超臨界水氧化技術(shù)在城市固廢處理中的應用

　　近年來(lái)，隨著(zhù)工業(yè)化、城鎮化進(jìn)程的加快，我國的城市固廢產(chǎn)生量呈現出逐漸增長(cháng)態(tài)勢。根據生態(tài)環(huán)保部發(fā)布的《2018年全國大、中城市固體廢物污染環(huán)境防治年報》公布的數據顯示：2017年，全國202個(gè)大、中城市一般固廢、工業(yè)危廢、醫療廢物和生活垃圾產(chǎn)生量分別為13.1億t、0.401億t、78.1萬(wàn)t和2.19億t，較上一年度均有不同程度增長(cháng)。固廢的處理應堅持：減量化、資源化和無(wú)害化原則，通過(guò)預處理(破碎、固化、分選等)、填埋、焚燒、堆肥等，實(shí)現“三化”處理效果。

　　1、超臨界水氧化技術(shù)原理介紹

　　1.1 工藝原理

　　超臨界水氧化技術(shù)(SCWO)，將超臨界水作為反應介質(zhì)，實(shí)現有機物氧化分解。超臨界水使氧化劑、有機物、水形成都是一相，解決了相間物質(zhì)傳輸阻力，使固相、氣相間的多相反應成為單相反應下進(jìn)行。SCWO反應條件：溫度達到400～600℃，壓力30～50MPa，在極短時(shí)間內實(shí)現對有機成分破壞效果，且反應的非常徹底，去除率達99%以上。超臨界水氧化反應后，有機化合物氧化成二氧化碳和水，磷、硫轉換成硫酸鹽、磷酸鹽。氯轉化為氮氣或氯離子金屬鹽。

　　1.2 超臨界水特點(diǎn)

　　超臨界水傳輸性質(zhì)及物理特點(diǎn)介于液體與氣體之間，與普通水相比，粘度較低、密度易改變、極性較小、易擴散、表面張力較低等等特點(diǎn)。且在室溫水中難溶的化合物超臨界氧化技術(shù)條件下易溶，也對某些室溫易溶下化合物在超臨界氧化技術(shù)條件下難溶。對有機物溶解度較高，鹽類(lèi)溶解度則較低。

　　1.3 超臨界水氧化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

　　采取超臨界水氧化技術(shù)處理城市固廢具有：

　　(1)處理效率高。

　　SCWO處理工藝中形成的碳氫化合物、水體以及氧氣均為一相，無(wú)傳質(zhì)阻力，具有很高氧化效率，對有機物的去除效果能夠達到99%。

　　(2)設備結構簡(jiǎn)單。

　　SCWO能夠使固廢在超臨界水環(huán)境中實(shí)現均相反應，速率快，停留時(shí)間低于60s，設備結構簡(jiǎn)單，體積小，投入低。

　　(3)沒(méi)有二次污染。

　　SCWO是在封閉的環(huán)境中進(jìn)行，固廢中的有毒、有害及難降解有機物在高溫、適當壓力和停留時(shí)間條件下氧化成CO2、H2O，以及磷酸鹽、硫酸鹽等無(wú)機組分。

　　(4)能源節約效果。

　　SCWO處理城市固廢，在有機物質(zhì)量分數>2%會(huì )發(fā)生自熱反應，無(wú)需供熱，多余熱能可回收再利用。

　　2、超臨界水氧化技術(shù)在城市固廢中的應用

　　2.1 處理市政污泥

　　SCWO對城市污水處理廠(chǎng)污泥具有分解徹底的效果。Shanableh等，在污泥固體濃度5%、固液兩相COD46500mg/L，在選擇超臨界水氧化技術(shù)處理市政污泥，既徹底破壞污泥，揮發(fā)酸等中間產(chǎn)物也徹底解決。Goto等人利用SCWO處理市政污泥，在溫度達450℃、壓力達30MPa，以及反應時(shí)間4min諸條件下，市政污泥的處理效果達99.4%。與其他工藝相比(見(jiàn)表1)，SCWO處理市政污泥具有流程短、無(wú)二次污染，無(wú)殘灰，可適用各種有毒有害物質(zhì)的處理，去除效率高達99%以上，反應結構簡(jiǎn)單，投資少，可有效減少排水效果。

　　2.2 尼龍降解

　　Meng等人利用SCWO處理尼龍塑料固廢，在溫度380℃、壓力28MPa、反應時(shí)間為30min條件下，尼龍被徹底降解為單體。

　　2.3 聚乙烯分解回收

　　蘇曉麗等人利用SCWO處理聚乙烯，溫度在450℃增至480℃，超臨界氧化水迅速分解聚乙烯，油收率超過(guò)90%。

　　2.4 聚苯乙烯降解

　　馬沛生選用SCWO工藝降解聚苯乙烯及聚苯乙烯與聚丙烯混合塑料，在380℃，聚苯乙烯在SCWO中1h實(shí)現徹底降解。聚苯乙烯/聚丙烯混合塑料(質(zhì)量比7：3)，在390℃，也在1h內實(shí)現徹底降解。

　　2.5 降解廢橡膠

　　杜昭輝等人，選用SCWO，將廢橡膠在5min反應時(shí)間中，液相混合油品回收達59.2%。

　　2.6 其他

　　佐古猛采用SCWO技術(shù)處理城市固廢焚燒飛灰中的二噁英，幾乎實(shí)現了100%去除效果。

　　3、超臨界水氧化技術(shù)不足及優(yōu)化

　　3.1 不足

　　SCWO盡管在城市固廢處理中擁有諸多的優(yōu)勢，但也技術(shù)應用上也存在一些短板，主要是腐蝕和鹽沉積問(wèn)題。前者，是由于SCWO應用過(guò)程中對溫度、壓力、pH值等有著(zhù)苛刻要求，有機物中的鹵素、硫或磷，在超臨界水中分解產(chǎn)生酸，腐蝕設備，一些無(wú)機離子會(huì )加劇不銹鋼容器腐蝕。后者，由于SCWO工藝技術(shù)中的鹽溶解度很小，在反應過(guò)程中產(chǎn)生鹽沉積，堵塞反應器，降低反應中的換熱率，系統壓降增加。

　　3.2 優(yōu)化

　　針對腐蝕問(wèn)題，主要通過(guò)耐壓耐腐蝕材料開(kāi)發(fā)研究，實(shí)際應用中研制出的一些陶瓷或新金屬材料，改善耐腐蝕性。此外，也有在SCWO中添加催化劑，以及水、硝酸強氧化劑降低反應溫度、壓力，降低容器的腐蝕。針對鹽沉積垢，從源頭提高固體鹽溶解度或避免固體鹽形成。此外，通過(guò)SCWO反應機理的深入研究，利用臨界液、氣兩態(tài)中氫鍵結構變化研究，改善工藝的應用效果。近年來(lái)，催化超臨界水氧化技術(shù)研究也成為熱點(diǎn)。

　　4、結語(yǔ)

　　隨著(zhù)城市固廢產(chǎn)生量的持續增長(cháng)，做好固廢“三化”處理成為擺在現實(shí)中不得不面對的一道難題，合理選用SCWO技術(shù)，能夠在城市固廢處理中取得良好效果，值得實(shí)際應用推廣。(來(lái)源：安徽省環(huán)境科學(xué)研究院)