超临界水氧化技术在固体废弃物处理中的应用.pdf

总第2 15 期2023年第10 期环境治理超临界水氧化技术在固体废弃物处理中的应用胡梅侠（山西省运城市生态环境保护综合行政执法队，山西运城0 440 0 0）摘要：通过对固体废弃物的来源以及危害进行分析，概述传统的几种固体废弃物处理方法，与超临界水氧化技术处理固体废弃物的优势进行对比，发现该项技术具备无污染、节能、高效等多种应用优势，同时对该项技术存在的问题及优化措施进行分析，并对其广阔的应用前景进行展望。关键词：超临界水；固体废弃物处理；湿式氧化方法;均相反应中图分类号：X703文献标识码：A0引言2固体废弃物常用处理方法固体废弃物由于其种类复杂繁多,处理过程难度2.1预处理技术大,已成为生态环境公害之一。现有固体废弃物的常对固体废弃物进行预处理，常见手段包括压实、用处理方法是利用压实、破碎等预处理手段，再进行分选以及破碎三种。其中压实多用于需要埋填处理的填埋、焚烧等方式处理，这些处理方式不仅会对生态废弃物，通过压实处理来减少运输量以及埋填体积；环境造成严重破坏，同时还会耗费土地、能源等资源，分选预处理是基于废弃物的理化性质进行分类筛选，很难做到妥善处理，因此本文通过借助近年来发展迅在固体废弃物处理前分选出其中的有用成分；破碎预猛的超临界水氧化技术,就其在固体废弃物处理中的处理是将固体废弃物通过人力或机械外力形式，对废应用进行分析研究，从现有研究进展中分析出该项技弃物内部凝聚力及分子间作用力进行破坏，使其发生术的应用优势，并就其工业化应用前景进行分析展望。破裂碎裂,便于后续处理。1固体废弃物来源及危害分析2.2废弃物处置在各种生产活动中包括工业生产产生的炉渣、尾固体废弃物在完成预处理工序后，常用的处理手料等，日常生活中的生活垃圾、建筑垃圾以及农业生段包括以下几类：产中的秸秆、化肥袋等，都是固体废弃物的主要来源。1)焚烧处理。通过高温手段将固体废弃物中的有固体废弃物按照外形划分包括固状颗粒、块体以及泥机成分进行氧化分解，主要是通过燃烧其中的氢、碳状污泥两大类；按照化学性质划分包括有机、无机废元素，同时杀死病菌病毒来降低固体废弃物质量，最弃物两类；按照来源划分包括生活垃圾、工业废弃物、终使得残渣量仅为原质量的5%2 0%，尤其是在处理农业废弃物等。固体废弃物处置不当，会对生态环境、生活垃圾固体废弃物领域应用广泛。人体健康卫生带来严重危害，主要形式包括：2)埋填处理。埋填处理需要选用适宜的堆放埋填1)大气污染。泥状、粉状固体废弃物，包括干泥、场地，要考虑到场地的防水防渗漏、复垦等后续影响，尘粒垃圾等会随风流进人大气，尤其是工业领域焚烧这也是使用最为广泛的一种垃圾处理方式。产生的灰尘、毒气等，会对大气质量产生严重影响,降3)堆肥处理。将废弃物进行露天堆肥,在特定条低大气能见度，危害居民身体健康。件下自然或微生物降解，原有固体废弃物经堆肥处理2)水体污染。固体废弃物排人河流、湖泊甚至海后筛分出有机肥料，或通过加工处理产生有机复合肥洋时会出现淤积现象，发生河道堵塞、侵占农田、损坏等有用成分。水利工程等一系列直接危害；同时废弃物中大多附带4)热解处理。与焚烧手段有所不同,热解处理是有毒有害成分,通过水体浸滤出来,造成水体酸碱化、指无氧或少氧环境下将固体废弃物进行高温降解，生富营养化等,影响到河流湖泊水质,对水体生物以及产可燃性气体、液体或固形碳成分，热解处理常用于人体健康带来危害。污泥、塑料以及橡胶等废弃物的回收处理工艺中。3)土壤污染。包括尾矿废料等固体废弃物因露天5)微生物降解。在微生物自身代谢过程中将固体堆存、埋填处理不当时,对土壤造成的危害，会因废弃废弃物进行降解分解，从而使废弃物无害化，例如养物余热、有毒有害成分渗透，造成土壤的酸碱化、毒殖蚯蚓处理城市垃圾等。化，影响到土壤微生物寄存或动植物的生长生存,同6)资源化利用。