废弃资源再生利用：解决环境问题的有效方法

废弃资源是指在生产、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固态物质。 根据其来源分类,可分为生活废弃物、工业固体废弃物和农业固体废弃物。固体废物可经过一定的技术环节,转变为有关行业中的生产原料,甚至可以直接使用。 因此,固体废物的概念和属性可随时间、空间的变迁而具有相对性。 由于生活废弃物和农业固体废弃物主体物相成分基本不含天然矿物相,所以本书讨论的固体废物仅局限在工业固体废弃物的范围。 工业固体废弃物是工业生产过程中排入自然环境的各种废渣、粉尘及其他废物。 可分为一般工业废物(如采矿废石、矿山尾矿、高炉渣、钢渣、赤泥、有色金属渣、粉煤灰、煤渣、硫酸渣、废石膏、盐泥等)和工业有害固体废物。

1)废弃资源循环利用研究内容与学科基础

固体废物作为一种“混合复杂资源”,按其资源化应用进行分类,可分为能源型固体废物,矿产资源型固体废物,功能产品型固体废物。 能源型固体废物,是指其资源化途径主要转化为能源,包括有机固体废物(农作物秸秆、枯枝落叶)和低等矿产能源(煤矸石)等;矿产资源型固体废物,是指其资源化途径主要提取有用组分(金属或非金属),包括低品位矿、尾矿、电子废弃物、工业废渣等;功能产品型固体废物,是指其资源化途径主要为直接开发功能产品,如环境友好材料,是前两种固废最后循环利用的最终途径。 固体废物资源循环利用模式见图1.6。 固体废物资源循环利用要从微观层次的矿物学、胶体与界面化学和多元多相体系的矿物资源加工、冶金等方面进行系统的研究。 主要研究内容和方向包括:

①固体废物的化学成分、物相组成、有用组分、分布特征、有用成分与物相的富集特征与方式及它们之间的关系,主要包括固体废物矿物学、工艺矿物学、岩石学等。

②设计并优化加工提纯的流程;查明共伴生组分的特征,提出综合利用的技术方案;查明有用、有害元素的组成特点,指导废弃物利用和无害化处理。 这些内容是提高资源利用效率的关键指标。

③固体废物资源中金属和非金属物质的结合特性与解离特性研究,探讨无机混合体或有机无机复合体(如废弃电子垃圾)的机械破碎性能及粉碎机制,粉碎与分选方式选择与优化(如用自动图像分析法研究物相的结构和解离特征)等,包括固体废物资源中特定颗粒在各种物理场中选择性分离行为,在各种化学场或过程中选择性化学反应或溶出行为,以及微生物浸出、改性行为,并对其质量、环境安全性和经济性进行评价。

④固体废物循环利用途径、资源物性评价及全过程生态设计,包括固体废物目标产物定位及再生过程工艺设计,再加工—再生产—再使用—再循环的多层次闭路循环利用方式,“资源—产品—再生资源”的高级流动过程全生命周期过程评价,矿物资源的精开采、低消耗、低排放、高效率实现的技术途径。

⑤固体废物深加工与增值方法与技术研究,包括减量化、再利用、再循环、替代和修复方法与技术研究;二次资源和“非传统”矿物资源范围、循环利用深加工、增值方式与技术;固体废物直接转化为功能材料的制备过程理论和可控制备技术研究;天然矿物成分配方和结构特征设计新型非金属材料应用研究。

⑥固体废物有害组分含量、赋存特征、固定方式,各种介质中的溶出与迁移行为研究;固体废物有害组分资源转化与加工作用过程中的富集、赋存变化、矿物固定方法、转移行为与预防措施研究;各种固体废物有害组分综合生态环境安全性评价;特种废物资源利用与安全性研究如放射性废物的固化和处置理论及技术研究。

图1.6　固体废弃物资源循环利用图

废物资源化研究理论与方法已大大超越了传统地质与矿业科学、环境科学与工程的范畴是基于地质学、矿物加工、化学、生物学、物理学、材料科学、环境科学等学科相互交叉与渗透,废物资源化中的诸多理论与方法与矿物学、岩石学、地球化学有紧密的联系,势必进一步拓宽传统资源、矿业、材料、环境的研究视野和空间,推动新的研究领域和交叉学科发展。 作为一门新兴的不断交叉融合的综合性学科,固体废物资源循环还涉及农学、系统工程学和资源经济学等。 这些关联学科为固体废物资源循环利用的技术创新和工业化应用提供有力的理论基础。

