对超临界水氧化污泥的环境评估

王 俊 飒

(太原市环境监测中心站，山西 太原 030002)

对超临界水氧化污泥的环境评估

王 俊 飒

(太原市环境监测中心站，山西 太原 030002)

介绍了使用超临界水氧化技术处理污泥污水的研究现状，对其用于生命周期的评价(LCA)作了分析，LCA研究结果表明，污泥的燃气预热是造成环境影响的主要污染源，此外发电抽水以及氧气释放也会对环境产生影响。总而言之，对于难降解的污泥来说，超临界水氧化技术是一个有前景的技术。

超临界水氧化技术，污泥，环境

1 可持续发展研究

“布伦特兰报告”(联合国世界环境和委员会发展,1987)将可持续发展定义为为了满足人类的需求和愿望，在资源开发、投资方向、技术变革方面的发展，“符合可持续发展目前的需要且不损害子孙后代的能力满足自己的需要”。对研究方向的选择和方向的变化将影响社会的可持续发展，专家正在对这些活动进行研究。大多数人类活动涉及能源和材料，我们需要在一个可持续发展的社会中来研究能源和材料的管理，然后使用最有效的能源和材料来满足这些功效。社会、经济和环境被认为是影响可持续发展的三大因素，每一个因素在可持续发展中都有同样重要的因素。在本文中，我们从生命周期的角度分析了能源和材料的影响，主要是从环境角度进行探讨。

世界上大部分人口居住在大城市，产生的大量废物流被周围环境吸收。Awater传输系统通常用作处理人体代谢废物、食物残渣、不同种类的废水造成的直接的健康和环境伤害，这样能够便于收集和安全处置。这篇论文讨论的是新的环境处理工艺SCWO用作城区废水处理工艺中所产生的污泥的处置。SCWO可以减少大量污泥体积、回收污泥产生的能量，而且可以实现二次污染物的无害排放。

传统处理工艺研究不同工艺产生的排放量对环境的影响，但是在可持续发展的今天，这是远远不够的。在这篇文章中，生命周期评估(LCA)用作从历史发展到角度评价环境效应。

2 污泥处理工艺

在世界许多地方，污泥产生量正在逐年增加。现有的以及未来产生的大量污泥由于成分复杂，都将难于处置。在许多地区，海洋倾倒已经被禁止,污泥就地填埋也逐年减少。在农业方面，污泥就地填埋增加土壤养分和有机质含量，许多政府将这一技术作为最节能环保的选择。然而，重金属的含量、病原体和持久性有机污染物在污泥处理工艺中有严格的规定。“土地利用”和“回收”常常在土地复垦中也有应用。污泥焚烧也被严格控制。在欧盟和美国的具体情况如下[1]：

在欧盟，按照城市污水管理要求，从1991年开始到2005年12月31日，每2 000人的区域就应该设置污水收集系统，最起码是二级污水处理系统。第一批次的欧盟13个加盟国，污泥产生量从1992年的550万t增加到2000年的790万t。考虑到其他方面的原因，污泥代从2000年—2005年至少增加40%。这些要求在欧盟选举成员国的时候也是一项指标。在过去的几年里，污泥处理方法的规定发生很大的变化，而且将很快进行修订。污泥的处理工艺对地表水的影响被禁止。当新的污泥处理工艺流程上升到国家法律，之前的有机质填埋被删除。1995年，生物质垃圾填埋减少到75%。在2000年，每年1.7 t的MDT被填埋。从1986年开始，对污泥在农业用地中的使用有了特定的要求。但是到目前为止，只有重金属和病原体微生物得到监管。新规定出台后对重金属的限制将会有所降低，但是又新增了对有机化合物的限制要求。欧盟13国每年回收的污泥从1992年的2.6 MDT，增加到了2000年的4.2 MDT。污泥焚烧通过空气污染物排放限值和污水排放限值进行限制。但是现在对欧盟污泥焚烧量是否增加还不确定，因为这些规定生效之后，其他废物将与污泥焚烧一样，都要执行新规定。1998年产生1.2 MDT污泥，预计在2005年将增加到2 MDT。

