來源: 科技日?qǐng)?bào) 作者: 王 霞
轉(zhuǎn)載自中國(guó)科技網(wǎng)
作為我國(guó)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，化工、制藥等行業(yè)在促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中發(fā)揮了非常重要的作用。但由于這類行業(yè)的特殊性，每年會(huì)產(chǎn)生大量難降解高濃度廢水，特別是有機(jī)毒物廢水更是位居各行業(yè)之首。有機(jī)毒物廢水濃度高、成分復(fù)雜，而且化工反應(yīng)的分離過程往往會(huì)產(chǎn)生大量含鹽的此類廢水，造成該類廢水處理難度極大。目前國(guó)內(nèi)仍沿用傳統(tǒng)的廢水處理方法，如生化法、物理法、反滲透膜過濾法，這些方法成本高，且均不能有效處理此類廢水。隨著我國(guó)對(duì)企業(yè)排污標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，部分地區(qū)有多家化工企業(yè)因缺乏有效的廢水處理技術(shù)導(dǎo)致廢水難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，面臨整改和關(guān)停。
要解決這些問題，有效的廢水處理技術(shù)和裝備是關(guān)鍵。在國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng) “十二五”課題《難降解高濃度有機(jī)廢水深度氧化設(shè)備開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化》（2014ZX07214002）支持下，由上海市環(huán)境工程設(shè)計(jì)科學(xué)研究院有限公司牽頭承擔(dān)，上海交通大學(xué)（環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、材料科學(xué)與工程學(xué)院）、寶鋼特鋼有限公司、上海老港廢棄物處置有限公司和上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司聯(lián)合參與，經(jīng)過4年多艱苦的技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)出新型難降解高濃度高毒有機(jī)廢水處理技術(shù)與裝備。
課題組攻克了超臨界水氧化技術(shù)處理高濃度高毒難降解有機(jī)廢水在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用時(shí)面臨的高壓、堵塞、腐蝕、大型化和穩(wěn)定性等一系列技術(shù)難題，設(shè)備的處理能力和性能指標(biāo)目前在國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際上都處于較為領(lǐng)先的水平，為重污染行業(yè)中最難治理之一的化工、制藥和農(nóng)藥等高濃度高毒難降解廢水處理提供了新型關(guān)鍵技術(shù)和裝備，課題在“十二五”期間進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)示范，有效支撐了國(guó)家“水專項(xiàng)”在污水處理領(lǐng)域高尖技術(shù)的發(fā)展。
廢水處理“殺手锏”
“秒殺”有毒有機(jī)物
廢水中的有毒有機(jī)物也有“天敵”，它就是“超臨界水氧化”。我們知道，水在常溫常壓下是液態(tài)，蒸發(fā)后會(huì)變成氣態(tài)。而當(dāng)溫度高于374℃，壓力大于22MPa（常壓為0.101MPa）的條件下，此時(shí)的水稱作超臨界水，兼具有氣體與液體的高擴(kuò)散性、高溶解性、高反應(yīng)活性及低表面張力等優(yōu)良特性。處于超臨界狀態(tài)的水能與有機(jī)物完全互溶，同時(shí)還可以大量溶解空氣中的氧，而無機(jī)物特別是鹽類在超臨界水中的溶解度則很低。利用超臨界水作為特殊溶劑，水中的有機(jī)物和氧氣可以在極短時(shí)間內(nèi)完成徹底的氧化反應(yīng)，把有機(jī)物徹底“秒殺”。
課題研究團(tuán)隊(duì)使用的正是這種廢水處理技術(shù)。整個(gè)過程可以看成是有機(jī)物在超臨界水中的燃燒過程。反應(yīng)產(chǎn)物通過分離裝置進(jìn)行固、液、氣分離，轉(zhuǎn)化為無毒無害的水、無機(jī)鹽以及二氧化碳、氮?dú)獾葰怏w，并最終在生產(chǎn)和生活中得到回收利用。
課題負(fù)責(zé)人陳善平表示，該技術(shù)具有污染物去除率高、二次污染小、反應(yīng)迅速快等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是廢水處理技術(shù)中的“殺手锏”，可以“秒殺”一切有機(jī)物，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。超臨界水氧化技術(shù)對(duì)Fenton法、臭氧氧化等難有效降解的農(nóng)化、石油、制藥等有機(jī)廢水尤為適用。如能成功應(yīng)用于各化工、制藥行業(yè)等污水處理領(lǐng)域，可有效提升流域內(nèi)重污染行業(yè)的控源減排能力，為我國(guó)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。
材料“特種兵”
解決廢水處理裝備核心難題
超臨界水氧化設(shè)備在大型工業(yè)化過程中，一個(gè)基本的問題就是解決大型化設(shè)備對(duì)核心部件材料的問題。高濃度有毒廢水大型化設(shè)備的核心部件的材料運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對(duì)使用材料要求十分苛刻，要求材料同時(shí)具備高強(qiáng)度、耐高溫、高耐蝕、低成本、高安全穩(wěn)定的特性。因此，超臨界水氧化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用被認(rèn)為是一項(xiàng)“世界性難題”，國(guó)內(nèi)外在污水處理領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的案例極少。
課題材料研究團(tuán)隊(duì)上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院和寶鋼特鋼有限公司長(zhǎng)期從事高強(qiáng)度材料及耐熱耐高溫材料的相關(guān)研究，在對(duì)一些典型的高溫、耐腐蝕合金在實(shí)驗(yàn)室超臨界環(huán)境下的性能進(jìn)行全面系統(tǒng)性地模擬與評(píng)估的基礎(chǔ)上，對(duì)篩選出的合金進(jìn)行成分的優(yōu)化與改進(jìn)，聯(lián)合制備出適用于超臨界水氧化設(shè)備的4種特種材料，這4種材料就像是4個(gè)特種兵，各司其職，為超臨界水氧化設(shè)備的穩(wěn)定安全運(yùn)行保駕護(hù)航。