图1.7　固体废物资源循环利用学科关系和转化关系

但从应用研究的角度看,固体废物资源循环利用的出路和归宿是在满足环境绿色安全的前提条件下,尽可能把固体废物转化开发为矿物资源和直接使用的各类材料,它们的学科关系和转化关系如图1.7 所示。 因此,在固体废物资源循环利用的过程中必然会运用和产生与环境—矿物—材料等相关领域的边缘和交叉学科,如生态环境矿物材料。 固体废物的原料、组织结构、性质、产生/制备、使用效能和理论及工艺设计,即固体废物研究内容“六要素”,若要实现“矿物原料”为中心的转化目标,即“矿物原料”的目标要求对其他5 个内容要素就有重要影响;上述“六要素”调控也可实现固体废物转化为“矿物材料”的中心目标,这时其中的“制备、理论及工艺设计”要素更能体现这个过程特点。 要克服固体废物难利用、高成本的不足,就要瞄准开发功能矿物材料(包括环境矿物材料、光功能矿物材料、电功能矿物材料、声功能矿物材料、生物医用矿物材料)、结构矿物材料(包括矿物聚合材料、矿物摩擦材料、矿物复合材料)和纳米矿物材料,特别是纳米科技的引入与应用在固体废物综合利用上已展现出非常诱人的前景。 另外,大量非金属类的固体废物开发需要成为新型领域和特种环境应用延伸,如高效吸附极低浓度SO2、COx、NOx(x=1,2)材料,精纯材料(如多晶硅),太空舱转型分子筛,航天航空深海特种矿物材料等。

2)资源利用现状

2016年全国一般工业固体废物产生量30.9 亿t,综合利用量19.9 亿t,储存量5.8 亿t,处置量7.3 亿t,倾倒丢弃量56 万t,综合利用率为64.4%。 目前全国工业固体废弃物堆存占地面积达100 多万亩,其中农田约10 万亩。 这些固体废物如不被利用,不仅占用土地资源,还造成严重的大气污染、土壤污染和水资源污染,还将严重危害自然环境和人类健康。 固体废物种类繁多,矿物成分和化学成分复杂多变,物理性质也千差万别,难以通过常规方法处理。 固体废弃物中化学成分的富集可引起环境地球化学异常,影响生态环境,因此需要研究固体废弃物资源循环利用理论和技术,使之成为可被利用的原材料,即实现清洁资源化利用。

我国典型基础产业消耗大量的是矿产资源,每年生产钢铁约7 亿t;电解铝约2 000 万t(约占世界1/2);水泥约18 亿t;耐火材料约2 800 万t,还有陶瓷、玻璃等产品,均为全球之最。 2012年我国铁矿石进口量7.4 亿t,对外依存度达71%;铜、铅、锌消费量分别占到世界的39%、44%和44%,而铜资源的自给率仅40%,铅、锌不足70%;锑、钨、锡资源储量分别占世界的38%、64%和30%,而消费量达到世界的91%、81%和45%。 近几年来矿物资源对外依存度快速上升。 我国矿产资源共伴生金属资源储量丰富,但现有技术对多金属矿床中的共伴生金属综合利用率还很低,60% ～70%的共伴生资源并未得到合理高效利用。 而危机矿山不断增多,如我国25 种主要金属的415 个大中型矿山目前已关闭38 个,占大中型矿山总数的9%;严重危机矿山54 个,约占13%;又如稀土矿石“三率”水平(开采回收率、采矿贫化率、选矿回收率)仅为世界平均水平的70%,离子型稀土矿开采回收率不到50%等,导致大量资源沉淀在矿山废物中。

难利用矿产资源是未来我国矿产资源保障的重要支撑。 目前我国至少有60 亿t 铁矿、20 亿t锰矿、200 万t 钼矿、500 万t 铜矿处于呆滞状态。 矿产资源的综合利用率低,综合利用有效组分在70%以上的矿山仅为2%,达到50%的矿山不到15%,而低于25%的矿山则高达75%。 这导致我国金属矿山累计存储的废石、尾矿超过50 亿t,且以每年超过3 亿t 的速度在增长,尾矿的平均利用率只有8.2%。 因此,加强这些废物资源化和循环利用,对有效解决我国经济快速发展中日益突出的环境资源问题,提高资源利用率,建设资源节约型、环境友好型社会,实现我国新型工业化道路和社会经济可持续发展具有重大意义。

(1)资源减量化利用现状(www.xing528.com)

矿产资源减量化利用主要是指在经济活动中尽量减少矿产资源的消耗和废弃物的产生,不断提高资源的利用效率,它要求在经济活动的源头就开始注意节约资源,减少污染,在生产阶段要尽量避免各种废物的排放。 对生产过程而言,企业要通过技术改造、采用先进生产工艺或实施清洁生产,以减少单位产品生产所使用的原料、能量和污染物的排放,倡导产品小型化、轻型化。 对消费过程而言,减量化原则要求人们改变消费至上的生活方式,变过度消费为适度消费和绿色消费,倡导人们追求崇尚环境友好的高质量的生活方式,选购包装简单、耐用和可循环使用的物品等。

我国自20 世纪70年代以来,陆续制定了一系列鼓励开展资源综合利用的政策措施,对国家的矿产资源循环利用有较大的推进。 现阶段,国家矿产资源的减量化利用主要表现在以下几个方面:

