超臨界水氧化技術在城市固廢處理中的應用綜述

吳霖 文國濤

摘要：本文在分析了超臨界水氧化技術工藝原理的基礎上，闡述了該工藝在城市固廢中的應用效果，針對工藝自身存在的不足提出了優化措施。

關鍵詞：超臨界水氧化;固體廢物;應用

中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：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

近年來，隨著工業化、城鎮化進程的加快，我國的城市固廢產生量呈現出逐漸增長態勢。根據生態環保部發布的《2018年全國大、中城市固體廢物污染環境防治年報》公布的數據顯示：2017年，全國202個大、中城市一般固廢、工業危廢、醫療廢物和生活垃圾產生量分別為13.1億t、0.401億t、78.1萬t和2.19億t，較上一年度均有不同程度增長。固廢的處理應堅持：減量化、資源化和無害化原則，通過預處理（破碎、固化、分選等）、填埋、焚燒、堆肥等，實現“三化”處理效果。

1 超臨界水氧化技術原理介紹

1.1 工藝原理

超臨界水氧化技術（SCWO），將超臨界水作為反應介質，實現有機物氧化分解。超臨界水使氧化劑、有機物、水形成都是一相，解決了相間物質傳輸阻力，使固相、氣相間的多相反應成為單相反應下進行。SCWO反應條件：溫度達到400～600℃，壓力30～50MPa，在極短時間內實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

超臨界水傳輸性質及物理特點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。且在室溫水中難溶的化合物超臨界氧化技術條件下易溶，也對某些室溫易溶下化合物在超臨界氧化技術條件下難溶。對有機物溶解度較高，鹽類溶解度則較低。

1.3 超臨界水氧化技術優點

采取超臨界水氧化技術處理城市固廢具有：（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，無傳質阻力，具有很高氧化效率，對有機物的去除效果能夠達到99%。（2）設備結構簡單。SCWO能夠使固廢在超臨界水環境中實現均相反應，速率快，停留時間低于60s，設備結構簡單，體積小，投入低。（3）沒有二次污染。SCWO是在封閉的環境中進行，固廢中的有毒、有害及難降解有機物在高溫、適當壓力和停留時間條件下氧化成CO2、H2O，以及磷酸鹽、硫酸鹽等無機組分。（4）能源節約效果。SCWO處理城市固廢，在有機物質量分數>2%會發生自熱反應，無需供熱，多余熱能可回收再利用。

2 超臨界水氧化技術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處理市政污泥，既徹底破壞污泥，揮發酸等中間產物也徹底解決。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（見表1），SCWO處理市政污泥具有流程短、無二次污染，無殘灰，可適用各種有毒有害物質的處理，去除效率高達99%以上，反應結構簡單，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實現徹底降解。聚苯乙烯/聚丙烯混合塑料（質量比7：3），在390℃，也在1h內實現徹底降解。

2.5 降解廢橡膠

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

2.6 其他

佐古猛ζ采用SCWO技術處理城市固廢焚燒飛灰中的二噁英，幾乎實現了100%去除效果。

3 超臨界水氧化技術不足及優化

3.1 不足

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

3.2 優化

針對腐蝕問題，主要通過耐壓耐腐蝕材料開發研究，實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SCWO反應機理的深入研究，利用臨界液、氣兩態中氫鍵結構變化研究，改善工藝的應用效果。近年來，催化超臨界水氧化技術研究也成為熱點。

4 結語

隨著城市固廢產生量的持續增長，做好固廢“三化”處理成為擺在現實中不得不面對的一道難題，合理選用SCWO技術，能夠在城市固廢處理中取得良好效果，值得實際應用推廣。

參考文獻

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收稿日期：2019-04-15

作者簡介：吳霖（1973-），男，漢族，碩士，高級工程師，研究方向為環境咨詢、環境科研。