在美国，污泥产生量从1972年的4.6 MDT增加到1998年的6.9 MDT。这是由于在这期间，美国人口增加了29%，1972年清洁水方案的通过以及开始对城市排放量的限定所导致的。年污泥发电量增加到2010年的8.2 MDT，这是由人口的预期增长量和所增加二级处理设施所决定的。同时污泥倾倒在地表水表层也被禁止。1993年2月，污泥处理中产生的有机废物也被限制，从那时候起，产生量逐年减少。垃圾填埋场的污泥每年大约处理1 MDT。尽管污泥总量在不断增加，但是垃圾填埋场年处理量有逐渐减少的趋势。原因是污泥处理成本不断增加，而且大都转移到土地污泥处理处置。对于污泥陆地填埋，有机固体残余物规则对重金属、病原体微生物进行限制。1999年起，实行新的有机固体残余物规则，二英是这项规则中唯一一项新增的污染物。2000年，大约有4.5 MDT用于土地填埋。这一总量在2005年增加到5 MDT。虽然污泥焚烧总量在不断增加，但是这一总量将被控制在150万t的水平。

当前最紧迫的是找到新的处理污泥途径和方法，尤其是在欧盟。根据污泥处理所要达到的不同效果[2]，不同的处理方法应运而生。有些方法是简单的处理，有些方法是通过能量和材料的回收利用进行处理。如果污泥比较干净，可以直接用于土地填埋。这一方法是比较简单的，而且用最少的费用将污泥回收。但是，一些个人和公益组织更加关注在污泥中一些暴露在环境中的低水平污染物所存在的长期风险，如病原体、重金属、二英、多环芳烃、生物性农药、激素和阻燃剂。污泥焚烧实现了能量回收。一些物质在炉渣和灰烬中实现回收。废气燃烧的排放量必须严格控制，但是这样污泥处理成本将会比较高。然而，用SCWO技术处理污泥是一种比较经济的回收能量的方法，同时还可以从无机物中回收有用物质，而且还没有废气和废水的排放。

3 超临界水氧化技术

超临界水(T>374 ℃，P>22.1 MPa)能够很好的氧化各种废水，尤其是对于水资源浪费比较严重的污泥焚烧，是一种很好的介质。超过临界点，水的性质发生变化，变成一种非极性溶剂。许多有机化合物、气体，包括氧气都能与超临界水互溶，然后有机化合物、氧气和超临界水形成一个均质流体相，没有气体和液体的边界线以及两相之间的传质阻力。例如，在450 ℃和600 ℃之间(大概是传统温度的一半)，一些有机化合物被迅速氧化、降解。氧化速率(0.1 s～100 s)，去除效率(99.9%～99.99%),碳、氢化合物反应生成二氧化碳、水和N2分子。杂原子,如硫、氯、磷，迅速氧化中和生成无机酸。这些性质使超临界水反应迅速、能彻底去除有害物质，特别是水分含量比较高的污泥等废弃物。无机化合物(包括常见的无机盐)在超临界水的温度、压力条件下，难溶于水。污泥通常所含的盐类和杂原子都比较低。尽管如此，在设计超临界水氧化装置的时候，还是应该避免无机盐和其他无机物的影响。通常的方法是在反应器内部和乳化系统防止无机盐的堆积，来避免容器表面的堆积[3]。此外，通过定期清理，可以减少固体在反应器表面的附着。控制废水的酸度也能降低腐蚀的风险。在许多对污泥的实践中，我们发现低浓度的卤素原子引起的腐蚀并不是腐蚀主要原因。超临界水氧化技术可以彻底去除污泥中的病原体微生物，将有机物转化成无机小分子。COD的去除效率达到99.9%。含氮有机物变成氨，然后水解迅速变成氮单质。二氧化碳,作为主要氧化产物，可以再继续回用于生产过程。反应过程中过剩的氧气，可以实现回收利用以降低成本。超临界水氧化过程的污泥固化的残渣处理主要包括粉尘、砂石、粘土颗粒以及所有病原体微生物。一项最新的分析表明，超临界水处理污泥的成本是每DMTat 10%固体是120美元～200美元,这比传统方法的填埋和焚烧要便宜。在以下的论述中将详细描述这一系统的功能。

