固體廢物的科學(xué)處理和綜合利用

固體廢物的科學(xué)處理和綜合利用【摘要】通過對(duì)固體廢物的定義、分類及危害等方面的內(nèi)容，了解近年來針對(duì)最難處理的廢棄物一一固體廢物的處理方法與合理利用的最新研究，認(rèn)識(shí)如何做到“無害化、減量化、資源化”得處理并利用固體廢物?！娟P(guān)鍵詞】固體廢物；電化學(xué)處理；超臨界水氧化法處理；制作泡沫塑料；合成Sialon材料0引言環(huán)境保護(hù)的實(shí)質(zhì)問題是工業(yè)生產(chǎn)中的“三廢”一固體廢物、廢液和廢氣能否得到及時(shí)有效的治理和利用。近多年來,我國在“三廢”處理技術(shù)特別是在資源二次開發(fā)、綜合利用、實(shí)現(xiàn)“三廢”資源化方面，有了長足的進(jìn)步，但在這一技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)水平和資源的利用程度還不高。曲格平同志五年前曾對(duì)我國的環(huán)境狀況高度概括為“局部有所控制，總體還在惡化，前景令人擔(dān)優(yōu)?！蔽覀冋J(rèn)為這一估計(jì)是切合實(shí)際的。近幾年來，在某些方面雖有所改觀,但總體狀況還是不容樂觀的，應(yīng)當(dāng)引起環(huán)境保護(hù)界的高度重視。隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)的發(fā)展，固體廢棄物的排放量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)2003年，全南京市工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量808萬噸1。如此大量的固體廢棄物造成廢水污染、大氣污染、噪聲污染之后的又一大社會(huì)公害。1固體廢棄物概述1.1固體廢棄物的定義2固體廢物，是指在生產(chǎn)、生活和其他活動(dòng)中產(chǎn)生的喪失原有利用價(jià)值或者雖未喪失利用價(jià)值但被拋棄或者放棄的固態(tài)、半固態(tài)和置于容器中的氣態(tài)的物品、物質(zhì)以及法律、行政法規(guī)規(guī)定納入固體廢物管理的物品、物質(zhì)。1.2固體廢物的分類固體廢物的分類方法有多種，按其組成可分為有機(jī)機(jī)廢物和無機(jī)廢物；按其形態(tài)可分為固態(tài)廢物.半固態(tài)廢物和液態(tài)（氣態(tài)）廢物.按其污染特性可分為危險(xiǎn)廢物和一般廢物等；按其來源可分為礦業(yè)的、工業(yè)的、城市生活的、農(nóng)業(yè)的和放射性的。此外，固體廢物還可分為有毒和無毒的兩大類。有毒有害固體廢物是指具有毒性、易燃性、腐蝕性、反應(yīng)性、放射性和傳染性的固體、半固體廢物。根據(jù)《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》（1995年公布）分為城市生活垃級(jí)、工業(yè)固體物和危階廢物。1.3固體廢物的危害固體廢物對(duì)環(huán)境的主要危害體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）侵占土地城市生活垃圾如不能得到及時(shí)處理和處置，將會(huì)占用農(nóng)田，破壞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以及地貌、植被、自然景觀等。（2）污染土壤固體廢物如果處理不當(dāng)，有害成分很容易經(jīng)過地表徑流進(jìn)人土壤，殺滅土壤中的微生物，破壞土壤的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致土壤健康狀況惡化。（3）污染水體固體廢物可以隨著天然降水或者隨風(fēng)飄移進(jìn)人地表徑流，進(jìn)而流人江河湖泊等水體，造成地表水的污染。而除了上述途徑以外，有些固體廢物還可能造成燃燒、爆炸、接觸中毒、腐蝕等特殊損害。另外，側(cè)體廢物還可能通過植物和動(dòng)物間接地對(duì)人類的健康造成危害，例如重金屬污染等。2固體廢物的綜合處理由于固體廢物本身的資源屬性，固體廢物處理處置的目的就不會(huì)僅僅是污染控制，資源保護(hù)與再生也成為固體廢物處理處置的主要目的之一。根據(jù)固體廢物本身的特性，以及固體廢物處置的主要目的是資源保護(hù)和資源再生，在宏觀上固體廢物處置（管理）的技術(shù)路線是：首先，盡量避免固體廢物的產(chǎn)生；其次，合理利用固體廢物的資源價(jià)值；最后，妥善處置暫時(shí)無法利用的固體廢物。