该类方法与热解处理类似,是指时很多成分还会伴随食物链进人人体，危及人体健康。将废弃物中的有用成分进行分选处理回收利用，减少收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 1作者简介：胡梅侠，女，19 8 2 年出生，毕业于中北大学，本科，工程师，从事环境执法工作。山西化工Shanxi Chemical IndustryTotal 215No.10,2023D0I:10.16525/14-1109/tq.2023.10.086文章编号：10 0 4-7 0 5 0(2 0 2 3)10-0 2 12-0 32023年第10 期胡梅侠：超临界水氧化技术在固体废弃物处理中的应用213.废弃物总量,降低其对生态环境造成的污染,同时有用成分也可以产生一定的经济效益。3超临界水氧化处理技术超临界水氧化处理技术作为一种环境友好型、无污染的清洁性固体废弃物处理方法,尤其是对有毒有害、难降解的有机废弃物处理方面,有着显著的处理效果,通过破坏有机废弃物内部分子结构,将其转换为水、二氧化碳,是当前发展迅猛、前景广阔的一种高级氧化技术手段。3.1超临界水氧化作用机理超临界水氧化技术又称SCWO技术，是一种在超临界水状态下实施的湿式氧化方法，作用机理在于通过超临界水媒介来氧化分解有机物。超临界水作为有机物、氧气的易溶溶剂,可以将有机物处于富氧环境中进行充分反应，同时超临界水具备的高反应温度也可以加快反应速率，在数秒内完成对有机物的裂解,将有机物中的碳转化为二氧化碳、氢转化为水、氯转化为金属盐、硫磷等转化为对应无机盐等。3.2技术特点分析SCWO技术降解固体有机废弃物的特点在于与传统萃取技术、氧化技术相比体现出的高效、经济、绿色。主要有以下反应特点：1)单相反应。传统固体有机废弃物的氧化降解需要借助液相反应溶剂、固相待反应有机废弃物以及气相氧气氧化剂，通过多相融合反应对废弃物进行降解，而 SCWO 技术将该反应转化为一种均相反应形式,即在超临界水中完成的单向氧化反应,反应速率更快，同时反应容器结构设计更为简易，占据空间也将更小。2)降解效率高。由于该项降解技术的单相反应特点，在有机废弃物降解过程中无需进行远距离传质，氧气与有机物接触没有阻力作用，因此氧化效率较高，对于大部分有机废弃物的去除率可达9 9%以上。3)适用范围广。该项技术除了用于处理固体有机废弃物，同时还应用于多种有机化合物的降解过程，例如甲烷、对氨基苯酚等。4)绿色无污染。超临界水氧化技术在进行有机废弃物降解过程中，由于反应的密闭性,同时基于9 9%以上的分解效率，因此绝大部分有毒有害成分，会被完全氧化为水、二氧化碳、无机盐等成分，将不再对生态环境造成影响。5)能量损耗低。由于氧化反应放热,同时有机废弃物分解多为放热反应，因此整个降解过程无需外界能量供给,还可对多余能量进行回收利用。6)无机盐易分离。由于反应生成的磷酸盐、硫酸盐等无机盐成分，在超临界水溶剂中可溶性很低,因此随着反应的进行无机盐成分基本可以全部析出，无需后续萃取工艺，也就使得该反应中的无机盐组分分离更为便捷容易。3.3超临界水氧化在固体废弃物处理中的应用基于超临界水氧化技术的作用机理以及技术特点，对其在处理固体废弃物中的应用实例进行分析，包括处理市政污泥以及分解、降解塑料等。1)降解市政污泥。利用超临界水氧化技术对市政污水厂污泥进行降解，由于污泥组分中绝大部分为高污染有机生物，通过充足氧气供应,基本可以在4、5min内降解掉9 9%以上的有机污泥。在一项研究中发现，在45 0、3 0 MPa的反应条件下供给足量氧气，可以在4min内降解掉9 9.4%的市政、酒厂污泥，而通过分析生成物成分发现，产物为清洁无污染的二氧化碳、水以及其他无机盐。