固体废物处理和利用(disposal and utilization of solid wastes)

消除或减轻固体废物对环境的污染并使其中的有价组分得到综合利用的过程。固体废物是指在社会的生产、流通、消费等一系列活动中产生的一般不再具有原使用价值而被丢弃的以固态和泥态赋存的物质。为了便于环境管理，国际上也将容器盛装的易燃、易爆、有毒、腐蚀等具有危险性的废液、废气，从法律角度上定为固体废物，执行固体废物管理法规，划入固体废物管理范畴。固体废物的分类通常按形态、化学性质、危害性、来源等来区分。按形态可分为固体(块状、粒状、粉状等)和半固体(泥状、浆状等)废物；按化学性质分为有机废物和无机废物；按它的危害状况分为有害废物和一般废物；为便于管理，按来源分为矿业固体废物、工业固体废物、城市垃圾、农业废弃物和放射性固体废物。也有人将矿业固体废物和工业固体废物统称为工业固体废物，是工业生产、加工，燃料燃烧，矿物采选、交通运输等行业，以及环境治理过程中所丢弃的固体、半固体物质的总称。“废物”是一个相对概念。在某一条件下为废物，在另一条件下却可能成为宝贵的资源，所以固体废物在某种意义上可被视为“二次资源”。固体废物的堆置不仅占用了大量土地，而且废物经雨雪淋溶浸出有害成分，使土壤污染，严重时导致地下水污染。倾人自然水体的固体废物，将造成水质严重污染和水生生物资源的破坏，甚至给防洪排涝和某些水利、水运工程带来威胁。粉状的固体废物，随风飞扬，污染大气。经济的不断增长，生产规模的不断扩大，人类需求的不断提高，随之而来的固体废物排出量也不断增加。目前，工业发达国家的工业固体废物每年平均以2％～4％的增长率增加。其主要发生源是冶金、煤炭、火力发电三大部门。固体废物的产生有其必然性。这一方面是由于人们在索取和利用自然资源从事生产和生活活动时，限于实际需要和技术条件，总要将其中一部分作为废物丢弃；另一方面是由于各种产品本身有其使用寿命，超过了一定期限，就会成为废物。

沿革    固体废物的处理和利用有悠久的历史，早在公元前3000～1000年，古希腊米诺斯文明时期，克里特岛的首府诺萨斯即有垃圾覆土埋人大坑的处理。但大部分古代城市的固体废物都是任意丢弃，年复一年，甚至使城市埋没。为了保护环境，古代有些城市颁布过管理垃圾的法令。古罗马的一个标志台上就曾写着“垃圾必须倒往远处，违者罚款”。英国于1384年颁布禁止把垃圾倒入河流的法令。苏格兰大城市爱丁堡18世纪设有大废料场，将废料分类出售。产业革命后，1874年英国建成世界第一座焚化炉，垃圾焚化后，将余烬填埋。1875年英国颁布公共卫生法，规定由地方政府负责集中处置垃圾。最早的处理方法主要是填埋或露天焚烧。中国、印度等亚洲国家，自古以来就有利用粪便和利用垃圾堆肥的处置方法。进入20世纪后，随着生产力的发展，人口进一步向城市集中，消费水平迅速提高，固体废物尤其是工业固体废物的排出量急剧增加，成为严重的环境问题。20世纪60年代中期之后，环境保护受到重视，污染治理技术迅速发展，大体形成了填埋、焚化、堆肥、海洋投弃、隔离堆存等一系列处置方法。20世纪70年代以来，美国、英国、联邦德国、法国、日本等国由于废物放置场地紧张，处理费用浩大，也由于资源缺乏，提出了“资源循环”的概念，由消极处理转向再资源化。为了加强固体废物的管理，许多国家设立了专门的管理机关和科学研究机构，研究固体废物的来源、性质、特征和对环境的危害，研究固体废物的处置、回收、利用的技术和管理措施，制定各种规章和环境标准。如日本颁布了《废弃物处理和清扫法》(如由1970年第137号法颁布，后经1974年第71号法修正)。美国于1976年颁布了《固体废弃物处置法》、1978年颁布了《资源保全回收法》，1980年颁布了《废油循环使用法》，同年在对以上三个法规进行修正后又颁布了《固体废物处置法》。英国于1974年颁布了《污染控制法》。中国于1973年11月17日公布《工业“三废”排放试行标准》。在对固体废物特别是工业固体废物处理技术的研究方面，借鉴于冶金、采矿、选矿、化工、建材、生物工程等学科的知识、逐步形成了自身独特的技术领域，成为环境工程的重要组成部分。如在冶金工业中对7台金矿山固体废物处理和利用、冶金渣处理和利用、有色金属熔铸渣处理和利用、放射性废渣处置、废水沉渣处理、废触媒处理、粉煤灰处理和利用、工业粉尘处理和利用等方面都有所发展和进步。