在這一技術(shù)路線的全部過程中都需要做到環(huán)境無害化。前人對(duì)于固體廢物的化學(xué)處理進(jìn)行了長時(shí)間的研究，也發(fā)現(xiàn)了很多對(duì)于處理固體廢物的方法，簡介其中的幾個(gè)方法如下：2.1電化學(xué)技術(shù)處理固體廢物32.1.1電化學(xué)氧化技術(shù)電化學(xué)氧化是通過電極反應(yīng)生成的氧化基團(tuán)使待處理污染物發(fā)生氧化反應(yīng)，最終達(dá)到氧化降解污染物的目的。這些基團(tuán)主要包括HO?，HO2?，O2?等自由基，以及電解氯化鈉溶液產(chǎn)生的ClO-等。目前，電化學(xué)氧化技術(shù)在固體廢棄物領(lǐng)域主要用于城市污泥的處理。2.1.2電化學(xué)還原技術(shù)電化學(xué)還原是通過陰極還原的方式去除環(huán)境污染物。電化學(xué)還原在固體廢物處理中的應(yīng)用主要是用于金屬回收的電沉積技術(shù)，即通過電沉積使自由態(tài)或結(jié)合態(tài)的金屬在陰極析出.目前國內(nèi)外在固體廢物處理中主要采用化學(xué)浸出、電化學(xué)浸出和離子液體三種方式與電化學(xué)還原配合形成還原體系。2.1.3電動(dòng)力學(xué)技術(shù)2.1.3.1傳統(tǒng)電動(dòng)力學(xué)技術(shù)電動(dòng)力學(xué)修復(fù)（EKR）的基本原理是在污染介質(zhì)區(qū)域插入電極，施加直流電后形成電場(chǎng)，污染物在直流電場(chǎng)作用下定向遷移，富集在電極區(qū)域，再通過其它方法（沉淀、抽出、離子交換樹脂等）去除。目前，EKR在固體廢物中主要用于污泥脫水和固體廢物的無害化處理。2.1.3.2改進(jìn)的電動(dòng)力學(xué)技術(shù)近年來，有研究者提出了一種改進(jìn)的電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)（EDR）。這種技術(shù)主要用于固體廢物中重金屬的去除修復(fù).。和EKR不同的是，EDR將陰陽電極分別插入彼此分離的陰極室和陽極室，用陰離子膜及陽離子膜將整個(gè)電解槽分成陰極室、中間室和陽極室三部分。中間室放置待修復(fù)的固體廢物，陰極室和陽極室里的電解質(zhì)可以不斷循環(huán)，重金屬可以在陰陽極室得到富集并進(jìn)行后續(xù)處理，一個(gè)較低的電流密度就可以完成EDR過程，離子交換膜可以起到控制離子流動(dòng)方向和數(shù)量的作用，從而使被分離物質(zhì)得到富集并且回收。2.2超臨界水氧化法處理固體廢物4超臨界水氧化法（Supercriticalwateroxidation，SCWO）是在水的溫度超過水的臨界溫度、壓力超過水的臨界壓力的條件下，以氧氣或空氣中的氧氣作為氧化劑，以超臨界水作為反應(yīng)介質(zhì)，使氧化劑與水中的有機(jī)物在超臨界液相中發(fā)生強(qiáng)烈氧化反應(yīng)的過程。在高溫、高壓和富氧的條件下，氧化反應(yīng)完全、徹底，有機(jī)物分解效率很高，有機(jī)物被轉(zhuǎn)化成CO2和水，有機(jī)物中的N轉(zhuǎn)變成氮?dú)夂蚇2O,S和鹵素等則生成SO42-的無機(jī)鹽，沉淀析出。這種方法的機(jī)理為自由基反應(yīng)機(jī)理，一般情況下，氧氣和h2o2通過兩種機(jī)理引發(fā)鏈反應(yīng)：氧氣直接和有機(jī)物反應(yīng)產(chǎn)生R?和HO2?自由基；H2O2熱解形成曰0?自由基。RH+02TR?+件RH+H02?^R?+H2O2H2O2+MT2H0?RH+HO?TR?+H2O

R?+O2TROO?ROO?+RHtROOH+R?M為均質(zhì)或非均質(zhì)介質(zhì)。HO?具有很高的活性，幾乎能與所有的含氫化合物反應(yīng)。以上各步反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的自由基R?能與氧氣作用生成過氧化自由基，并進(jìn)一步獲取氫原子生成過氧化物。生成的過氧化物不穩(wěn)定，很快分解為小分子化合物，直至生成小分子的甲酸和乙酸等。甲酸和乙酸等小分子有機(jī)物經(jīng)過自由基氧化過程最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。HO?和HO2?參加的鏈反應(yīng)實(shí)質(zhì)上是通過H去除機(jī)理實(shí)現(xiàn)的，一般認(rèn)為H去除是速率控制步驟。