因此通过该项技术处理市政、酒厂污泥等高生物含量固体废弃物，可以取得显著效果,既可以充分分解固体废弃物,又不会产生额外废气、废渣等污染生态环境。2)回收降解聚乙烯。研究人员在利用超临界水氧化技术降解回收聚乙烯时，考虑了反应温度、时间的影响。其中聚乙烯在超临界水溶剂中分解迅速,而将反应温度从45 0 上升至48 0 后,油收率即液相产物由9 1.4%降低到了6 1.7%，而气收率即气相产物从1.9%上升至2 7.7%；而将反应温度控制在45 0 不变,反应时间从6 0 s增加至3 0 min时,油收率略微降低,而液相产物中 C7C11 组分确提高了一倍。也就是说，利用该项技术降解聚乙烯产品效率显著，同时升高温度轻烃或气相产物的产率会提高，对应液相产物会降低,而延长反应时间,也有类似规律。同时研究发现，提高超临界水的含量或填充率,均会对聚乙烯的降解起到抑制效果2。3)分解聚苯乙烯。在进行聚苯乙烯、聚苯乙烯与聚丙烯的混合塑料分解实验中，研究人员找出了最高效的反应条件参数，即通过多次分析不同反应物配比、不同反应温度以及反应时间条件下对分解反应效率的影响,最终确定了最适宜的降解条件。其中单聚苯乙烯分解过程,可在3 8 0、1h的反应条件下实现全部分解；而在混合物降解过程中，以质量比7:3 为研究对象，适宜反应条件为3 9 0、1h，同时适当提高反应温度及反应时间会加快反应速率，但同时反应效率不变,均可实现完全降解3 。4)分解尼龙、废弃橡胶材料。利用超临界水氧化技术降解尼龙材料，研究发现2 8 MPa压力下，仅需30min即可完成尼龙材料的全部降解，且降解产物不存在聚合物产品,均可分解为单体产物；同样,通过研究废弃橡胶材料在超临界水中的降解效果发现,5 min山西化工第43 卷的反应时间可降解出5 9.2%的液相混合油产物，而通过超临界水、超临界二氧化碳对天然橡胶、废弃橡胶进行降解发现,天然橡胶的降解过程较为彻底，产物均为有机物液体,而废弃橡胶会有3 0%的炭黑生成4。5)分解聚丙烯。通过对聚丙烯在超临界水中的氧化反应进行分析,发现在40 0 45 0、压力2 3 2 5 MPa、时间6 0 12 0 min的反应条件下，可以实现聚丙烯反应物的全部降解。其中影响降解效率的两大因素在于反应时间、反应温度,延长反应时间、升高反应温度均可提高反应效率，使聚丙烯更为彻底地发生降解。同时聚丙烯自身颗粒度越小,反应速率也越快，在粉状聚丙烯40 0 反应温度、6 0 min反应时间下，所得产物以液相油产物为主;在45 0 反应温度、12 0 min反应时间下,所得产物以气相为主5 。通过上述该项技术在降解废弃塑料的研究分析中可以看出,利用超临界水氧化技术处理废弃塑料等有机物,在控制反应温度、反应压力等反应参数条件下，可以做到对废弃塑料的绝大部分降解，同时降解速率十分可观，降解产物无污染,还可进行后续合理回收利用,因此可以将该项工艺进行后续工业化领域的研究应用。4技术现状及优化手段4.1腐蚀问题及优化处理由于超临界水氧化技术的本质是一种氧化反应，同时伴随高温、高压等复杂反应条件，因此对于反应容器的选取较为苛刻，高温条件、氧化剂侵蚀以及无机盐离子均会加剧容器的腐蚀效果，尤其是高酸碱度条件下对不锈钢反应容器的侵蚀现象更为严重。为减缓反应条件对反应器的腐蚀，当前研究方向在于找寻更耐压、耐腐蚀的信息材料对反应容器进行优化，主要集中于采用陶瓷材料或合金材料来减缓腐蚀。例如选用镍合金材料、钦合金材料，并优化加压、降压过程来减缓腐蚀。同时还可以通过使用催化剂或强氧化剂来降低反应所需温度、压力，减缓反应条件，减弱反应器的腐蚀效果。