资源化处理技术    从固体废物中回收有用的物质和能源的管理或工艺措施。固体废物资源化是固体废物的主要归宿，它具有综合利用量大、资源利用率高、节约资源和能源、减轻环境污染等优点。以开发1t有色金属为例：中国要获得1t有色金属，平均要开采出33t矿石，剥离26.6t围岩，消耗成百吨水和8t左右的标准煤，产生几十吨的固体废物以及相应的废气和废水。如将废有色金属利用，就可以节约大量的资源和能源。工业固体废物资源化的途径有回收和提取有用的金属材料、非金属材料、生产建材材料、生产农肥和回收能源。其处理技术涉及物理学、化学、生物学、机械工程等学科。主要的处理技术有物理处理、化学处理、生物处理、热处理和固化处理。

物理处理    用浓缩或相变化改变固体废物的结构，使之成为便于运输、贮存、利用或处置的形态。物]80理处理方法包括压实、破碎、分选、增稠以及污泥脱水等。物理处理也常常作为回收固体废物中有价物质的重要手段加以采用。(1)压实。亦称压缩，即是利用机械的方法增加固体废物的聚集程度，增大容重和减少体积，便于装卸、运输、贮存和填埋。固体废物中适合压实处理的主要是压缩性能大而复原性小的物质，如金属加工出来的金属细丝，金属碎片、冰箱与洗衣机、以及纸箱、纸袋、纤维等。(2)破碎。利用外力克服固体废物质点间的内聚力而使大块固体废物分裂为小块的过程。使小块固体废物分裂为细粉的过程则称为磨碎。在需要破碎的废物中，大多数呈现脆性，废物在断裂之前的塑性变形很小。但也有一些需要破碎的废物在常温下呈现较高的韧性和塑性，用传统的破碎机难以破碎，需要采取特殊的措施。例如，废橡胶在压力作用下能产生较大的塑性变形而不断裂，但可利用其低温变脆的性能而有效地破碎。按破碎固体废物所用的外力，即消耗能量的形式可分为机械能破碎和非机械能破碎。前者是利用破碎工具对固体废物施力而将其破碎的，后者是利用电能、热能等对固体废物破碎的新方法，如低温破碎、热力破碎、减压破碎及超声波破碎。(3)分选。根据物质的粒度、密度、磁性、电性、光电性、摩擦性、弹性以及表面润湿性的不同而将固体废物的有用组分和无用组分或具有不同用途的组分分离的方法。可分为筛选(分)、重力分选、磁力分选、电力分选、光电分选、摩擦及弹性分选，以及浮选等。分选的目的是将其中可回收利用或不利于后续处理、处置工艺要求的物料分离出来。(4)增稠。亦称浓缩。即为降低污泥和泥浆废物的含水率而采取的工艺方法，是污泥资源利用与最终处置的必要的前期准备工作。目前增稠的主要方法有重力沉降浓缩法、气体浮上浓缩法和离心浓缩法。其中以重力沉降浓缩法的利用最为普遍。(5)污泥脱水。为了满足综合利用或进一步处置的要求，对浓缩后的污泥，应进行脱水处理。脱水方法可分为机械脱水和自然脱水两大类。机械脱水方法效率高，占地面积少，一般比较常用，但投资较贵。

化学处理    采用化学方法破坏固体废物中的有害成分从而达到无害化，或通过化学转换回收固体废物中的有用物质和能源、或将其转变为适于进一步处理、处置的形态。化学反应条件复杂、影响因素较多，故化学处理方法通常只用在所含成分单一或所含几种化学成分特性相似的废物处理方面。化学处理方法包括氧化还原、中和、化学沉淀和化学溶出等方法。(1)氧化-还原法。利用氧化-还原反应将溶解于废液中的有毒物质转化为无毒或微毒物质。(2)中和法。利用酸碱中和以调解废液的pH值，使达中性。实际的中和过程是根据最终所需的pH值而向酸性物质中加碱或向碱性物质中加酸来完成的。(3)化学沉淀法。向溶液中投加沉淀剂，使溶质变为溶度积小的难溶化合物，然后予以分离除去。(4)化学溶出法。选择适当的化学溶液(如酸、碱、盐水溶液)与固体废物作用，使其中的有用组分选择性溶解(也有少数情况是杂质组分溶解)的化学过程。处理过程包括前处理、浸出和浸出液精制过程。它可以处理含金、银、铜、锌、钴、锰、钼、砷、锑等固体废物和尾矿，也可以提纯石墨、高岭土、金刚石等非金属矿。按浸出剂的不同，浸出方法可分为酸浸、碱浸、盐浸、氰化浸、细菌浸(浸出液为硫酸铁、菌种及硫酸)和水浸。