在保證超臨界水氧化設(shè)備不同部件材料具有良好的使用壽命、穩(wěn)定安全的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用成本控制的需求，課題研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)超臨界設(shè)備運(yùn)行的特點(diǎn)，構(gòu)建了超臨界水氧化設(shè)備用材料的功能化梯度式配置技術(shù)，優(yōu)化并完善了超臨界水氧化設(shè)備高強(qiáng)度高溫耐蝕材料組合體系，使設(shè)備制造成本大幅度降低，并且設(shè)備整體運(yùn)行效率得到保證。
高效廢水處理“一條龍”
有效降低設(shè)備運(yùn)行成本
據(jù)介紹，課題設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)單實(shí)用，運(yùn)行基本過程為廢水通過高壓泵打入換熱器，然后進(jìn)入超臨界反應(yīng)釜，在反應(yīng)釜內(nèi)與經(jīng)空壓機(jī)進(jìn)入反應(yīng)釜的氧氣充分混合反應(yīng)，反應(yīng)后的出水經(jīng)換熱器到冷卻器進(jìn)行冷卻，然后通過減壓閥減壓之后進(jìn)行氣液分離。此外，在集成化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)功能模塊化拼裝，換熱器、反應(yīng)釜、集中控制器采用獨(dú)立成型，組合配套聯(lián)用，形成模塊化組合結(jié)構(gòu)，便于檢修與改造。同時(shí)設(shè)備可以包含多組用于污水處理的水熱反應(yīng)系統(tǒng)，大大增加了單位時(shí)間內(nèi)污水的處理量，提高了工作效率。
課題研發(fā)的超臨界水氧化技術(shù)與裝備可一步將化學(xué)需氧量（COD）為2萬—10萬毫克/升的各類廢水降解至COD<50毫克/升（可達(dá)到化工廢水排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)），將有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無毒無害物質(zhì)。
在此基礎(chǔ)上，課題團(tuán)隊(duì)共同完成了20噸/天連續(xù)式超臨界水氧化設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱設(shè)備）的設(shè)計(jì)、制造和安裝。設(shè)備集成脫鹽、連續(xù)排渣、脫氨氮、能量再利用等系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)上有效縮短工藝流程，減少一次性投資費(fèi)用，并且可對(duì)反應(yīng)后的蒸汽熱量進(jìn)行再利用，有效降低運(yùn)行成本。據(jù)悉，投資一套日處理量達(dá)每天20噸的超臨界水氧化設(shè)備初期建造費(fèi)用約為200萬—300萬元，費(fèi)用較為適中；噸運(yùn)行直接成本≤200元/噸，運(yùn)行成本低于目前現(xiàn)有處理工藝（膜處理、離子交換、焚燒等），具備服務(wù)于全國(guó)各大化工園區(qū)的化工廢水處置能力。
破解維護(hù)難題
設(shè)備自己會(huì)“洗澡”
該設(shè)備的穩(wěn)定性如何？課題技術(shù)負(fù)責(zé)人申哲民指出，無機(jī)物質(zhì)（如氧化物、氯化物、鹽類、無機(jī)酸類等）在超臨界狀態(tài)下溶解度很低，設(shè)備容易堵塞，而團(tuán)隊(duì)結(jié)合高壓沖擊除垢原理與多閥聯(lián)排技術(shù)，采用PLC（可編程邏輯控制器）實(shí)現(xiàn)壓力、溫度協(xié)同控制，并采用電腦組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，用多閥程序開啟不斷排出無機(jī)物質(zhì)和殘?jiān)?，?shí)現(xiàn)了自己為自己“洗澡”的自潔能力，提高了設(shè)備的工作效率。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可上手。
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種超臨界水氧化處理廢水的阻垢劑，可降低水體的硬度，促進(jìn)水體中的難溶類有機(jī)物質(zhì)和水體混溶，在超臨界條件下形成爆燃促進(jìn)氧化燃燒，具有提升自燃效率、清除積炭、清潔管路、消除污垢等功能。有效提升超臨界水氧化設(shè)備的高效持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，使得對(duì)廢水的處理更加徹底。
已得到應(yīng)用示范
工業(yè)化應(yīng)用未來可期
據(jù)了解，課題研發(fā)的超臨界水氧化技術(shù)目前已在國(guó)內(nèi)某化工園區(qū)得到工業(yè)化應(yīng)用示范，建設(shè)了100噸/天“難降解高濃度有機(jī)廢水亞超臨界深度氧化處理示范工程”，經(jīng)過第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，采用超臨界水氧化工藝可以直接一步處理達(dá)標(biāo)，處理效率高，且污泥產(chǎn)生量小，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。成果后期推廣應(yīng)用后預(yù)計(jì)可提升園區(qū)進(jìn)駐企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力，提高后續(xù)污水處理廠的達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性，有效地解決周邊水系的水污染問題，持續(xù)改善園區(qū)河道甚至是相關(guān)海域的水環(huán)境。
“未來我們會(huì)在該示范性工程的基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境提出的高標(biāo)準(zhǔn)以及現(xiàn)階段處理技術(shù)的不足，不斷改進(jìn)技術(shù)和設(shè)備以適應(yīng)不同類型的有機(jī)廢水處理，降低成本，未來可廣泛應(yīng)用于化工、制藥等行業(yè)的廢水處理，為我國(guó)的廢水治理貢獻(xiàn)力量?！?nbsp;申哲民表示。