4 生命周期评估

从这一系统设计的初衷来说，LCA是一种结构化模式用于评估在系统荷载范围内的系统负荷[4]。这一生命周期的方法不仅考虑到生产过程的污染物排放量，而且还考虑产品相关生产活动的排放量。比如：物料和产品的运输、原材料的提取和预处理、产品废弃物的处理处置等等。LCAS被称之为是“从摇篮到坟墓”的研究。为了防止给定的研究范围无谓的扩大化、复杂化，必须严格限定适用范围。因此，这一“从摇篮到坟墓”的方法就意味着污泥收集和处理对环境的影响已经消除。因此，为一个特定的状态提供有意义的结果，LCA技术必须考虑到技术差异和地理因素(如：在不同的国家，电力生产技术不同、施行的标准不同)。由于全球性化数据时代的到来，LCA技术的使用将更普遍。但是，目前LCA的研究限于特殊的技术、特定的地理位置，在特定的企业使用全过程数据。因此，外推到其他结果的数据必须是针对特定的属性、特定条件。

在对LCA的研究目标、研究范围的定义明确之后，我们开始对数据收集。但是这一研究耗费大量的时间和人力。尤其是之前这项活动还没开始研究，仅仅处于起步状态。有些基础信息在数据库和文献资料中可以查到。在一些活动中，有些数据是可行的，但是在产品生命周期研究下，偏离了实际处理过程或者生产产品的前提下，采集一些比较好的数据通常都比较困难。一般收集的数据是：废气、固废、废水和产品流[5]；原材料和能源消耗产物和其他的一些边角料废物。在这项研究中，我们使用LCAiT 4.0软件对数据进行分析。为了便于说明，研究结果通常包括所有对环境造成的影响(如：全球变暖、酸化)，并且都用CO2作为等价交换物表示污染程度，这一结果称为表征结果。有时候，不同的影响因子综合社会因素和环境因素换算成一个单一因子。当然，这一数据库是比较客观的，反映的是综合了社会因素和环境因素后的数值。

在欧洲、美国和其他地方，本研究项目根据当前和预期的环境性能，确认了国际上最有前景的超临界水氧化技术[6]。最近的一项研究表明：超临界水氧化技术表现出了巨大的经济潜能和污水处理能力。本论文主要通过LCA方法对污泥进行超临界水氧化处理，用以确定超临界水对环境的贡献值。

[1] Dumontet S, Scopa A, Kerje S,et al. The importance of pathogenic organisms in sewage and sewage sludge. J Air Waste Manage Assoc，2001(51):848-869.

[2] European Environment Agency. Environment in the European Union at the turn of the century—environmental assessment report no. 2, Chapter 3.7.Waste Generation and Management, EEA, Copenhagen, Denmark，1999.

[3] Griffith JW, Raymond DH. The first commercial supercritical water oxidation sludge processing plant. Waste Manage, 2002(22):453-459.

[4] CIT Ekologik. LCAiT energy and transport database CIT-3g. Chalmers Industriteknik, Chalmers Sciencepark, Sweden, 2001.

[5] Kritzer P, Dinjus E. An assessment of supercritical water oxidation (SCWO)—Existing problems, possible solutions and new reactor concepts. Chem Eng J,2001(83):207-214.

[6] Tillman A-M, Svingby M, Lundstr m H. Life cycle assessment of municipal waste water systems. Int J Life Cycle Assess, 1998(3):145-157.

Environmental assessment of supercritical water oxidation of sewage sludge

Wang Junsa

(TaiyuanEnvironmentalMonitoringCenterStation,Taiyuan030002,China)

The paper introduces the research on the supercritical water oxidation of sewage slude, analyzes its Life Cycle Assessment, proves by the assessment that the gas preheating of the sludge is the main pollutant source of environmental influence, while the water pumping and power generation also leads to its affect on environment, and indicates the supercritical water oxidation technique is the prospect technique for the sludge which can be degraded difficultly.

supercritical water oxidation, sewage sludge, environment

2015-04-27

王俊飒(1975- )，女，工程师

1009-6825(2015)19-0189-02

X820.2

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