa以上)所具有的特殊性質，使有機物和氧化劑在超臨界水中迅速發生氧化反應來徹底分解有機物的一種高級氧化技術。與傳統處理技術相比，該技術具有處理徹底、反應時間短、無二次污染等特點。因此本文主要就對超臨界水氧化技術處理污泥的研究與應用進行分析和探討。

超臨界水氧化技術；處理污泥；應用

1 超臨界水特性

水的臨界溫度和壓力分別是374℃和22MPa，在此溫度和壓力之上的水則處于超臨界狀態。在超臨界條件下，水的性質發生了極大的變化，其密度﹑介電常數﹑黏度﹑擴散系數﹑電導率和溶劑化性都不同于普通水。在超臨界條件下，溫度的微小變化將引起超臨界水的密度大大減小，如在臨界點時，水的密度為0.3g/cm3。許多物質在超臨界水中的溶解能力都隨密度的增加而增加，但是無機鹽在超臨界水中的離解常數和溶解度較常溫常壓狀態下小很多。超臨界水同時具有極性與非極性的溶解性能，可以與氧氣或有機物以任意比互溶，成為均一相，消除了相間的傳質阻力，加快了反應速率。所以大多數有機物在超臨界水中可在幾分鐘內達到99.9%以上的去除率。超臨界水因其獨特的性質具有其它物質無法比擬的優勢，可以作為溶劑或者反應介質而應用于眾多領域。

2 超臨界水氧化法在污泥處理中的應用

2.1 超臨界水氧化法處理污泥

污泥作為廢水處理的產物，除富含脂肪﹑蛋白質﹑纖維素和糖類等有機物外，還含有多種有毒有害的有機污染物和重金屬離子。由于其成分復雜，分析處理起來存在較大困難。傳統的污泥處理方法主要有濕式氧化法(WAO)和焚燒法。但是這兩種方法均存在不少問題，處理過程和效果不太理想。超臨界水氧化技術的應用，使污泥處理效果更加顯著，并且成本相對較低，見表1。

2.2 反應參數對污泥SCWO反應的影響

2.2.1 溫度的影響。溫度對超臨界水中有機污染物氧化降解的影響表現在兩方面：一方面，溫度升高，反應速率常數增大，導致氧化降解率相應增加；另一方面，在壓力不變的情況下，溫度提高會導致超臨界水的密度變小，這樣反應物的濃度會降低，從而降低反應速率，而反應速率常數增大的幅度大于反應物濃度降低的幅度，所以總體上表現為溫度的升高對有機物的去除率增加。

2.2.2 反應時間的影響。反應時間對有機污染物的去除率有較大影響，有機污染物在超臨界水中的氧化降解率隨反應時間的增加而上升，且都經歷一個先快后慢的過程。反應剛開始，降解率迅速提高，而隨著反應的進行，降解率不再升高。

2.2.3 壓力的影響。壓力對有機污染物降解的影響主要表現在：一方面，在溫度不變的條件下，壓力升高導致超臨界水的密度增加，從而增加了有機物和氧的濃度；另一方面，在超臨界條件下，壓力升高，氧化反應速率常數增加。因此，提高壓力有助于有機污染物氧化降解率的提高，但壓力升高對材料和設備的性能要求也會大大提高，所以在工業應用中壓力不宜過高。

2.2.4 氧化劑過氧量的影響。SCWO屬于自由基反應，增加氧化劑量，在反應初期能產生較多的自由基，導致初期反應速率很快，但是到后來就逐漸趨于平緩，因此氧化劑的量并非越多越好。當氧化劑過量至一定程度時，再增加氧化劑的量對有機物轉化率的提高作用就很小了，同時還增加了壓縮機或高壓泵的能耗，也增加了氧化劑的消耗和后續處理的負擔，因此需要選擇合適的氧化劑用量。

2.2.5 催化劑在超臨界水氧化法中的應用。催化反應可分為兩類，一類是均相催化，常用溶解在水中的金屬離子充當催化劑。其優點是反應溫和﹑穩定；缺點是催化劑溶于廢水中，需進行后續處理(二次污染﹑回收)。另一類是多相催化，催化劑以固態存在，主要有貴金屬﹑銅和稀土3大類，便于分離﹑回收。通過分析可以得出催化劑引入到超臨界水氧化反應中，大大提高了反應速率，而且緩解了反應需要苛刻的溫度和壓力。隨著對催化劑在SCWO過程中所起作用的深入研究，優化選擇催化劑，可降低反應壓力和溫度，并控制反應產物。

3 SCWO技術的展望

今后超臨界水氧化技術應用于城市污泥處理的研究應集中在以下幾個方面：①新型高效催化劑的開發和研制。隨著SCWO研究的深入，尋求更高效的催化劑，試圖減少反應時間，同時降低反應壓力和溫度。②動力學和鹽沉淀問題的研究。可以開發新的反應器和運行技術，消除或減少鹽沉積影響。目前開發出了很多SCWO反應器，但沒有一種設計和方法能比別的優越，只是相對來說更適合于某種特定的污染物。管狀反應器適合于氧化處理城市污泥，在高流速下使污泥處于懸浮狀態，有高比例的無鹽固體可消除或減少鹽沉積影響。目前最新開發的反應器是蒸發壁反應器，有關學者正在進行相關參數研究，將其應用于城市污泥處理。多種復雜成分污泥的鹽沉淀，還需進行動力學研究。通過加入一些夾帶劑，或者設定最佳的濃度配比使反應器保持良好的鹽傳輸，減少或消除鹽沉淀。③如何降低投資運行成本，進一步開發耐高溫耐腐蝕材料和環保緩蝕劑，尋求高效低廉的防腐耐高溫材料。與此同時，回收超臨界氧化處理污泥過程中放出的大量熱量與能量，回收利用CO2﹑磷酸和重金屬等物質，這不僅實現資源的綜合利用，也可以降低運行成本。④開發超臨界水氧化方法的自動控制系統，實現該技術的自動化控制，減少管理費用。

結語

超臨界水氧化法是一種新興且很有發展前景的廢水處理技術。經過近20年的發展，已有了很大的進展。但仍存在一些問題，如鹽沉淀﹑腐蝕及基礎數據缺乏等。這些問題在一定程度上阻礙了超臨界水氧化法的工業化進程，但超臨界水氧化法已經在工業廢水處理上顯示出了勃勃生機，相信隨著科學技術的不斷發展，該方法也將得到廣泛的應用。

[1]陳飛.超臨界水氧化技術在廢水處理中的應用[J].山東化工，2014，12：196-197.