生物处理    利用微生物分解固体废物中可降解的有机物，从而达到无害化或综合利用。固体废物经过生物处理，在容积、形态、组成等方面，均发生重大变化，因而便于运输、贮存、利用和处置。生物处理方法包括好氧处理和厌氧处理。(1)好氧处理。利用好氧性微生物及兼性微生物，分解固体废物中可降解的有机物，使之达到无害化或综合利用。(2)厌氧处理。也称厌氧发酵或甲烷发酵，它是利用厌氧性微生物及兼性微生物，分解固体废物中可降解有机物，使之转化为甲烷(或称沼气)的过程。好氧处理和厌氧处理由于其参与反应的微生物类别不同，因而各自对环境条件的要求也大相径庭。好氧处理要求供给足够的氧，而厌氧处理却严格要求厌氧条件。与化学处理方法相比，生物处理一般在经济上比较便宜，应用也相当普遍，但处理过程一般所需时间较长，处理效率不够稳定。

热处理    通过高温破坏和改变固体废物的组成和结构，同时达到减容、无害化或综合利用的目的。热处理方法包括焚化、热分解、湿式氧化以及焙烧、烧结等。(1)焚化。利用高温、热氧化作用减少固体废物的体积，降低固体废物毒性或危害的处理工艺。焚烧的主要产物是二氧化碳、水蒸气和灰分，焚烧产生的有害产物是含硫、氮、卤素和重金属(汞、砷、硒、铅和镉)的化合物。焚烧法不仅有利于减少废物的体积及清除危险的有机化合物，同时还提供了回收副产品和废热的机会。(2)热分解。利用有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下受热分解的过程。它与焚烧法相比是两个完全不同的过程。热分解的主要产物是可燃的低分子化合物：气态的有氢、甲烷、一氧化碳；液态的有甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等；固态的主要是焦炭和碳黑。热分解的产物是燃料油和燃料气，便于贮藏及远距离输送。(3)湿式氧化。溶解的或悬浮的有机物质在高温和高压下进行液相氧化。水组成了液相的大部分体积，用它来促进氧化反应使其能在较低的温度(170～340℃)下进行，同时用它来缓和氧化速率，通过蒸发除去过剩的热量。水也提供了一个极好的热传递媒介，它使得湿式氧化过程能在较低的有机进料浓度下进行热量的自我维持。(4)焙烧。又称高温烧成法，是在高温下，利用窑炉把固体废物焙烧，生产金属或硅酸盐材料(如水泥、砖等)的处理方法。(5)烧结。将粉状或粒状物料经加热至一定温度范围而固结的过程。物料经烧结发生物理、化学变化以改变其物理、化学性质(如强度、密度、晶体结构、成分等)。

