超臨界水氧化技術處理城市污泥
一、項目背景及意義
城市污泥是對目前采用常規方法處理城市污水所產生的少量沉淀物、顆粒物和漂浮物等物質的統稱。其含有多種有機物、病原菌、寄生蟲卵；含有鉻、汞等重金屬，同時有惡臭氣味；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，預計到2015年產生量達到4000萬噸以上。2010年，我國只有不到10%的污泥進行了衛生填埋、土地利用、焚燒或建材利用等方面的處理處置，其余大部分未進行規范化的處理處置。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物等有毒有害物質，未經有效處理處置，極易對地下水、土壤等造成二次污染，這給當地的生態環境帶來嚴重的安全隱患，直接威脅環境安全和公眾健康，使污水處理設施的環境效益大大降低。
圖1城市污泥產生及堆放
“十三五”提出的“水十條”中要求現有污泥處理處置設施應于2017年底前基本完成達標改造，地級及以上城市污泥無害化處理處置率應于2020年底前達到90%以上。“十三五”是污泥處理處置建設高峰期。因此，對城市污泥的高效、徹底處理處置已經成為我國當前所面對的重要環境問題之一，妥善解決該問題，是十分艱巨而緊迫的任務，且直接影響到了國家的城鎮化進程與人類的未來生存環境。
二、傳統處理方法
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（多為農用）、填埋及焚燒等，或用其中幾個方法組合處置。這些傳統處置方法的技術特點如表1所示，還存在諸多技術缺點和不足。
表1城市污泥傳統處置方法的特點
|
方法
|
優點
|
缺點
|
|
填埋法
|
過程簡單，成本低，適應性強 。
|
侵占土地嚴重，污染地下水。
|
|
焚燒法
|
減容顯著，處理徹底。
|
投資大，摻輔料成本高，有二次污染。
|
|
熱干化法
|
減容效果好，產品穩定。
|
管理復雜，耗費能源，增加處理成本。
|
|
土地利用法
|
投資少，能耗低，運行費用低。
|
效率低，污染物可進入食物鏈。
|
|
厭氧消化法
|
能有效減量、穩定化，且產生沼氣。
|
不能徹底處理、最終仍需衛生填埋。
|
|
好氧發酵法
|
實現污泥穩定化、無害化、減量化。
|
工藝復雜，設備投資大，占地面積大。
|
三、超臨界水氧化技術
超臨界水(SupercriticalWater，簡稱SCW)是指溫度和壓力均高于其臨界點（Tc=374.15℃，Pc=22.12MPa）的水。SCW對非極性分子有很好的溶解能力，具有高的擴散系數和低的粘度，傳遞性能好；有機物、氧氣可以溶解在超臨界水中發生均相反應，大大縮短了反應時間。
超臨界水氧化(SupercriticalWaterOxidation，簡稱SCWO)是指有機物和空氣、氧氣等氧化劑在超臨界水中進行氧化反應而將有機廢物去除。該技術能迅速、徹底地將有機物轉化成無害化的CO2、N2、H2O等小分子化合物。在SCWO過程中，氯轉化成金屬氯鹽、硝基物轉化成氮氣、硫轉化成硫酸鹽及磷轉化成磷酸鹽。美國國家關鍵
技術所列的六大領域之一“能源與環境”中就指出，最有前途的有機廢物處理技術是超臨界水氧化技術，該技術在國外已經商業化運行。該技術具有顯著優勢如下：
1、可以實現含水率85%以上的城市污泥的，無需高能耗的脫水和干燥過程；
2、反應空間密閉，不帶來二次污染，環境友好；
3、反應過程自熱，無需外部熱源；
4、反應速度快，在數分鐘內能實現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備結構簡單，占地面積小；
6、能使重金屬轉化成為惰性殘渣態，灰渣中重金屬浸出率遠低于國家標準。
四、技術優勢
