利用水热技术处理固体废物的研究进展

叶 虹

（汕头市生态环境技术中心，广东 汕头 515041）

人口增长、经济发展和城市化导致全球范围内的固体废物数量迅速增加。而不当和低效的废物处理会导致一系列环境问题，包括环境污染、生态系统破坏和自然资源枯竭等。若能以资源的形式回收尽可能多的固体废物，这些问题将得到极大的缓解。因此，提高固体废物的处理和回收效率，对保护环境十分重要。

传统的固废处理技术主要包括焚烧、填埋和堆肥等。生活垃圾焚烧的副产物粉煤灰含有大量的重金属和二噁英，可能会对环境造成二次污染。垃圾填埋场会产生高氨氮含量的渗滤液，其对环境有害且难以处理。而堆肥设施造成的空气污染会对人体健康造成潜在危害。为实现固体废物的无害化处理，有效回收利用有价值的资源，诸多新型环保技术应运而生，如热解、脱水、真空冶金分离和水热技术等。其中，水热技术可以处理多种固体废物，能有效去除固体废物中的有害物质或将固体废物转化为新物质，在固废处理和回收利用上具有十分广阔的应用前景。基于此，本文总结了近年来利用水热技术对固体废物进行减量化、无害化和回收利用方面所取得的研究进展。

1 水热技术

水热技术是指在特殊的密闭反应容器内，反应物在高温（200 ～374 ℃）、高压（4 ～22 MPa）条件下进行热化学转化。高温高压下的水呈现出一些特殊性质，如溶解非极性有机物、低介电特性以及含高浓度的H和OH离子等。因此，在水热反应中，水可以作为一种有效的介质或催化剂，加快反应速度。相较于其他处理技术，水热技术有许多独特的优点。

首先，水热技术的反应介质一般是水或水溶液，水作为一种绿色、低成本的反应介质，对环境的影响可以忽略不计；其次，原料不需要脱水和干燥，从而降低了能源消耗；再次，水既作为反应介质又作为反应物，甚至作为催化剂参与水热反应，以提升反应速率；最后，良好的密封环境可以避免操作过程的二次污染。在水热过程中，可以高效地进行脱水、脱氯、脱溴、杀菌、浸出、降解、碳化、液化、气化和固化等反应。

2 固体废物减量化

由于活性污泥脱水性能较差，污泥脱水成为制约污泥减量化的关键问题。传统的污泥脱水方法主要有自然干燥、机械脱水等，但存在一些缺陷。自然干燥极易受地区环境的影响。机械脱水因其操作简单而被广泛应用，但脱水污泥含水率高（70%～80%），不能满足填埋、堆肥、焚烧等污泥处置要求。而在水热条件下，污泥的物理特性会发生变化，从而更容易释放水分。在水热过程中，污泥结构的破坏和结合水的释放显著提升了污泥的脱水性能。

与传统机械脱水相比，水热脱水可以实现较低的污泥含水率，有利于污泥填埋处理和资源化利用，水热脱水还能改变污泥的生物降解性。江苏省无锡市建造了日处理能力10 t 的水热干燥系统，该系统显著提升了城市污泥的脱水性能，降低了污泥处置的成本和能耗。该项目已经通过中国环境科学学会主持的科技成果鉴定，这意味着水热脱水实现工业应用。

3 固体废物无害化

3.1 废塑料的水热脱卤

3.1.1 氯化塑料的水热脱氯

聚氯乙烯（PVC）是最常用的氯化塑料，不易分解或生物降解。PVC 的氯含量很高（56.8%），若处理不当，则很容易造成二次污染。ENDO 等的研究表明，在压力和温度分别为19.3 MPa 和300 ℃的条件下，PVC 可以在热水中完全脱氯。研究发现，加入NaOH 可以将热液温度从300 ℃降低到一定范围（150 ～250 ℃）。然而，高剂量的碱性化学试剂会增加试验成本，腐蚀设备，并可能对操作人员造成伤害。因此，后续逐步开展了如何在低NaOH 用量下高效脱氯的研究。研究表明，氨水比其他溶剂更有效，脱氯率随着氨浓度的增加而增加；镍对PVC 的水热脱氯有积极影响，Ni可以起到催化剂的作用，在相对温和的条件下显著促进PVC 的水热脱氯。

3.1.2 含溴塑料的水热脱溴

塑料废弃物在处理和回收过程中容易形成氢溴酸（HBr）、多溴二苯并呋喃等腐蚀性化合物，对环境造成危害。水热脱溴为含溴废物的清洁和高价值回收提供了新途径。王彦民等探究了四溴双酚A 在超/亚临界水及其碱溶液中的水热脱溴降解情况。研究表明，若溶剂为纯水，则温度是影响其降解的关键因素，主要产物为苯酚和4-丁基苯酚；若向反应体系中添加碱，不仅能中和反应过程中产生的HBr，保护反应釜免受其腐蚀，还能在较低温度下达到较高的脱溴率，主要产物为苯酚和4-异丙烯基苯酚。改变溶剂可以提高水热脱溴效率，研究发现，甲醇是去除溴化阻燃剂中四溴双酚A 的最佳溶剂。在酒精或碱性添加剂的作用下，水热脱溴后塑料结构得以保持，可以像普通塑料一样轻松回收。作为水的替代品，有机溶剂对脱溴有促进作用。

