超臨界水氧化技術(shù)處理污泥的研究與應(yīng)用進(jìn)展

高占朋

新奧科技發(fā)展有限公司

超臨界水氧化技術(shù)處理污泥的研究與應(yīng)用進(jìn)展

高占朋

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進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著城市和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國城鎮(zhèn)污水處理廠的建設(shè)開始加速發(fā)展，勢必產(chǎn)生大量污泥，污泥處置已成為行業(yè)面臨的一個(gè)難題。超臨界水氧化技術(shù)(SCWO)是利用水在超臨界狀態(tài)下(374℃，22.1MPa以上)所具有的特殊性質(zhì)，使有機(jī)物和氧化劑在超臨界水中迅速發(fā)生氧化反應(yīng)來徹底分解有機(jī)物的一種高級氧化技術(shù)。與傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，該技術(shù)具有處理徹底、反應(yīng)時(shí)間短、無二次污染等特點(diǎn)。因此本文主要就對超臨界水氧化技術(shù)處理污泥的研究與應(yīng)用進(jìn)行分析和探討。

超臨界水氧化技術(shù)；處理污泥；應(yīng)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(tài)。在超臨界條件下，水的性質(zhì)發(fā)生了極大的變化，其密度﹑介電常數(shù)﹑黏度﹑擴(kuò)散系數(shù)﹑電導(dǎo)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(diǎn)時(shí)，水的密度為0.3g/cm3。許多物質(zhì)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(jī)鹽在超臨界水中的離解常數(shù)和溶解度較常溫常壓狀態(tài)下小很多。超臨界水同時(shí)具有極性與非極性的溶解性能，可以與氧氣或有機(jī)物以任意比互溶，成為均一相，消除了相間的傳質(zhì)阻力，加快了反應(yīng)速率。所以大多數(shù)有機(jī)物在超臨界水中可在幾分鐘內(nèi)達(dá)到99.9%以上的去除率。超臨界水因其獨(dú)特的性質(zhì)具有其它物質(zhì)無法比擬的優(yōu)勢，可以作為溶劑或者反應(yīng)介質(zhì)而應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。

2 超臨界水氧化法在污泥處理中的應(yīng)用

2.1 超臨界水氧化法處理污泥

污泥作為廢水處理的產(chǎn)物，除富含脂肪﹑蛋白質(zhì)﹑纖維素和糖類等有機(jī)物外，還含有多種有毒有害的有機(jī)污染物和重金屬離子。由于其成分復(fù)雜，分析處理起來存在較大困難。傳統(tǒng)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(shù)的應(yīng)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(yīng)參數(shù)對污泥SCWO反應(yīng)的影響

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

2.2.2 反應(yīng)時(shí)間的影響。反應(yīng)時(shí)間對有機(jī)污染物的去除率有較大影響，有機(jī)污染物在超臨界水中的氧化降解率隨反應(yīng)時(shí)間的增加而上升，且都經(jīng)歷一個(gè)先快后慢的過程。反應(yīng)剛開始，降解率迅速提高，而隨著反應(yīng)的進(jìn)行，降解率不再升高。

2.2.3 壓力的影響。壓力對有機(jī)污染物降解的影響主要表現(xiàn)在：一方面，在溫度不變的條件下，壓力升高導(dǎo)致超臨界水的密度增加，從而增加了有機(jī)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(yīng)速率常數(shù)增加。因此，提高壓力有助于有機(jī)污染物氧化降解率的提高，但壓力升高對材料和設(shè)備的性能要求也會(huì)大大提高，所以在工業(yè)應(yīng)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(yīng)，增加氧化劑量，在反應(yīng)初期能產(chǎn)生較多的自由基，導(dǎo)致初期反應(yīng)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(dāng)氧化劑過量至一定程度時(shí)，再增加氧化劑的量對有機(jī)物轉(zhuǎn)化率的提高作用就很小了，同時(shí)還增加了壓縮機(jī)或高壓泵的能耗，也增加了氧化劑的消耗和后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)，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(yīng)用。催化反應(yīng)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(dāng)催化劑。其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)溫和﹑穩(wěn)定；缺點(diǎn)是催化劑溶于廢水中，需進(jìn)行后續(xù)處理(二次污染﹑回收)。另一類是多相催化，催化劑以固態(tài)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(yīng)中，大大提高了反應(yīng)速率，而且緩解了反應(yīng)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(yōu)化選擇催化劑，可降低反應(yīng)壓力和溫度，并控制反應(yīng)產(chǎn)物。

3 SCWO技術(shù)的展望

今后超臨界水氧化技術(shù)應(yīng)用于城市污泥處理的研究應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面：①新型高效催化劑的開發(fā)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(yīng)時(shí)間，同時(shí)降低反應(yīng)壓力和溫度。②動(dòng)力學(xué)和鹽沉淀問題的研究。可以開發(fā)新的反應(yīng)器和運(yùn)行技術(shù)，消除或減少鹽沉積影響。目前開發(fā)出了很多SCWO反應(yīng)器，但沒有一種設(shè)計(jì)和方法能比別的優(yōu)越，只是相對來說更適合于某種特定的污染物。管狀反應(yīng)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(tài)，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(fā)的反應(yīng)器是蒸發(fā)壁反應(yīng)器，有關(guān)學(xué)者正在進(jìn)行相關(guān)參數(shù)研究，將其應(yīng)用于城市污泥處理。多種復(fù)雜成分污泥的鹽沉淀，還需進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。通過加入一些夾帶劑，或者設(shè)定最佳的濃度配比使反應(yīng)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(yùn)行成本，進(jìn)一步開發(fā)耐高溫耐腐蝕材料和環(huán)保緩蝕劑，尋求高效低廉的防腐耐高溫材料。與此同時(shí)，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(zhì)，這不僅實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用，也可以降低運(yùn)行成本。④開發(fā)超臨界水氧化方法的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的自動(dòng)化控制，減少管理費(fèi)用。

結(jié)語

超臨界水氧化法是一種新興且很有發(fā)展前景的廢水處理技術(shù)。經(jīng)過近20年的發(fā)展，已有了很大的進(jìn)展。但仍存在一些問題，如鹽沉淀﹑腐蝕及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(yè)化進(jìn)程，但超臨界水氧化法已經(jīng)在工業(yè)廢水處理上顯示出了勃勃生機(jī)，相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，該方法也將得到廣泛的應(yīng)用。

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