超临界水氧化技术在城市固废处理中的应用综述

吴霖 文国涛

摘要：本文在分析了超临界水氧化技术工艺原理的基础上，阐述了该工艺在城市固废中的应用效果，针对工艺自身存在的不足提出了优化措施。

关键词：超临界水氧化;固体废物;应用

中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）08-00-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.08.055

Review on the application of supercritical water oxidation technology in urban solid waste treatment

Wu Lin，Wen Guotao

（Anhui Environmental Science Research Institute， Hefei Anhui 230071， China）

Abstract： Based on the analysis of the process principle of supercritical water oxidation technology， this paper expounds the application effect of the process in urban solid waste， and proposes optimization measures for the shortcomings of the process itself.

Key words： Supercritical water oxidation; Solid waste; Application

近年来，随着工业化、城镇化进程的加快，我国的城市固废产生量呈现出逐渐增长态势。根据生态环保部发布的《2018年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》公布的数据显示：2017年，全国202个大、中城市一般固废、工业危废、医疗废物和生活垃圾产生量分别为13.1亿t、0.401亿t、78.1万t和2.19亿t，较上一年度均有不同程度增长。固废的处理应坚持：减量化、资源化和无害化原则，通过预处理（破碎、固化、分选等）、填埋、焚烧、堆肥等，实现“三化”处理效果。

1 超临界水氧化技术原理介绍

1.1 工艺原理

超临界水氧化技术（SCWO），将超临界水作为反应介质，实现有机物氧化分解。超临界水使氧化剂、有机物、水形成都是一相，解决了相间物质传输阻力，使固相、气相间的多相反应成为单相反应下进行。SCWO反应条件：温度达到400～600℃，压力30～50MPa，在极短时间内实现对有机成分破坏效果，且反应的非常彻底，去除率达99%以上。超临界水氧化反应后，有机化合物氧化成二氧化碳和水，磷、硫转换成硫酸盐、磷酸盐。氯转化为氮气或氯离子金属盐。

1.2 超临界水特点

超临界水传输性质及物理特点介于液体与气体之间，与普通水相比，粘度较低、密度易改变、极性较小、易扩散、表面张力较低等等特点。且在室温水中难溶的化合物超临界氧化技术条件下易溶，也对某些室温易溶下化合物在超临界氧化技术条件下难溶。对有机物溶解度较高，盐类溶解度则较低。

1.3 超临界水氧化技术优点

采取超臨界水氧化技术处理城市固废具有：（1）处理效率高。SCWO处理工艺中形成的碳氢化合物、水体以及氧气均为一相，无传质阻力，具有很高氧化效率，对有机物的去除效果能够达到99%。（2）设备结构简单。SCWO能够使固废在超临界水环境中实现均相反应，速率快，停留时间低于60s，设备结构简单，体积小，投入低。（3）没有二次污染。SCWO是在封闭的环境中进行，固废中的有毒、有害及难降解有机物在高温、适当压力和停留时间条件下氧化成CO2、H2O，以及磷酸盐、硫酸盐等无机组分。（4）能源节约效果。SCWO处理城市固废，在有机物质量分数>2%会发生自热反应，无需供热，多余热能可回收再利用。

2 超临界水氧化技术在城市固废中的应用

2.1 处理市政污泥

SCWO对城市污水处理厂污泥具有分解彻底的效果。Shanableh等，在污泥固体浓度5%、固液两相COD46500mg/L，在选择超临界水氧化技术处理市政污泥，既彻底破坏污泥，挥发酸等中间产物也彻底解决。Goto等人利用SCWO处理市政污泥，在温度达450℃、压力达30MPa，以及反应时间4min诸条件下，市政污泥的处理效果达99.4%。与其他工艺相比（见表1），SCWO处理市政污泥具有流程短、无二次污染，无残灰，可适用各种有毒有害物质的处理，去除效率高达99%以上，反应结构简单，投资少，可有效减少排水效果。

2.2 尼龙降解

Meng等人利用SCWO处理尼龙塑料固废，在温度380℃、压力28MPa、反应时间为30min条件下，尼龙被彻底降解为单体。

2.3 聚乙烯分解回收

苏晓丽等人利用SCWO处理聚乙烯，温度在450℃增至480℃，超临界氧化水迅速分解聚乙烯，油收率超过90%。

2.4 聚苯乙烯降解

马沛生选用SCWO工艺降解聚苯乙烯及聚苯乙烯与聚丙烯混合塑料，在380℃，聚苯乙烯在SCWO中1h实现彻底降解。聚苯乙烯/聚丙烯混合塑料（质量比7：3），在390℃，也在1h内实现彻底降解。

2.5 降解废橡胶

杜昭辉等人，选用SCWO，将废橡胶在5min反应时间中，液相混合油品回收达59.2%。

2.6 其他

佐古猛ζ采用SCWO技术处理城市固废焚烧飞灰中的二噁英，几乎实现了100%去除效果。

3 超临界水氧化技术不足及优化

3.1 不足

SCWO尽管在城市固废处理中拥有诸多的优势，但也技术应用上也存在一些短板，主要是腐蚀和盐沉积问题。前者，是由于SCWO应用过程中对温度、压力、pH值等有着苛刻要求，有机物中的卤素、硫或磷，在超临界水中分解产生酸，腐蚀设备，一些无机离子会加剧不锈钢容器腐蚀。后者，由于SCWO工艺技术中的盐溶解度很小，在反应过程中产生盐沉积，堵塞反应器，降低反应中的换热率，系统压降增加。

3.2 优化

针对腐蚀问题，主要通过耐压耐腐蚀材料开发研究，实际应用中研制出的一些陶瓷或新金属材料，改善耐腐蚀性。此外，也有在SCWO中添加催化剂，以及水、硝酸强氧化剂降低反应温度、压力，降低容器的腐蚀。针对盐沉积垢，从源头提高固体盐溶解度或避免固体盐形成。此外，通过SCWO反应机理的深入研究，利用临界液、气两态中氢键结构变化研究，改善工艺的应用效果。近年来，催化超临界水氧化技术研究也成为热点。

4 结语

随着城市固废产生量的持续增长，做好固废“三化”处理成为摆在现实中不得不面对的一道难题，合理选用SCWO技术，能够在城市固废处理中取得良好效果，值得实际应用推广。

参考文献

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收稿日期：2019-04-15

作者简介：吴霖（1973-），男，汉族，硕士，高级工程师，研究方向为环境咨询、环境科研。