對超臨界水氧化污泥的環(huán)境評估

王 俊 颯

(太原市環(huán)境監(jiān)測中心站，山西 太原 030002)

對超臨界水氧化污泥的環(huán)境評估

王 俊 颯

(太原市環(huán)境監(jiān)測中心站，山西 太原 030002)

介紹了使用超臨界水氧化技術處理污泥污水的研究現(xiàn)狀，對其用于生命周期的評價(LCA)作了分析，LCA研究結(jié)果表明，污泥的燃氣預熱是造成環(huán)境影響的主要污染源，此外發(fā)電抽水以及氧氣釋放也會對環(huán)境產(chǎn)生影響?？偠灾?，對于難降解的污泥來說，超臨界水氧化技術是一個有前景的技術。

超臨界水氧化技術，污泥，環(huán)境

1 可持續(xù)發(fā)展研究

“布倫特蘭報告”(聯(lián)合國世界環(huán)境和委員會發(fā)展,1987)將可持續(xù)發(fā)展定義為為了滿足人類的需求和愿望，在資源開發(fā)、投資方向、技術變革方面的發(fā)展，“符合可持續(xù)發(fā)展目前的需要且不損害子孫后代的能力滿足自己的需要”。對研究方向的選擇和方向的變化將影響社會的可持續(xù)發(fā)展，專家正在對這些活動進行研究。大多數(shù)人類活動涉及能源和材料，我們需要在一個可持續(xù)發(fā)展的社會中來研究能源和材料的管理，然后使用最有效的能源和材料來滿足這些功效。社會、經(jīng)濟和環(huán)境被認為是影響可持續(xù)發(fā)展的三大因素，每一個因素在可持續(xù)發(fā)展中都有同樣重要的因素。在本文中，我們從生命周期的角度分析了能源和材料的影響，主要是從環(huán)境角度進行探討。

世界上大部分人口居住在大城市，產(chǎn)生的大量廢物流被周圍環(huán)境吸收。Awater傳輸系統(tǒng)通常用作處理人體代謝廢物、食物殘渣、不同種類的廢水造成的直接的健康和環(huán)境傷害，這樣能夠便于收集和安全處置。這篇論文討論的是新的環(huán)境處理工藝SCWO用作城區(qū)廢水處理工藝中所產(chǎn)生的污泥的處置。SCWO可以減少大量污泥體積、回收污泥產(chǎn)生的能量，而且可以實現(xiàn)二次污染物的無害排放。

傳統(tǒng)處理工藝研究不同工藝產(chǎn)生的排放量對環(huán)境的影響，但是在可持續(xù)發(fā)展的今天，這是遠遠不夠的。在這篇文章中，生命周期評估(LCA)用作從歷史發(fā)展到角度評價環(huán)境效應。

2 污泥處理工藝

在世界許多地方，污泥產(chǎn)生量正在逐年增加?，F(xiàn)有的以及未來產(chǎn)生的大量污泥由于成分復雜，都將難于處置。在許多地區(qū)，海洋傾倒已經(jīng)被禁止,污泥就地填埋也逐年減少。在農(nóng)業(yè)方面，污泥就地填埋增加土壤養(yǎng)分和有機質(zhì)含量，許多政府將這一技術作為最節(jié)能環(huán)保的選擇。然而，重金屬的含量、病原體和持久性有機污染物在污泥處理工藝中有嚴格的規(guī)定?！巴恋乩谩焙汀盎厥铡背３Ｔ谕恋貜蛪ㄖ幸灿袘?。污泥焚燒也被嚴格控制。在歐盟和美國的具體情況如下[1]：

在歐盟，按照城市污水管理要求，從1991年開始到2005年12月31日，每2 000人的區(qū)域就應該設置污水收集系統(tǒng)，最起碼是二級污水處理系統(tǒng)。第一批次的歐盟13個加盟國，污泥產(chǎn)生量從1992年的550萬t增加到2000年的790萬t。考慮到其他方面的原因，污泥代從2000年—2005年至少增加40%。這些要求在歐盟選舉成員國的時候也是一項指標。在過去的幾年里，污泥處理方法的規(guī)定發(fā)生很大的變化，而且將很快進行修訂。污泥的處理工藝對地表水的影響被禁止。當新的污泥處理工藝流程上升到國家法律，之前的有機質(zhì)填埋被刪除。1995年，生物質(zhì)垃圾填埋減少到75%。在2000年，每年1.7 t的MDT被填埋。從1986年開始，對污泥在農(nóng)業(yè)用地中的使用有了特定的要求。但是到目前為止，只有重金屬和病原體微生物得到監(jiān)管。新規(guī)定出臺后對重金屬的限制將會有所降低，但是又新增了對有機化合物的限制要求。歐盟13國每年回收的污泥從1992年的2.6 MDT，增加到了2000年的4.2 MDT。污泥焚燒通過空氣污染物排放限值和污水排放限值進行限制。但是現(xiàn)在對歐盟污泥焚燒量是否增加還不確定，因為這些規(guī)定生效之后，其他廢物將與污泥焚燒一樣，都要執(zhí)行新規(guī)定。1998年產(chǎn)生1.2 MDT污泥，預計在2005年將增加到2 MDT。