固化处理    采用固化基材将固体废物固定或包覆起来以降低其对环境的危害，因而能较安全地运输和处置的一种处理过程。固化处理的对象主要是有害废物和放射性废物。固化过程有的是将有害废物通过化学转化或引入某种稳定的晶格中的过程，有的是将有害废物用惰性材料加以包容的过程；有的兼容上述两种过程。固化时所用的惰性材料称为固化剂。固化技术可按固化剂分为水泥固化、沥青固化、塑料固化、玻璃固化、石灰固化、水玻璃固化等。(1)水泥固化。以水泥为固化剂将有害废物进行固化的一种处理方法。(2)沥青固化。以沥青固化剂与有害废物在一定的温度、配料比、碱度和搅拌作用下产生皂化反应，使有害废料均匀地包容在沥青中，形成固化体。沥青固化一般用于处理中、低放射水平的蒸发残液，废水化学处理产生的沉渣，焚烧炉产生的灰烬、塑料废物、电镀污泥、砷渣等。(3)塑料固化。以塑料为固化剂与有害废物按一定的配料比，并加入适量的催化剂和填料(骨料)进行搅拌混合，使其共聚合固化而将有害废物包容形成具有一定强度和稳定性的固化体。塑料固化可以在常温下操作；为使混合物聚合凝结仅加入少量的催化剂即可；增容比和固体化的密度较小。它既能处理干废渣，也能处理污泥浆。其主要缺点是塑料固化体耐老化性能较差，混合过程中释放有害烟雾、污染周围环境。(4)玻璃固化。以玻璃原料为固化剂，将其以一定的配料比混合后，在高温(900～1200℃)下熔融，经退火后即可转变为稳定的玻璃固化体。玻璃固化法主要用于高放废物。与高放废液的其他固化法相比，玻璃固化法所形成的固化体致密，在水及酸、碱溶液中的浸出率小，增容比小并具有较高的导热性，热稳定性和辐射稳定性。缺点是装置较复杂，处理费用昂贵、工作温度较高、设备腐蚀严重，以及放射性核素挥发量大等。(5)石灰固化。以石灰为固化剂，以粉煤灰、水泥窑灰为填料，专用于固化含有硫酸盐或亚硫酸盐类废渣的一种固化方法。它适用于固化钢铁、机械的酸洗工序所排放的废液和废渣、电镀污泥、烟道脱硫废渣、石油冶炼污泥等。该法所使用的填料来源丰富，价廉易得，操作简单，处理费用低。其主要缺点是增容比大，固化体易受酸性介质浸蚀，需对固化体表面进行涂覆。(6)水玻璃固化。以水玻璃(又名硅酸钠，俗称泡化碱)为固化剂，无机酸类(如硫酸、硝酸、盐酸和磷酸)为助剂，与有害污泥按一定的配料比进行中和与缩合脱水反应，形成凝胶体，将有害污泥包容，经凝结硬化逐步形成水玻璃固化体。水玻璃法具有工艺操作简便、原料价廉易得、处理费用低、固化体耐酸性强、抗透水性好、重金属浸出率低等特点。

固体废物处置方法    指最终处置(final disposal)或安全处置的技术，它是固体废物污染控制的末端环节，是解决固体废物的归宿问题。一些固体废物经过处理和利用，总还有部分残渣存在，而且很难再加以利用，这些残渣往往又富集了大量的有毒有害成分；还有些固体废物尚无法利用，它们都将长期地保留在环境中，是一种潜在的污染源。为了控制其对环境的污染，应进行最终处置，使之最大限度地与生物圈隔离。固体废物处置方法包括海洋处置和陆地处置两大类。

海洋处置方法    根据处置方式、海洋处置分海洋倾倒和海洋焚烧两类。(1)海洋倾倒。选择距离和深度适宜的处置场，将废物直接倒人海洋。海洋倾倒在20世纪60年代是美国高放射性废物的主要处置方法。(2)海洋焚烧。利用焚烧船在远海对固体废物进行处理处置的一种方法。其法律定义系指以高温破坏为目的而在海洋焚烧设施上有意地焚烧废物或其他物质的行为。它适于处理处置各种含卤素有机废物，如含氯有机废物PCBs。海洋处置具有填埋处置的显著优点而又不需要填埋覆盖。为此，美国、日本及欧洲经济共同体成员国都进行过海洋处置。对此处置方法在国际上尚存有很大争议，中国基本持否定态度。对海洋处置主要存有两种看法：一种观点认为，海洋具有无限的容量，是处置多种工业废物的理想场所，处置场的海底越深，处置就越有效；对于海洋焚烧，则认为，即便不是一种理想方法，也是一种可接受的方法。另一种观点认为，这种状态持续下去会造成海洋污染，杀死鱼类、破坏海洋生态。生态问题是一个长期才显现变化的问题，短时期内对海洋处置所造成的污染虽很难得出确切结论，但也必须充分加以考虑。

陆地处置方法    基于土地对固体废物进行处置的方法。根据固体废物的种类及其处置的地层位置，陆地处置主要有土地填埋和深井灌注处置。(1)土地填埋处置。是以传统的堆放和填地处置发展起来的一项最终处置技术，至今尚无统一的定义，它是一项综合性土工处置技术。具有工艺简单、成本较低、适于处置多种固体废物的优点，是固体废物最终处置的一种主要方法。采用较多的是卫生土地填埋、安全土地填埋和浅地层埋藏法。卫生土地填埋是处置一般固体废物，而不会对公众健康及环境安全造成危害的一种方法，主要用来处置城市垃圾。安全土地填埋是一种改进的土地填埋方法，又称为化学土地填埋或安全化学土地填埋。它主要用来处置有害废物，因此对场地的建造技术要求更为严格。如土里的渗透系数要小于8.64×10^-6m/s，浸出液要加以收集和处理，地表径流要加以控制等。浅地层填埋处置是指地表或地下的、具有防护覆盖层的、有工程屏障或没有工程屏障的浅埋处置，埋藏深度一般在地面下50m以内。浅地层埋藏处置适于处置中低放固体废物，投资较少，在国外应用很广。(2)深井灌注处置。把液状废物注入到地下与饮用水和矿脉层隔开的可渗透性的岩层中的一种处置方法。一般废物和有害废物，都可采用深井灌注方法处置，此法主要是用来处置那些难以破坏、难于转化、不能采用其他方法处置，或者采用其他方法费用昂贵的废物。不过也有人认为这种处置方法缺乏远见，担心深井一旦产生裂隙可能导致蓄水层的污染。