3固體廢物的利用固體廢棄物處理的目標(biāo)是無害化、減量化、資源化。有人認(rèn)為固體廢物是“三廢”中最難處置的一種，因?yàn)樗械某煞菹喈?dāng)復(fù)雜，其物理性狀也千變?nèi)f化，要達(dá)到上述“無害化、減量化、資源化”目標(biāo)會(huì)遇到相當(dāng)大的麻煩。廢物是一個(gè)相對(duì)概念，在某種條件下可能成為有用的資源。3.1制作泡沫塑料5國內(nèi)每年生產(chǎn)的泡沫玻璃供不應(yīng)求，市場(chǎng)空缺很大；同時(shí)建筑保溫節(jié)能技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，建筑工程對(duì)防水防潮、隔音降噪和裝飾美化的要求也不斷提高，因此這些因素決定了泡沫玻璃在未來必然會(huì)面臨巨大的發(fā)展機(jī)會(huì)。隨著玻璃工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，大量廢舊玻璃制品被扔進(jìn)垃圾中，成了不亞于白色污染的新公害。每回收1t廢玻璃就可節(jié)約100kg燃料，一個(gè)玻璃瓶被重新利用所節(jié)省的能量可使燈泡亮4h。因此，廢玻璃回收所帶來的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益將是十分可觀的。3.1.1利用粉煤灰研制泡沫玻璃粉煤灰是一種活性的硅酸鹽瘠性料，具有火山灰的性質(zhì)，既無可塑性和結(jié)合性，又具有較高的硬度與熔點(diǎn)。粉煤的灰化學(xué)成分隨煤種不同而有差異，較典型的粉煤灰的化學(xué)組成為：SiO243%~56%，A12O320%~32%，F(xiàn)e2O34%?10%，CaO1.5%?5.5%，MgO0.6%~2.0%，Na2O+K2O1.0%~2.5%，SO30.3%~1.5%，燒失量3%~20%。從粉煤灰的礦物組成上看，主要有玻璃質(zhì)(約占50%)另有莫來石、a-石英、硅酸二鈣、三鋁酸五鈣等礦物。由于本身已含大量玻璃質(zhì)，故粉煤灰的引入可降低玻璃的熔制溫度，從而達(dá)到既節(jié)能又利廢的目的。3.1.2利用硼泥研制泡沫玻璃硼泥是以硼礦石為原料，生產(chǎn)硼砂以及硼酸等硼化工產(chǎn)品剩余的固體廢棄物。硼泥中含有氧化鎂、氧化鈣、氧化鈉等堿性物質(zhì)，未經(jīng)過任何環(huán)保技術(shù)處理，且又是露天堆積排放，由于其粒度細(xì)、堿性強(qiáng)，故堆放之處寸草不生。硼泥堆積處由于滲透和雨水沖刷的作用還可使硼泥的污染成分進(jìn)入水體，從而破壞硼泥堆積處的生態(tài)環(huán)境，造成硼化物生產(chǎn)區(qū)的嚴(yán)重環(huán)境污染。硼泥中MgO含量偏高，但是，若將MgO按95%轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化成Mg(OH)2后分離，剩下的不溶性SiO2和沉淀性雜質(zhì)的化學(xué)組成比粉煤灰更接近于玻璃組成。3.1.3利用廢陰極射線管研制泡沫玻璃隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，家用電器的需求量也越來越大，將含有重金屬氧化物的陰極射線管制備成具有優(yōu)良性能的泡沫玻璃是一種非常好的回收方法。3.1.4利用煤矸石研制泡沫玻璃煤砰石是煤炭開采、洗選過程中的廢棄物。大量堆積的煤砰石還侵占了越來越多的耕地，構(gòu)成了對(duì)環(huán)境和生態(tài)的雙重破壞。利用煤砰石中含有的一定量可燃性成分，可以降低生產(chǎn)能耗；燃燒產(chǎn)生的氣體,有利于發(fā)泡;在缺氧條件下裂解出的石墨，能降低玻璃液的表面張力，有利于泡沫的穩(wěn)定。3.2硅鋁系固體廢棄物合成Sialon材料6sialon是Si、Al、O、N四種元素的合成詞，作為一種陶瓷，它實(shí)際上是Si3N4中Si、N原子被Al和O原子置換所形成的一大類固溶體的總稱。自發(fā)現(xiàn)Sialon以來，合成Sialon多采用Si3N4、AlN、Al2O3或Si粉、Al粉等純?cè)?，昂貴的生產(chǎn)成本使其難以作為常規(guī)的耐火材料或結(jié)構(gòu)材料等而獲得大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。