超临界水氧化技术处理污泥的研究与应用进展

高占朋

新奥科技发展有限公司

超临界水氧化技术处理污泥的研究与应用进展

高占朋

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进入21世纪后，随着城市和经济的发展，我国城镇污水处理厂的建设开始加速发展，势必产生大量污泥，污泥处置已成为行业面临的一个难题。超临界水氧化技术(SCWO)是利用水在超临界状态下(374℃，22.1MPa以上)所具有的特殊性质，使有机物和氧化剂在超临界水中迅速发生氧化反应来彻底分解有机物的一种高级氧化技术。与传统处理技术相比，该技术具有处理彻底、反应时间短、无二次污染等特点。因此本文主要就对超临界水氧化技术处理污泥的研究与应用进行分析和探讨。

超临界水氧化技术；处理污泥；应用

1 超临界水特性

水的临界温度和压力分别是374℃和22MPa，在此温度和压力之上的水则处于超临界状态。在超临界条件下，水的性质发生了极大的变化，其密度﹑介电常数﹑黏度﹑扩散系数﹑电导率和溶剂化性都不同于普通水。在超临界条件下，温度的微小变化将引起超临界水的密度大大减小，如在临界点时，水的密度为0.3g/cm3。许多物质在超临界水中的溶解能力都随密度的增加而增加，但是无机盐在超临界水中的离解常数和溶解度较常温常压状态下小很多。超临界水同时具有极性与非极性的溶解性能，可以与氧气或有机物以任意比互溶，成为均一相，消除了相间的传质阻力，加快了反应速率。所以大多数有机物在超临界水中可在几分钟内达到99.9%以上的去除率。超临界水因其独特的性质具有其它物质无法比拟的优势，可以作为溶剂或者反应介质而应用于众多领域。

2 超临界水氧化法在污泥处理中的应用

2.1 超临界水氧化法处理污泥

污泥作为废水处理的产物，除富含脂肪﹑蛋白质﹑纤维素和糖类等有机物外，还含有多种有毒有害的有机污染物和重金属离子。由于其成分复杂，分析处理起来存在较大困难。传统的污泥处理方法主要有湿式氧化法(WAO)和焚烧法。但是这两种方法均存在不少问题，处理过程和效果不太理想。超临界水氧化技术的应用，使污泥处理效果更加显著，并且成本相对较低，见表1。

2.2 反应参数对污泥SCWO反应的影响

2.2.1 温度的影响。温度对超临界水中有机污染物氧化降解的影响表现在两方面：一方面，温度升高，反应速率常数增大，导致氧化降解率相应增加；另一方面，在压力不变的情况下，温度提高会导致超临界水的密度变小，这样反应物的浓度会降低，从而降低反应速率，而反应速率常数增大的幅度大于反应物浓度降低的幅度，所以总体上表现为温度的升高对有机物的去除率增加。

2.2.2 反应时间的影响。反应时间对有机污染物的去除率有较大影响，有机污染物在超临界水中的氧化降解率随反应时间的增加而上升，且都经历一个先快后慢的过程。反应刚开始，降解率迅速提高，而随着反应的进行，降解率不再升高。

2.2.3 压力的影响。压力对有机污染物降解的影响主要表现在：一方面，在温度不变的条件下，压力升高导致超临界水的密度增加，从而增加了有机物和氧的浓度；另一方面，在超临界条件下，压力升高，氧化反应速率常数增加。因此，提高压力有助于有机污染物氧化降解率的提高，但压力升高对材料和设备的性能要求也会大大提高，所以在工业应用中压力不宜过高。

2.2.4 氧化剂过氧量的影响。SCWO属于自由基反应，增加氧化剂量，在反应初期能产生较多的自由基，导致初期反应速率很快，但是到后来就逐渐趋于平缓，因此氧化剂的量并非越多越好。当氧化剂过量至一定程度时，再增加氧化剂的量对有机物转化率的提高作用就很小了，同时还增加了压缩机或高压泵的能耗，也增加了氧化剂的消耗和后续处理的负担，因此需要选择合适的氧化剂用量。

2.2.5 催化剂在超临界水氧化法中的应用。催化反应可分为两类，一类是均相催化，常用溶解在水中的金属离子充当催化剂。其优点是反应温和﹑稳定；缺点是催化剂溶于废水中，需进行后续处理(二次污染﹑回收)。另一类是多相催化，催化剂以固态存在，主要有贵金属﹑铜和稀土3大类，便于分离﹑回收。通过分析可以得出催化剂引入到超临界水氧化反应中，大大提高了反应速率，而且缓解了反应需要苛刻的温度和压力。随着对催化剂在SCWO过程中所起作用的深入研究，优化选择催化剂，可降低反应压力和温度，并控制反应产物。

3 SCWO技术的展望

今后超临界水氧化技术应用于城市污泥处理的研究应集中在以下几个方面：①新型高效催化剂的开发和研制。随着SCWO研究的深入，寻求更高效的催化剂，试图减少反应时间，同时降低反应压力和温度。②动力学和盐沉淀问题的研究。可以开发新的反应器和运行技术，消除或减少盐沉积影响。目前开发出了很多SCWO反应器，但没有一种设计和方法能比别的优越，只是相对来说更适合于某种特定的污染物。管状反应器适合于氧化处理城市污泥，在高流速下使污泥处于悬浮状态，有高比例的无盐固体可消除或减少盐沉积影响。目前最新开发的反应器是蒸发壁反应器，有关学者正在进行相关参数研究，将其应用于城市污泥处理。多种复杂成分污泥的盐沉淀，还需进行动力学研究。通过加入一些夹带剂，或者设定最佳的浓度配比使反应器保持良好的盐传输，减少或消除盐沉淀。③如何降低投资运行成本，进一步开发耐高温耐腐蚀材料和环保缓蚀剂，寻求高效低廉的防腐耐高温材料。与此同时，回收超临界氧化处理污泥过程中放出的大量热量与能量，回收利用CO2﹑磷酸和重金属等物质，这不仅实现资源的综合利用，也可以降低运行成本。④开发超临界水氧化方法的自动控制系统，实现该技术的自动化控制，减少管理费用。

结语

超临界水氧化法是一种新兴且很有发展前景的废水处理技术。经过近20年的发展，已有了很大的进展。但仍存在一些问题，如盐沉淀﹑腐蚀及基础数据缺乏等。这些问题在一定程度上阻碍了超临界水氧化法的工业化进程，但超临界水氧化法已经在工业废水处理上显示出了勃勃生机，相信随着科学技术的不断发展，该方法也将得到广泛的应用。

[1]陈飞.超临界水氧化技术在废水处理中的应用[J].山东化工，2014，12：196-197.