在美國，污泥產(chǎn)生量從1972年的4.6 MDT增加到1998年的6.9 MDT。這是由于在這期間，美國人口增加了29%，1972年清潔水方案的通過以及開始對城市排放量的限定所導致的。年污泥發(fā)電量增加到2010年的8.2 MDT，這是由人口的預期增長量和所增加二級處理設施所決定的。同時污泥傾倒在地表水表層也被禁止。1993年2月，污泥處理中產(chǎn)生的有機廢物也被限制，從那時候起，產(chǎn)生量逐年減少。垃圾填埋場的污泥每年大約處理1 MDT。盡管污泥總量在不斷增加，但是垃圾填埋場年處理量有逐漸減少的趨勢。原因是污泥處理成本不斷增加，而且大都轉(zhuǎn)移到土地污泥處理處置。對于污泥陸地填埋，有機固體殘余物規(guī)則對重金屬、病原體微生物進行限制。1999年起，實行新的有機固體殘余物規(guī)則，二英是這項規(guī)則中唯一一項新增的污染物。2000年，大約有4.5 MDT用于土地填埋。這一總量在2005年增加到5 MDT。雖然污泥焚燒總量在不斷增加，但是這一總量將被控制在150萬t的水平。

當前最緊迫的是找到新的處理污泥途徑和方法，尤其是在歐盟。根據(jù)污泥處理所要達到的不同效果[2]，不同的處理方法應運而生。有些方法是簡單的處理，有些方法是通過能量和材料的回收利用進行處理。如果污泥比較干凈，可以直接用于土地填埋。這一方法是比較簡單的，而且用最少的費用將污泥回收。但是，一些個人和公益組織更加關注在污泥中一些暴露在環(huán)境中的低水平污染物所存在的長期風險，如病原體、重金屬、二英、多環(huán)芳烴、生物性農(nóng)藥、激素和阻燃劑。污泥焚燒實現(xiàn)了能量回收。一些物質(zhì)在爐渣和灰燼中實現(xiàn)回收。廢氣燃燒的排放量必須嚴格控制，但是這樣污泥處理成本將會比較高。然而，用SCWO技術處理污泥是一種比較經(jīng)濟的回收能量的方法，同時還可以從無機物中回收有用物質(zhì)，而且還沒有廢氣和廢水的排放。

3 超臨界水氧化技術

超臨界水(T>374 ℃，P>22.1 MPa)能夠很好的氧化各種廢水，尤其是對于水資源浪費比較嚴重的污泥焚燒，是一種很好的介質(zhì)。超過臨界點，水的性質(zhì)發(fā)生變化，變成一種非極性溶劑。許多有機化合物、氣體，包括氧氣都能與超臨界水互溶，然后有機化合物、氧氣和超臨界水形成一個均質(zhì)流體相，沒有氣體和液體的邊界線以及兩相之間的傳質(zhì)阻力。例如，在450 ℃和600 ℃之間(大概是傳統(tǒng)溫度的一半)，一些有機化合物被迅速氧化、降解。氧化速率(0.1 s～100 s)，去除效率(99.9%～99.99%),碳、氫化合物反應生成二氧化碳、水和N2分子。雜原子,如硫、氯、磷，迅速氧化中和生成無機酸。這些性質(zhì)使超臨界水反應迅速、能徹底去除有害物質(zhì)，特別是水分含量比較高的污泥等廢棄物。無機化合物(包括常見的無機鹽)在超臨界水的溫度、壓力條件下，難溶于水。污泥通常所含的鹽類和雜原子都比較低。盡管如此，在設計超臨界水氧化裝置的時候，還是應該避免無機鹽和其他無機物的影響。通常的方法是在反應器內(nèi)部和乳化系統(tǒng)防止無機鹽的堆積，來避免容器表面的堆積[3]。此外，通過定期清理，可以減少固體在反應器表面的附著?？刂茝U水的酸度也能降低腐蝕的風險。在許多對污泥的實踐中，我們發(fā)現(xiàn)低濃度的鹵素原子引起的腐蝕并不是腐蝕主要原因。超臨界水氧化技術可以徹底去除污泥中的病原體微生物，將有機物轉(zhuǎn)化成無機小分子。COD的去除效率達到99.9%。含氮有機物變成氨，然后水解迅速變成氮單質(zhì)。二氧化碳,作為主要氧化產(chǎn)物，可以再繼續(xù)回用于生產(chǎn)過程。反應過程中過剩的氧氣，可以實現(xiàn)回收利用以降低成本。超臨界水氧化過程的污泥固化的殘渣處理主要包括粉塵、砂石、粘土顆粒以及所有病原體微生物。一項最新的分析表明，超臨界水處理污泥的成本是每DMTat 10%固體是120美元～200美元,這比傳統(tǒng)方法的填埋和焚燒要便宜。在以下的論述中將詳細描述這一系統(tǒng)的功能。

