超臨界水氧化技術(shù)處理城市污泥
一、項(xiàng)目背景及意義
城市污泥是對目前采用常規(guī)方法處理城市污水所產(chǎn)生的少量沉淀物、顆粒物和漂浮物等物質(zhì)的統(tǒng)稱。其含有多種有機(jī)物、病原菌、寄生蟲卵；含有鉻、汞等重金屬，同時(shí)有惡臭氣味；含水量大且不易脫除。
隨著污水處理廠的不斷興建，我國市政污泥也保持較高增幅，預(yù)計(jì)到2015年產(chǎn)生量達(dá)到4000萬噸以上。2010年，我國只有不到10%的污泥進(jìn)行了衛(wèi)生填埋、土地利用、焚燒或建材利用等方面的處理處置，其余大部分未進(jìn)行規(guī)范化的處理處置。5年來，污泥處理處置率不超過20%。污泥含有病原體、重金屬和持久性有機(jī)物等有毒有害物質(zhì)，未經(jīng)有效處理處置，極易對地下水、土壤等造成二次污染，這給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的安全隱患，直接威脅環(huán)境安全和公眾健康，使污水處理設(shè)施的環(huán)境效益大大降低。
圖1城市污泥產(chǎn)生及堆放
“十三五”提出的“水十條”中要求現(xiàn)有污泥處理處置設(shè)施應(yīng)于2017年底前基本完成達(dá)標(biāo)改造，地級及以上城市污泥無害化處理處置率應(yīng)于2020年底前達(dá)到90%以上。“十三五”是污泥處理處置建設(shè)高峰期。因此，對城市污泥的高效、徹底處理處置已經(jīng)成為我國當(dāng)前所面對的重要環(huán)境問題之一，妥善解決該問題，是十分艱巨而緊迫的任務(wù)，且直接影響到了國家的城鎮(zhèn)化進(jìn)程與人類的未來生存環(huán)境。
二、傳統(tǒng)處理方法
目前城市污泥處理與處置的方法很多，一般采用濃縮、消化、脫水、干化、有效利用（多為農(nóng)用）、填埋及焚燒等，或用其中幾個(gè)方法組合處置。這些傳統(tǒng)處置方法的技術(shù)特點(diǎn)如表1所示，還存在諸多技術(shù)缺點(diǎn)和不足。
表1城市污泥傳統(tǒng)處置方法的特點(diǎn)
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方法
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優(yōu)點(diǎn)
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缺點(diǎn)
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填埋法
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過程簡單，成本低，適應(yīng)性強(qiáng) 。
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侵占土地嚴(yán)重，污染地下水。
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焚燒法
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減容顯著，處理徹底。
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投資大，摻輔料成本高，有二次污染。
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熱干化法
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減容效果好，產(chǎn)品穩(wěn)定。
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管理復(fù)雜，耗費(fèi)能源，增加處理成本。
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土地利用法
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投資少，能耗低，運(yùn)行費(fèi)用低。
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效率低，污染物可進(jìn)入食物鏈。
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厭氧消化法
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能有效減量、穩(wěn)定化，且產(chǎn)生沼氣。
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不能徹底處理、最終仍需衛(wèi)生填埋。
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好氧發(fā)酵法
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實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化、無害化、減量化。
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工藝復(fù)雜，設(shè)備投資大，占地面積大。
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三、超臨界水氧化技術(shù)
超臨界水(SupercriticalWater，簡稱SCW)是指溫度和壓力均高于其臨界點(diǎn)（Tc=374.15℃，Pc=22.12MPa）的水。SCW對非極性分子有很好的溶解能力，具有高的擴(kuò)散系數(shù)和低的粘度，傳遞性能好；有機(jī)物、氧氣可以溶解在超臨界水中發(fā)生均相反應(yīng)，大大縮短了反應(yīng)時(shí)間。
超臨界水氧化(SupercriticalWaterOxidation，簡稱SCWO)是指有機(jī)物和空氣、氧氣等氧化劑在超臨界水中進(jìn)行氧化反應(yīng)而將有機(jī)廢物去除。該技術(shù)能迅速、徹底地將有機(jī)物轉(zhuǎn)化成無害化的CO2、N2、H2O等小分子化合物。在SCWO過程中，氯轉(zhuǎn)化成金屬氯鹽、硝基物轉(zhuǎn)化成氮?dú)�、硫轉(zhuǎn)化成硫酸鹽及磷轉(zhuǎn)化成磷酸鹽。美國國家關(guān)鍵
技術(shù)所列的六大領(lǐng)域之一“能源與環(huán)境”中就指出，最有前途的有機(jī)廢物處理技術(shù)是超臨界水氧化技術(shù)，該技術(shù)在國外已經(jīng)商業(yè)化運(yùn)行。該技術(shù)具有顯著優(yōu)勢如下：
1、可以實(shí)現(xiàn)含水率85%以上的城市污泥的，無需高能耗的脫水和干燥過程；
2、反應(yīng)空間密閉，不帶來二次污染，環(huán)境友好；
3、反應(yīng)過程自熱，無需外部熱源；
4、反應(yīng)速度快，在數(shù)分鐘內(nèi)能實(shí)現(xiàn)城市污泥的徹底無害化處理處置；