3.2 放射性废物的水热固化

近年来，水泥固化、沥青固化和塑料固化等方法被用于处理中低放射性废物，玻璃和人工岩石固化被用于处理高放射性废物。然而，这些方法可能不适用于处理大量铯（Cs）污染的焚烧灰，并且会产生大量放射性凝固块。因此，有必要探索放射性废物处理的新技术。水热法已被用于较低温度下（低于350 ℃）固化含硼酸钠的放射性废物。该方法产生的废物由无机材料组成，这些材料具有超过200 MPa 的高机械强度和低浸出性。此外，水热反应在封闭系统中进行，碘和氚等挥发性放射性同位素不会从高压釜内释放到大气中。水热法可以将Cs 污染的焚烧灰（稻壳灰）直接转化为铯沸石，将Cs 原位固定于其晶体结构中，该方法可直接应用于Cs 污染焚烧灰的固化。

3.3 含重金属废物的水热浸出

水热处理后污泥中的大部分重金属浓缩到生物炭中，使环境风险降低。硫化物的使用对重金属的稳定和回收有很大影响。在最佳试验条件下（260 ℃，4 h），锌的硫化率大于92%。研究发现，添加稻壳对污泥水热处理有协同作用。在添加稻壳后的水热过程中，金属从弱束缚态重新分布并转变为稳定态。粉煤灰生成的沸石在离子交换中具有广泛的应用，如分子筛、催化剂和吸附剂。通过粉煤灰水热处理48 h生产的沸石有望用于从水溶液中吸附钨。

4 固体废物回收利用

4.1 回收生物质废弃物

湿生物质和有机废物可以在水热条件下有效气化，产生富氢燃料气体。在水热气化过程中，生物质在亚临界水中的快速水解导致生物质聚合物结构的快速降解。实践证明，木质纤维素生物质是气化制氢技术的最佳选择。碱催化剂可以提高气态产物的产率。在没有氢氧化钠的情况下，葡萄糖分解主要产生二氧化碳、水、焦炭和焦油。而在氢氧化钠存在的条件下，葡萄糖最初分解主要形成烷基化和羟基化的羰基化合物，其进一步分解产生氢气。氢气产率随反应温度和反应时间增加而增加。水热液化是一种在250 ～550 ℃的溶剂环境下从生物质中获得清洁生物燃料的技术。农林废弃物是水热液化中研究最多的生物质废弃物。水热液化也适用于将藻类转化为生物原油。随着水热液化技术的逐渐成熟，藻类生物燃料将成为一种广泛使用的生物燃料。生物质水热碳化是指以生物质为前驱体，水为溶剂，在一定温度和压力下合成碳材料。水热碳化能将废弃生物质转化为可用于土壤改良或污染物修复的有用产物，也可转化为高能量密度燃料和新型功能碳材料。

4.2 回收电子废物

印制电路板（PCB）废料含约40%的金属，可以回收利用。由于亚临界水的特殊物理化学性质，水热技术可用于回收废印制电路板（WPCB）中的非金属材料。废印制电路板中的溴化环氧树脂在低温下主要分解为双酚A、溴苯酚等，而在高温下主要分解为苯酚、邻甲酚等不含溴的小分子化合物。液晶是含苯、溴和氯等的芳香族聚合物，可采用水热分解法处理废液晶，回收废有机物。研究表明，在加入0.2 mL HO、pH=6、温度275 ℃、反应时间5 min 的优化条件下，97.6%的4-辛氧基-4′-氰基联苯可被分解成简单、环保的产物。此外，水热法还可以将废弃的液晶面板偏光片转化为有机酸，而HO可提高酸的产率。

4.3 回收玻璃废物

废玻璃可以合成泡沫玻璃和多孔陶瓷。有色废玻璃可以用NaCO溶液进行水热处理，制备多孔材料（比表面积约140 m/g）。阴极射线管可以用于合成具有高电位的闭孔多孔材料。偏硅酸锂可以通过废容器玻璃和氢氧化锂溶液的水热反应来制备。此外，还可利用水热硫化法将含铅固体废物中的铅转化为硫化铅。将活化后漏斗玻璃中所含铅转化为硫化铅，可以实现其回收利用，这种水热硫化工艺对于含铅玻璃的处理十分有效。

5 结论

从减量化的角度来看，水热脱水可以有效降低污泥的含水量。从无害化的角度来看，水热处理可以有效地浸出固体废物中的重金属，去除含卤塑料中的卤素。从回收利用的角度来看，水热气化、水热液化、水热碳化、水热降解和水热合成等新技术为固体废物的回收利用提供了新途径。未来，可考虑从拓宽回收应用领域、优化水热反应条件、与其他处理技术结合发展三个方面进行更深入的研究，以充分发挥水热技术的优势，推进其工业化应用。