4 生命周期評估

從這一系統(tǒng)設計的初衷來說，LCA是一種結(jié)構(gòu)化模式用于評估在系統(tǒng)荷載范圍內(nèi)的系統(tǒng)負荷[4]。這一生命周期的方法不僅考慮到生產(chǎn)過程的污染物排放量，而且還考慮產(chǎn)品相關生產(chǎn)活動的排放量。比如：物料和產(chǎn)品的運輸、原材料的提取和預處理、產(chǎn)品廢棄物的處理處置等等。LCAS被稱之為是“從搖籃到墳墓”的研究。為了防止給定的研究范圍無謂的擴大化、復雜化，必須嚴格限定適用范圍。因此，這一“從搖籃到墳墓”的方法就意味著污泥收集和處理對環(huán)境的影響已經(jīng)消除。因此，為一個特定的狀態(tài)提供有意義的結(jié)果，LCA技術必須考慮到技術差異和地理因素(如：在不同的國家，電力生產(chǎn)技術不同、施行的標準不同)。由于全球性化數(shù)據(jù)時代的到來，LCA技術的使用將更普遍。但是，目前LCA的研究限于特殊的技術、特定的地理位置，在特定的企業(yè)使用全過程數(shù)據(jù)。因此，外推到其他結(jié)果的數(shù)據(jù)必須是針對特定的屬性、特定條件。

在對LCA的研究目標、研究范圍的定義明確之后，我們開始對數(shù)據(jù)收集。但是這一研究耗費大量的時間和人力。尤其是之前這項活動還沒開始研究，僅僅處于起步狀態(tài)。有些基礎信息在數(shù)據(jù)庫和文獻資料中可以查到。在一些活動中，有些數(shù)據(jù)是可行的，但是在產(chǎn)品生命周期研究下，偏離了實際處理過程或者生產(chǎn)產(chǎn)品的前提下，采集一些比較好的數(shù)據(jù)通常都比較困難。一般收集的數(shù)據(jù)是：廢氣、固廢、廢水和產(chǎn)品流[5]；原材料和能源消耗產(chǎn)物和其他的一些邊角料廢物。在這項研究中，我們使用LCAiT 4.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析。為了便于說明，研究結(jié)果通常包括所有對環(huán)境造成的影響(如：全球變暖、酸化)，并且都用CO2作為等價交換物表示污染程度，這一結(jié)果稱為表征結(jié)果。有時候，不同的影響因子綜合社會因素和環(huán)境因素換算成一個單一因子。當然，這一數(shù)據(jù)庫是比較客觀的，反映的是綜合了社會因素和環(huán)境因素后的數(shù)值。

在歐洲、美國和其他地方，本研究項目根據(jù)當前和預期的環(huán)境性能，確認了國際上最有前景的超臨界水氧化技術[6]。最近的一項研究表明：超臨界水氧化技術表現(xiàn)出了巨大的經(jīng)濟潛能和污水處理能力。本論文主要通過LCA方法對污泥進行超臨界水氧化處理，用以確定超臨界水對環(huán)境的貢獻值。

[1] Dumontet S, Scopa A, Kerje S,et al. The importance of pathogenic organisms in sewage and sewage sludge. J Air Waste Manage Assoc，2001(51):848-869.

[2] European Environment Agency. Environment in the European Union at the turn of the century—environmental assessment report no. 2, Chapter 3.7.Waste Generation and Management, EEA, Copenhagen, Denmark，1999.

[3] Griffith JW, Raymond DH. The first commercial supercritical water oxidation sludge processing plant. Waste Manage, 2002(22):453-459.

[4] CIT Ekologik. LCAiT energy and transport database CIT-3g. Chalmers Industriteknik, Chalmers Sciencepark, Sweden, 2001.

[5] Kritzer P, Dinjus E. An assessment of supercritical water oxidation (SCWO)—Existing problems, possible solutions and new reactor concepts. Chem Eng J,2001(83):207-214.

[6] Tillman A-M, Svingby M, Lundstr m H. Life cycle assessment of municipal waste water systems. Int J Life Cycle Assess, 1998(3):145-157.

Environmental assessment of supercritical water oxidation of sewage sludge

Wang Junsa

(TaiyuanEnvironmentalMonitoringCenterStation,Taiyuan030002,China)

The paper introduces the research on the supercritical water oxidation of sewage slude, analyzes its Life Cycle Assessment, proves by the assessment that the gas preheating of the sludge is the main pollutant source of environmental influence, while the water pumping and power generation also leads to its affect on environment, and indicates the supercritical water oxidation technique is the prospect technique for the sludge which can be degraded difficultly.

supercritical water oxidation, sewage sludge, environment

2015-04-27

王俊颯(1975- )，女，工程師

1009-6825(2015)19-0189-02

X820.2

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