3.2.1冶金高爐鈣硅鋁（鈦）廢渣合成Sialon冶金高爐鈣硅鋁（鈦）廢渣主要是指冶煉生鐵時(shí)產(chǎn)生的廢渣，也是冶金行業(yè)中產(chǎn)生數(shù)量最多的一種廢渣，是我國現(xiàn)階段最主要的冶煉廢渣，高爐渣的主要化學(xué)成分包括SiO2、Al2O3、CaO、MgO和TiO2（含鈦高爐渣）等氧化物，可用于生產(chǎn)水泥、混凝土等建筑材料，還可用于制備鈦合金、TiCl4和鈦白粉等（含鈦高爐渣），而用其來合成具有較高附加值的Sialon環(huán)境材料也取得了一定的進(jìn)展，該材料可作為新一代的耐火材料和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料。3.2.2大宗能源系富含硅鋁砰石尾礦合成Sialon大宗能源系富含硅鋁砰石尾礦主要是指在煤炭開采和洗選過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，也是我國年排放量和累計(jì)堆存量最多的工業(yè)固體廢棄物之一，煤砰石的礦物成分以粘土礦物和石英為主，主要化學(xué)成分是SiO2和Al2O3,一般還含有少量的MgO、CaO、Fe2O3、TiO2等。從成分上，煤砰石兼有煤、巖石和化工原料的性質(zhì)，是一種可利用的資源，已引起人們廣泛的關(guān)注。目前根據(jù)煤砰石所含不同的化學(xué)成分和礦物組成，有部分煤砰石可用來生產(chǎn)耐火材料，如煤砰石合成Sialon環(huán)境材料，不但改善了礦區(qū)環(huán)境，還能節(jié)約資源、減少占地，從而促進(jìn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。3.2.3電廠鋁硅鐵灰渣合成Sialon電廠鋁硅鐵灰渣（又稱粉煤灰）主要是指燃煤發(fā)電廠排放的固體廢棄物，其排放量逐年銳增。粉煤灰化學(xué)組成主要為Al2O3、SiO2和Fe2O3,可作為一種二次資源應(yīng)用于建材、建工、回填、高性能陶瓷材料（如Sialon陶瓷）等眾多領(lǐng)域。3.2.4高硅多雜江河淤泥沙合成Sialon高硅多雜江河淤泥沙作為一種有害的農(nóng)業(yè)水利固體廢棄物，同時(shí)也是一種可利用的寶貴資源，其礦物組成主要為石英、長石等，其主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3以及其它的一些化合物等，屬硅酸鹽類粘土礦物。利用淤泥沙并添加適量的其它輔助料，可以開發(fā)出一系列具有比較高的附加值的材料，而且涉及內(nèi)容廣泛，包括玻璃、陶瓷、水泥等。有利于保護(hù)耕地、節(jié)能利廢、保護(hù)和改善自然環(huán)境，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。3.2.5稀土及貴金屬伴生硅酸鹽選礦后尾礦合成Sialon稀土及貴金屬伴生硅酸鹽選礦后尾礦是指礦山開采所產(chǎn)生的廢石和尾礦等礦山固體廢棄物。在礦石日益貧化、資源日益枯竭、環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)的大環(huán)境下，尾礦作為二次資源的再利用問題已刻不容緩。對(duì)廢棄物加以利用，變廢為寶，既創(chuàng)造出新的社會(huì)財(cái)富，又消除了對(duì)環(huán)境的污染，是礦山廢棄物治理的理想途徑。目前，尾礦的開發(fā)利用主要有綜合回收有用成分、作為硅酸鹽原料進(jìn)行整體利用和用作充填材料等方式，在尾礦合成Sialon方面也取得了一定的進(jìn)展。3.2.6其它固體廢棄物合成Sialon粘土、膨潤土、高嶺土、蒙脫石等天然硅鋁系非金屬礦的尾礦也可用來合成Sialon材料。農(nóng)作物富硅稻殼也可用來合成Sialon材料。4結(jié)語要保持社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，更好的保護(hù)環(huán)境，就必須加強(qiáng)固體廢棄物的處理和綜合利用，大力開發(fā)二次資源。作為化學(xué)人的我們，綜合利用固體廢物的處理與創(chuàng)新研究其的資源利用技術(shù)，無疑會(huì)在保護(hù)環(huán)境、綜合利用、再資源化領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，創(chuàng)造出較大的社會(huì)、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。1孫平，柏益堯，左玉輝.南京市固體廢棄物循環(huán)利用規(guī)劃研究[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì),2006,5:031.2《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法