超临界水氧化技术在废水处理中的应用

Posted 2023-01-12 有机物

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，主要介绍了目前国内超临界水氧化技术废水处理的研究和应用情况。阐述了超临界水氧化技术的原理，和统的废水处理方法相比，超临界水氧化技术废水处理有反应快、彻底、污染小、容易分离、高效节能等优点，也存在易腐蚀、易堵塞、一次投资高等问题。
超临界水氧化(SCWO)技术是由美国学者Modell 于20世纪80 年代中期提出，是一种新颖的、环保并实用的废水处理技术，具有节能、高效、适用性强等特点，尤其对于那些有机物浓度较高、种类较多以及危害较大的其它方法难以处理的工业废水、城市污水。在欧、美、日等发达国家，超临界水技术得到了很大发展，出现了一些中试工厂和一些商业性装置。我国在这方面的工程应用目前还是空白。
1.国内SCWO 技术的研究和应用
SCWO 技术被我国列为国家科技部重点发展的高新技术。在中国科学院和国家科委的支持下，韩恩厚博士在国内率先进行了超临界水氧化技术的研究。研制的超临界水氧化实验系统将对我国的载人飞船、核潜艇、垃圾处理等方面产生重大影响。一些研究者近年来也对醇类、酚类、苯类、含氮及含硫等有机废水进行了超临界水氧化的实验和研究，取得了满意的效果。
近年来，西安交通大学和张家港江南锅炉压力容器有限公司联合开展废水有机物的超临界水处理技术取得了较好的成果，此项技术已获国家授权发明专利12 件，具有完全自主知识产权。2010 年西安交通大学和张家港江南锅炉压力容器有限公司将“应用超临界水氧化方法处理有机废水或污泥和系列关键技术"以技术合作与(专利)技术独占实施许可合同方式由张家港艾克沃环境能源技术有限公司使用，由该公司负责科技成果转化工作。目前该技术已经在张家港地区的一个化工厂推广，已经完成了中试，并且进入了试生产阶段，该套装置设计能力日处理废水100t，设计处理的废水浓度达到COD70000。该项技术已被国家、省列为化工节能减排重点推广应用技术之一。
2.SCWO 技术原理及意义
超临界水氧化处理技术的原理：水的超临界条件溫度374℃，压力22.1MPa[2 - 3]，在此条件下的水具有气体与液体高扩散性、高溶解力和低表面张力的特点，此状态下对有机物进行氧化分解，可快速将其转化成水和二氧化碳，达到去毒无害的目的。它的过程和湿式氧化类似，不同的是超临界水处理时的温度和压力分别超过了水的临界温度和临界压力。超临界状态下(一般系统条件约在24 ～ 35 MPa 及400 ～650 ℃ )，水和有机物质以及氧气可完全互溶，使有机物、氧化剂、水等形成均相，克服了相间的传质阻力，高温高压条件下大大提高了有机物的氧化速率，因此在极短的时间内碳氢化合物能被氧化成二氧化碳和水，杂核原子被转化为无机化合物，其中磷转化为磷酸盐，硫转化为硫酸盐，氮转化为N2或N2O。相对较低的反应温度(比较焚烧而言)，不会有NOx或SO2生成。在通常在几秒的反应时间內，就可达到99.9%以上的氧化率，无机盐类也因几乎不溶而分离，因此超临界水氧化技术可应用于处理难分解的有机氯化物、污泥、二恶英及其它危险性有机物质等。介质在恢复常温常压后又与一般流体无异，故完全无二次污染之虑。为了使超临界水氧化技术进一步加快反应速率、减少反应时间和降低反应温度，充分发挥出自身的优势，对催化超临界水氧化技术处理废水的研究也在不断兴起。
3.SCWO 技术的优势和存在问题
与传统的各种废水得理技术相比，超临界水氧化技术具有诸多优点如下：
(1)均相反应，SCWO 使本来发生在液相或固相有机废料和气相氧气之间的多相反应转化为在超临界状态下水中的单相氧化反应，即均相反应。反应速率快，停留时间极短，设备结构简单体积较小；
(2)处理效率较高，在超临界状态的条件下，由于形成了氧气、碳氢化合物、水体系的均相，因此没有传质阻力，而且大多不需使用催化剂，氧化效率很高，大部分有机物的去除率可达99% 以上；
(3)产生的盐易分离，无机组分和盐类等在超临界环境的水中溶解度很低，几乎可以全部沉淀析出，使反应过程中产生盐容易分离；
(4)无二次污染，由于反应是在封闭环境下进行，有机组分(包括有毒、有害、难降解有机物)在适当的温度、压力下能被完全氧化为二氧化碳、水、氮等；
(5)高效节能，反应为放热反应，提供系统启动能量即可实现自热反应，不需要外界供热，多余的热能可以回收。
(6)处理范围较广，超临界水氧化技术除了可以处理有机废液，还可以分解很多有机化合物，根据需要还可以通过控制反应条件生成所需的化合物。
(7)选择性好，通过调节反应温度与压力，通过改变水的密度、粘度、扩散系数、介电常数等物理化学特性，来改变其对有机物的溶解性能，达到选择性控制反应产物的目的。
作为一项新兴的技术，也有如下的一些缺点。可以说，SCWO 条件是非常苛刻的，它对反应设备的要求非常高。
(1)腐蚀问题，在超临界条件下，由于高温、高压，高浓度的溶解氧，反应产生的活性自由基以及强酸或某些盐类等物质，都加快了反应器的腐蚀。世界上已有的主要耐蚀合金的实验表明，不锈钢、镍基合金、钛等高级耐蚀材料在SCWO 系统中均遭到不同程度的腐蚀。腐蚀问题严重影响了设备的正常工作，导致设备寿命的下降；
(2)盐的沉积，废水中的无机盐类，在超临界水中的溶解度极小，其中某些粘度大的盐类沉积下来，可能会引起反应器或管路的堵塞。甚至在高流速下，盐的沉积仍能导致反应器的堵塞。
(3)初期投资费用较高因反应条件是在高温高压下，反应条件的苛刻性和对金属有很强的耐腐蚀性的要求，对设备的材质有严格的要求，一次性的投资较高。
4 .结束语
超临界水氧化废水处理技术，作为一项绿色的废水处理技术，具有诸多优点，发展空间巨大，具有广阔的发展前景，虽然目前还存在一些技术拼劲以致没有大规模的普及应用，但随着各方面研究的深入，必将有所突破，使超临界水氧化技术能够大规模的工业化应用，在废水处理领域大放异彩。