4.2盐沉积问题及优化处理虽然利用超临界水氧化技术可以借助有机溶剂Application of Supercritical Water Oxidation Technology in Solid Waste Treatment(Comprehensive Administrative Law Enforcement Team for Ecological Environment Protection inAbstract:By analyzing the sources and hazards of solid waste,this paper summarizes several traditional methods for treating solid waste,and compares them with the advantages of supercritical water oxidation technology for treating solid waste.It is found that this technologyhas multiple application advantages such as pollution-free,energy-saving,and high-efficiency.At the same time,the problems andoptimization measures of this technology are analyzed,and its broad application prospects are also prospected.Key words:supercritical water;solid waste treatment;wet oxidation method;homogeneous reaction互溶,将无机盐等通过溶解度低的特性很好地分离出来，避免了后续有机萃取过程造成的财力、人力损耗。但由于无机盐析出过程中会因沉积作用影响到换热效率,同时增大系统压降,因此需要对氧化反应中的盐沉积问题进行优化处理。解决盐沉积的方法就是不去考虑后续萃取问题，直接提高无机盐的溶解度，从源头上避免盐沉积现象的发生。提高无机盐溶解度最有效的方法是通过添加剂干扰盐的生成,例如研究发现在第二类盐的溶液中增添第一类盐,可以有效避免第二类盐在原溶液中的沉积。同时增大反应压力也可以提高无机盐的溶解度，通过提高超临界水的密度，可以提高多数盐的溶解度,但这种方法的弊端在于,增大了反应成本,同时高压反应也更容易加剧反应器的腐蚀。5结语利用超临界水氧化技术去代替现有固体废弃物的传统处理方法，尤其是焚烧、堆肥法处理方式，可以有效改善生态环境，也逐渐成为处理固体有机废弃物的优选方案。通过分析超临界水氧化技术在处理固体废弃物中的应用可以发现，该项技术在处理市政、酒厂污泥以及降解各类有机塑料等方面已有着成熟的应用工艺。随着反应器材质的改进优化，各种耐压、耐腐蚀材料的研制成功，以及超临界水氧化技术工艺的不断完善发展，超临界水氧化技术由于其本身高效、绿色的反应特点,其应用前景也将更为广阔。参考文献1刘天乐,鱼涛,张晓飞,等.超临界水氧化技术在含油污泥处理中的应用分析J.化工技术与开发，2 0 2 2(Z1):60-66.2杨海，黄新，林子增，等.含油污泥处理技术研究进展.应用化工,2 0 19(4):9 0 7-9 12.3左蓓,方涛，朱立勋，等.超临界水氧化技术中有关设备腐蚀问题的研究进展J.现代化工,2 0 11(S2)：3 3-3 5.4马沛生，樊丽华，侯彩霞.超临界水降解聚苯乙烯及其混合塑料J.高分子材料科学与工程,2 0 0 5(1):2 6 8-2 7 1.5 蒋宝南.超临界水氧化技术在固体废弃物处理中的应用J.环境与可持续发展,2 0 17(4)：7 3-7 5.Hu MeixiaYuncheng City,Yuncheng Shanxi 044000,China)