滁州职业技术学院 安徽省滁州市 239000
摘要：由于超临界流体的特殊性质，高扩散系数、低粘度，对物质有非常好的溶解能力和良好的渗透性，而且超临界二氧化碳化学稳定性强、没有毒、而且很容易获得，因此，超临界流体应用技术近些年来得到非常多的应用，有着非常广阔的前景。目前，已普遍的应用在工业生产中的干燥、萃取等方面，二氧化碳是现在应用最广泛的一种超临界流体，并显示出了脱水的可能性。而大量存在的剩余污泥是随城镇化建设过程中污水厂的建设及运行而日益凸显的问题。污泥脱水的减量化对污泥运输费用、填埋处置后续污染及用地紧张问题具有重要意义。通过对国内外目前的相关文献总结，简要的论述了污泥脱水技术的研究现状；详细探讨了超临界二氧化碳干燥技术的应用和机理；并通过前期的预试验，从理论和实践上，分析了超临界二氧化碳用于污泥脱水的可行性。
关键词：超临界；二氧化碳；污泥脱水；
Feasibility analysis of supercritical carbon dioxide used in sludge dewatering
Abstract：Due to the special properties of supercritical fluid，high diffusion coefficient and low viscosity，have very good solubility and good permeability of the material，and the supercritical carbon dioxide strong chemical stability，no toxicity，but it is easy to get，so the application of supercritical fluid technology in recent years has been applied very much，there are a very broad prospect.At present，carbon dioxide is widely used in industrial production such as drying and extraction.Carbon dioxide is the most widely used supercritical fluid and shows the possibility of dehydration.A large number of remaining sludge is an increasingly prominent problem with the construction and operation of the sewage plant in the process of urbanization.The reduction of sludge dehydration is of great significance to the transportation cost of sludge，the subsequent pollution of landfill disposal and the problem of land use tension.Based on the current domestic and foreign related literature summary，briefly discusse s the research status of sludge dewatering technology；discusses the application and mechanism of supercritical carbon dioxide drying technology；through the pre test early，from theory and practice，the feasibility of supercritical carbon dioxide used for sludge dewatering analysis.
Key words：Supercritical；Carbon dioxide；Sludge dewatering；
1、引言
近几十年来，我们国家城市在污水处理的规模和污水的处理设施建设方面不断加大力度，污水的处理率也在不断的升高，据统计[1]，我国污水排放总量在2011年就已达到482.4亿吨，近几年来，更是不断的增长，现在也是翻了好几倍。包括城镇的生活污水、工业废水，其中的COD的排放量也是上亿吨。我国目前较多的采用生物法来处理城市污水，每年将产生几千万吨的（干质量）污泥（按lt干质量污泥=0.38万t废水计算）。[2]我们大家都知道，如果不妥善的处理这么多的剩余污泥，将会对环境造成新的污染，甚至引起更加严重的环境问题。但是，污泥处理处置的成本比较高，包括场内、外的运输和传输的费用，对于填埋来说，还有填埋的费用，这些都是很大的成本。[3]但是，如果将污泥的含水率降低的话，会大大的降低成本，比如含水率从95%降至90%，虽然是降低了5%的含水率，但是污泥的体积却降低的一半，这无论是对于经济效益还是管理效率来说，都是非常重要的应用价值，所以说，污泥脱水技术受到了高度的重视。[4]
目前所有的污泥脱水技术都是能耗比较高的，亟需研究高效节能的脱水技术。而超临界流体技术就属于这种低能耗、高效率的工艺，当温度和压力超过临界点以上，性质会发生突变，同时具备液体性质与气体性质的一种超临界相态。[5]超临界流体的密度是和液体接近，但是比相应的气体的密度要大100-1000倍。同时，超临界流体的粘度和气体接近，但是是液体的粘度的10倍左右，而自扩散系数和气体的接近，是普通液体的10-100倍。[6]所以，正是由于超临界的这种独特性质，他有着一些特殊的应用，可以满足很多特殊的要求。超临界流体还有一些其他的性能，比如温度和压力的细微变化都会引起超临界流体的溶解度、相平衡、反应速率、渗透率等，发生显著的变化。[7]因此，可以通过控制超临界流体的温度、压力等条件的微小变化，达到不同的处理效果。[8]