5、迅速降解工藝流程短設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小；
6、能使重金屬轉(zhuǎn)化成為惰性殘?jiān)鼞B(tài)，灰渣中重金屬浸出率遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。
四、技術(shù)優(yōu)勢
從2000年起，本公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)一直致力于超臨界水處理技術(shù)的相關(guān)研究，先后承擔(dān)并完成了與該技術(shù)相關(guān)的“973計(jì)劃”課題、“863計(jì)劃”專題、“新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃”課題、“985工程”建設(shè)項(xiàng)目、企業(yè)委托研發(fā)課題等二十余項(xiàng)課題，研究經(jīng)費(fèi)總計(jì)近2000萬元。先后開發(fā)、建設(shè)了類型多樣、規(guī)模齊全、功能完善的科研平臺：從間歇式、半連續(xù)式到完全連續(xù)式，從3L/h小型到0.5t/d中型規(guī)模的連續(xù)式超臨界水處理實(shí)驗(yàn)裝置，以及微型金屬反應(yīng)器-沙浴加熱爐、石英管反應(yīng)器－管式加熱爐等高精度超臨界水處理實(shí)驗(yàn)裝置。這些科研平臺完全可以滿足對各種高濃度有機(jī)廢水及城市污泥的超臨界水反應(yīng)進(jìn)行深入、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及理論研究。
并針對農(nóng)藥、制藥、紡織印染、化工、電子等行業(yè)高濃度工業(yè)有機(jī)廢水、垃圾滲濾液及城市污泥的超臨界水處理技術(shù)，從基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)攻克到系統(tǒng)集成優(yōu)化等方面進(jìn)行了長期系統(tǒng)而深入地研究。2009年在國家“863計(jì)劃”的支持下建立了當(dāng)時(shí)國內(nèi)首臺示范3t/d城市污泥超臨界水氧化處理裝置（如圖3所示），形成了15項(xiàng)國家發(fā)明專利。
同時(shí)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了日處理量100t的農(nóng)藥廢水超臨界水氧化處理裝置，實(shí)現(xiàn)了高有機(jī)物濃度、高含鹽量和難降解農(nóng)藥廢水的徹底無害化處理。該項(xiàng)目于2012年4月完成整體工藝方案和具體設(shè)備設(shè)計(jì)，2014年1月建成。該裝置形成了12項(xiàng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)。2015年5月至今正在進(jìn)行50t/d石化廢水及污泥混合物超臨界水氧化處理裝置設(shè)計(jì)和開發(fā)，通過系列產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的研究，技術(shù)團(tuán)隊(duì)攻克了鹽沉積防控、材料腐蝕防控、能量回收、系統(tǒng)安全控制以及經(jīng)濟(jì)性提升等一系列關(guān)鍵技術(shù)，從而為該項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
（a） （b）
圖3（a）國內(nèi)首臺城市污泥SCWO示范裝置； （b）該裝置處理城市污泥照片對比
系統(tǒng)集有機(jī)物去除、脫鹽除渣、余熱利用/制取富氫氣體、防堵塞、防腐蝕多項(xiàng)功能于一體，是目前國內(nèi)處理能力最大，技術(shù)最先進(jìn)和完善的示范裝置。
在超臨界水技術(shù)領(lǐng)域，我國共計(jì)授權(quán)發(fā)明專利93項(xiàng)，其中本技術(shù)團(tuán)隊(duì)針對該技術(shù)的國家發(fā)明專利已授權(quán)44項(xiàng)，占47.3%，數(shù)量位居全國第一。并獲得國際授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)。
五、城市污泥SCWO方案投資及運(yùn)行費(fèi)用
與傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，超臨界水技術(shù)在城市污泥的無害化處理和資源化利用中具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。對于處理規(guī)模為100t/d的超臨界水處理商業(yè)化裝置，噸含水率80%的濕污泥的投資約為3000萬和運(yùn)行費(fèi)用約為100元，其中運(yùn)行費(fèi)用約為焚燒法的一半，該技術(shù)可將含水率80％的脫水污泥大部分轉(zhuǎn)化成生活雜用水，而且反應(yīng)產(chǎn)生的CO2氣體可以通過分離裝置分離后回收、出售獲得經(jīng)濟(jì)效益。因此城市污泥超臨界水氧化處理及資源化利用的項(xiàng)目運(yùn)營的利潤空間十分巨大。將SCWO應(yīng)用于城市污泥的處理中必將擁有光明的前景。
（a） （b）圖3（a）國內(nèi)首臺城市污泥SCWO示范裝置； （b）該裝置處理城市污泥照片對比系統(tǒng)集有機(jī)物去除、脫鹽除渣、余熱利用/制取富氫氣體、防堵塞、防腐蝕多項(xiàng)功能于一體，是目前國內(nèi)處理能力最大，技術(shù)最先進(jìn)和完善的示范裝置。在超臨界水技術(shù)領(lǐng)域，我國共計(jì)授權(quán)發(fā)明專利93項(xiàng)，其中本技術(shù)團(tuán)隊(duì)針對該技術(shù)的國家發(fā)明專利已授權(quán)44項(xiàng)，占47.3%，數(shù)量位居全國第一。并獲得國際授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)。五、城市污泥SCWO方案投資及運(yùn)行費(fèi)用與傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，超臨界水技術(shù)在城市污泥的無害化處理和資源化利用中具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。對于處理規(guī)模為100t/d的超臨界水處理商業(yè)化裝置，噸含水率80%的濕污泥的投資約為3000萬和運(yùn)行費(fèi)用約為100元，其中運(yùn)行費(fèi)用約為焚燒法的一半，該技術(shù)可將含水率80％的脫水污泥大部分轉(zhuǎn)化成生活雜用水，而且反應(yīng)產(chǎn)生的CO2氣體可以通過分離裝置分離后回收、出售獲得經(jīng)濟(jì)效益。因此城市污泥超臨界水氧化處理及資源化利用的項(xiàng)目運(yùn)營的利潤空間十分巨大。將SCWO應(yīng)用于城市污泥的處理中必將擁有光明的前景。