综合利用现状    随着20世纪70年代中期出现的世界性石油危机以及对固体废物认识的深入，对待固体废物的方针也从消极处置，转为积极利用，把废物视为一种加以循环利用的资源。对于城市垃圾，采取分选回收方法，利用废物的化学、物理性质等的不同，进行分选。再用干法、水浆机法、高温或中温分解法等处理，从中回收金属、玻璃、造纸原料、塑料等，垃圾作为辅助燃料或在焚化垃圾过程中回收热能和可燃气体发电等。对于工业废渣，大多作为资源开展综合利用。美国自20世纪70年代以来，已将每年排出的4000多万t钢铁渣，全部加工利用；英国、法国、日本、联邦德国、瑞典、比利时等国的高炉渣也已全部利用；原苏联的利用率达70％。丹麦、日本等国的煤灰渣已全部利用。日本1974年已有25.3％的城市(145个城市)开展了从垃圾中分选回收物品的业务活动，1976年回收废物3900万t，占当年排出废物量的49.5％。中国水淬矿渣几乎已全部利用，现有30多座钢渣水泥厂，年产钢渣水泥几百万吨，用钢渣100多万t。粉煤灰用于建材、筑路、回填等现每年约120多万t。相对而言，中国废物资源利用率很低，以工业固体废物为例，1991年的利用率仅为18.6％。中国“再生资源”流失造成的直接经济损失达每年2504300亿元，如不大幅度提高回收利用率，预计到2000年，造成的经济损失将高达400～450亿元。

发展趋势    为了保护环境和发展生产，许多国家不断采取新措施和新技术来处理和利用固体废物。矿业废物从在低洼地堆存，发展为矿山土地复原，安全筑坝等。工业废物从消极堆存，发展到综合利用。城市垃圾从人工收集、输送发展到机械化、自动化和管道化收集输送；从无控制的填埋，发展到卫生填埋、滤沥循环填埋；从露天焚化和利用焚化炉，发展到回收能源的焚化、中温和高温分解等；从压缩成型发展到高压压缩成型。城市有机垃圾和农业有机废物还用于制取沼气和回收能源。工业有害渣从隔离堆存发展到化学固定、化学转化以防止污染。总的趋势是从消极处置转向积极利用，实现废物的再资源化。中国的固体废物污染控制工作起步较晚，开始于20世纪80年代初期。由于技术力量和经济能力有限，近期内还不可能在较大的范围内实现资源化。为此，中国于20世纪80年代中期提出了以“资源化”、“无害化”、“减量化”作为控制固体废物污染的技术政策，并确定在今后较长一段时间应以“无害化”为主。将固体废物中可利用的那部分材料，充分回收利用无疑是控制固体废物污染的最佳途径，但它需要较大的资金投入，并需要有先进的技术作先导。中国固体废物发展利用的发展趋势必然是从“无害化”走向“资源化”，“资源化”是以“无害化”为前提，“无害化”和“减量化”则应以“资源化”为条件。

无害化其基本任务是将固体废物通过工程处理，达到不损害人体健康，不污染周围的自然环境(包括原生环境与次生环境)。废物“无害化”处理工程已经发展成为一门崭新的工程技术。诸如，垃圾的焚烧、卫生填埋、粪便的厌氧发酵，有害废物的解毒处理和热处理等。

减量化其基本任务是通过适宜的手段减少和减小固体废物的数量和容积。这一任务的实现，要从减少固体废物的产生和对固体废物进行处理利用两个方面着手。减少固体废物的产生，属于物质生产过程的前端，需从资源的综合开发和生产过程中物质资料的综合利用着手。对固体废物进行处理利用，属于物质生产过程的末端，即为固体废物资源化。实现固体废物“减量化”，必须从“固体废物资源化”延伸到“资源综合利用”上来，其工作重点包括采用经济合理的综合利用工艺和技术，制定科学的资源消耗定额等。