2、超临界二氧化碳用于脱水的可行性研究
2.1超临界二氧化碳改变土层、琼脂等的孔隙结构
2010年[9]，Z.K.Brown在用超临界CO2干燥琼脂时，发现超临界CO2的流量和减压率的变化均未影响凝胶的结构，但是在加入乙醇夹带剂后，减少了干燥时间，却引起了凝胶微观结构的变化；2013年[10]，Mohsen S.Masoudian发现超临界CO2在煤层中渗透时，被煤层吸附，会导致煤层膨胀，因此改变了煤层基体的孔隙结构，孔隙度变大，煤层的体积膨胀，则有利于水从孔隙中的流出，且超临界CO2的作用增加煤层的渗透性；2014年，Derek Elsworth，2015年，张登峰将CO2注入到煤层中储存、开采，基质的渗透率增加，割裂（裂隙）的渗透率减少。因为CO2吸附到煤层基质里发生的膨胀，使基质孔隙增大，同时裂隙孔隙减小。以上研究证明，超临界二氧化碳的高强渗透和高扩散等特性，使得土层、琼脂等吸附CO2后溶胀，改变孔隙结构，降低孔隙间粘度，进而改变整体的渗透系数，降低表面张力，利于固液分离。[11]
2.2超临界二氧化碳干燥技术
2011年[12]，梁永煌在用超临界CO2干燥饱水竹木漆器时，通过试验得出，使用超临界二氧化碳干燥的时的最优条件是：温度50℃，压力25MPa，时间5h，CO2流量20kg/h，含水率可以降到15%以下；2013年，Qingchun Yu通过试验研究得出结论，超临界二氧化碳的排水过程分为活塞式排驱阶段、携带式排驱阶段和溶解式排驱阶段三个阶段；2014年[13]，Robert A.Franich在用超临界CO2干燥木材时，发现每次CO2气化的时候都会带出一部分细胞内的水，CO2液相和气相循环次数的增加，可以提高脱水率。
综上所述，经研究证实超临界CO2可以用来干燥脱水。CO2气化时能带出一部分细胞内的水，将有利于污泥水分组成部分中细胞水的去除。且超临界CO2的脱水效率和试验的温度、压力、流量、时间等参数有一定的相关性，同时也可以添加不同的夹带剂，可以改变脱水效率和物质的微观结构。
3、预试验结果
3.1 试验材料：江宁污水处理厂脱水污泥，100g，初始含水率76.14%；南通华安超临界萃取设备有限公司的HA220-50-06型超临界萃取装置。（图1）
图1 HY-III型CO2超临界试验仪器
3.2试验方法：温度：50℃；流速：20kg/h；反应釜压力：20MPa；分离釜压力：5MPa；压力反应时间：10h；
3.3试验结果：含水率46.94%。
3.4试验分析：说明超临界二氧化碳可以用于污泥脱水，可以通过大量试验，研究更有效的反应条件。
4、总结
超临界流体因其溶解度度高、高扩散系数、低粘度、渗透性好等特性作为溶剂和干燥介质被运用于工业生产当中，发展出超临界萃取、超临界水氧化技术、超临界流体干燥等工艺。二氧化碳价廉，容易获得，而且临界的压力和温度都比较低，容易达到。所以，利用的最为广泛。经超临界流体干燥技术的研究和应用证明，超临界二氧化碳可以脱除水分，CO2气化时能带出一部分细胞内的水，将有利于污泥水分组成中部分细胞水的去除。同时，研究表明，超临界二氧化碳的 脱水效果，与反应的压力、温度、作用的时间、夹带剂的种类和用量、流量等有关。
5、展望
在我们了解到超临界二氧化碳可以用于污泥脱水的工艺上，可以进一步研究：1、寻找最佳的反应条件，温度、压力，最经济、性价比最高的工艺方法；2、试验分析超临界二氧化碳处理后的污泥中的化学成分，研究萃取有害化学物质的反应条件。3、在试验室基础上，进一步研究超临界二氧化碳用于污泥无害化、减量化处理的工程应用。
附录：*基金项目：2016年度安徽省教育厅自然科学重点项目“超临界CO2在不同土体重的渗透规律研究”研究成果（项目编号：KJ2016A538）
参考文献：
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[4]钟海雁，工承南，谢碧霞，等.超临界CO2萃取茶油的初步研究[J].食品与机械，1999.6（1）：13-14.
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[11]Kirsten U.Rempel，An experimental investigation of trace element dissolution in carbon dioxide：Applications to the geological storage of CO2[J].Chemical Geology，2011.
[12]梁永煌，满瑞林，倪网东，等.超临界CO2 萃取干燥技术及其在饱水文物脱水中的研究进展[Z].应用化工，2009，39（3）：437-440.
[13]Robert A.Franich，Dewatering green sapwood using carbon dioxide cycled between supercritical fluid and gas phase[J].Supercritical Fluids，2014.
作者简介：
高玉春，1982，男，汉，安徽省滁州市，讲师，硕士，研究方向：环境工程
基金项目：
安徽省高校自然科学研究项目2015KJ2015A362
论文作者:高玉春
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/8/6
标签：污泥论文; 超临界论文; 二氧化论文; 孔隙论文; 干燥论文; 煤层论文; 压力论文; 《基层建设》2018年第18期论文;