從2000年起，本公司技術團隊一直致力于超臨界水處理技術的相關研究，先后承擔并完成了與該技術相關的“973計劃”課題、“863計劃”專題、“新世紀優秀人才計劃”課題、“985工程”建設項目、企業委托研發課題等二十余項課題，研究經費總計近2000萬元。先后開發、建設了類型多樣、規模齊全、功能完善的科研平臺：從間歇式、半連續式到完全連續式，從3L/h小型到0.5t/d中型規模的連續式超臨界水處理實驗裝置，以及微型金屬反應器-沙浴加熱爐、石英管反應器－管式加熱爐等高精度超臨界水處理實驗裝置。這些科研平臺完全可以滿足對各種高濃度有機廢水及城市污泥的超臨界水反應進行深入、系統的實驗及理論研究。
并針對農藥、制藥、紡織印染、化工、電子等行業高濃度工業有機廢水、垃圾滲濾液及城市污泥的超臨界水處理技術，從基礎理論研究、關鍵技術攻克到系統集成優化等方面進行了長期系統而深入地研究。2009年在國家“863計劃”的支持下建立了當時國內首臺示范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項國家發明專利。
同時創新設計了日處理量100t的農藥廢水超臨界水氧化處理裝置，實現了高有機物濃度、高含鹽量和難降解農藥廢水的徹底無害化處理。該項目于2012年4月完成整體工藝方案和具體設備設計，2014年1月建成。該裝置形成了12項具有自主知識產權的專利技術。2015年5月至今正在進行50t/d石化廢水及污泥混合物超臨界水氧化處理裝置設計和開發，通過系列產業化項目的研究，技術團隊攻克了鹽沉積防控、材料腐蝕防控、能量回收、系統安全控制以及經濟性提升等一系列關鍵技術，從而為該項目的產業化應用奠定了堅實的基礎。
（a） （b）
圖3（a）國內首臺城市污泥SCWO示范裝置； （b）該裝置處理城市污泥照片對比
系統集有機物去除、脫鹽除渣、余熱利用/制取富氫氣體、防堵塞、防腐蝕多項功能于一體，是目前國內處理能力最大，技術最先進和完善的示范裝置。
在超臨界水技術領域，我國共計授權發明專利93項，其中本技術團隊針對該技術的國家發明專利已授權44項，占47.3%，數量位居全國第一。并獲得國際授權發明專利1項。
五、城市污泥SCWO方案投資及運行費用
與傳統處理技術相比，超臨界水技術在城市污泥的無害化處理和資源化利用中具有明顯的經濟優勢。對于處理規模為100t/d的超臨界水處理商業化裝置，噸含水率80%的濕污泥的投資約為3000萬和運行費用約為100元，其中運行費用約為焚燒法的一半，該技術可將含水率80％的脫水污泥大部分轉化成生活雜用水，而且反應產生的CO2氣體可以通過分離裝置分離后回收、出售獲得經濟效益。因此城市污泥超臨界水氧化處理及資源化利用的項目運營的利潤空間十分巨大。將SCWO應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集有機物去除、脫鹽除渣、余熱利用/制取富氫氣體、防堵塞、防腐蝕多項功能于一體，是目前國內處理能力最大，技術最先進和完善的示范裝置。在超臨界水技術領域，我國共計授權發明專利93項，其中本技術團隊針對該技術的國家發明專利已授權44項，占47.3%，數量位居全國第一。并獲得國際授權發明專利1項。五、城市污泥SCWO方案投資及運行費用與傳統處理技術相比，超臨界水技術在城市污泥的無害化處理和資源化利用中具有明顯的經濟優勢。對于處理規模為100t/d的超臨界水處理商業化裝置，噸含水率80%的濕污泥的投資約為3000萬和運行費用約為100元，其中運行費用約為焚燒法的一半，該技術可將含水率80％的脫水污泥大部分轉化成生活雜用水，而且反應產生的CO2氣體可以通過分離裝置分離后回收、出售獲得經濟效益。因此城市污泥超臨界水氧化處理及資源化利用的項目運營的利潤空間十分巨大。將SCWO應用于城市污泥的處理中必將擁有光明的前景。