①规划建设项目的环境影响评价:1973年第一次全国环境保护会议后,环境影响评价的概念开始引入中国。 1979年9月,全国人大常委会通过了《中华人民共和国环境保护法(试行)》,把环境影响评价和建设项目“三同时”作为法律制度确立下来。 2003年9月1日《中华人民共和国环境影响评价法》正式实施,其他配套管理措施和法规也渐趋完善,标志着中国的环境影响评价制度进入了一个新的发展阶段。 环境影响评价是指对规划和建设项目实施后可能造成的环境影响进行分析、预测和评估,提出预防或者减轻不良环境影响的对策和措施,进行跟踪监测的方法与制度。 环境影响评价是一项技术,是正确认识经济发展、社会发展和环境发展之间相互关系的科学方法,对确定经济发展方向和保护环境等一系列重大决策上都有重要作用。 环境影响评价在治理老污染源与控制新污染源、协调经济发展与环境保护、实现资源可持续利用与社会可持续发展等方面有着不可替代的作用,所以越来越引起社会各方面的广泛关注,在环境管理中的作用越来越突出。 近年来,随着我国环境影响评价体系的逐步确立,环境影响评价实践的发展变化有几个明显特点:一是形成了一支稳定的环境影响评价专门力量;二是编制了各种评价技术导则;三是形成了基本固定的专家审查队伍和报告书审查方法;四是形成了基本固定格式和固定内容的报告书。

②推行清洁生产:我国在20 世纪70年代提出“预防为主、防治结合”的工作原则,提出工业污染要防患于未然。 20 世纪80年代在工业界对重点污染源进行治理取得了工业污染防治的决定性进展。 20 世纪90年代以来强化环保执法,在工业界大力进行技术改造,调整不合理工业布局、产业结构和产品结构,对污染严重的企业推行“关、停、禁、改、转”的工作方针。1992年联合国环境与发展会议通过的《21 世纪议程》,将清洁生产视为实现可持续发展的重要措施。 1993年10月在上海召开的第二次全国工业污染防治会议上,国务院、国家经贸委及国家环境保护总局的领导提出清洁生产的重要意义,明确了清洁生产在我国工业污染防治中的地位。

清洁生产是指对产品和生产过程持续运用整体预防的环境保护策略,是在末端治理之后污染防治方面的一次理论创新。 传统的发展模式不仅造成了生态环境的极大破坏,而且浪费了大量的能源,加速了自然资源的耗竭,使发展难以持久;而且以末端治理为主的工业污染控制政策忽视了全过程污染控制,不能从根本上消除污染。 清洁生产谋求在工业生产过程中和产品设计过程中,自然资源和能源利用最合理化、经济效益最大化、把生产活动和预期的产品消费活动对环境的负面影响降至最小化。

③进行节能减排:国家推行节能减排战略,坚持节约发展、清洁发展、安全发展,是实现经济又好又快发展的正确道路;另外,加强节能减排工作,也是应对全球气候变化的迫切需要。温室气体排放引起的全球气候变化,备受国际社会广泛关注。 我国是以煤炭为主的能源生产大国和消费大国,减少污染排放,降低温室效应也是我国应承担的责任。 《“十三五”节能减排综合工作方案》中提出了节能减排的约束性指标,即到2020年全国万元GDP 能耗要比2015年下降15%左右,主要污染物SO2、COD(化学需氧量)排放总量要比2015年减少15%和10%。 党的十七大报告也指出:“坚持节约资源和保护环境的基本国策,关系人民群众切身利益和中华民族生存发展。 必须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置,落实到每个单位、每个家庭。”

④应对全球气候变化进行碳减排:全球气候变暖已经严重威胁到人类的可持续发展,国际社会和我国均采取措施应对全球气候变化、减少碳排放、降低温室效应。 国际原子能机构(IAEA)相关研究表明,在整个能源链的温室气体排放中煤、石油和天然气一次能源消耗产生的温室气体最多。

《中国应对气候变化的政策与行动白皮书》中,指出我国应对气候变化的指导思想是:全面贯彻落实科学发展观,坚持节约资源和保护环境的基本国策,以控制温室气体排放、增强可持续发展能力为目标,以保障经济发展为核心,加快经济发展方式转变,以节约能源、优化能源结构、加强生态保护和建设为重点,以科学技术进步为支撑,增进国际合作,不断提高应对气候变化的能力。

(2)资源的资源化利用现状

自然资源是人类赖以生存的基础。 而解决复杂资源和挑战新的资源领域,实现二次资源的资源化,是摆在我们面前刻不容缓的历史重任,也是缓解资源衰竭速度,提升资源承载能力的重要途径。

①矿业废固资源利用:我国对矿产二次资源的回收利用和无害化处理起步较晚,据不完全统计,截至“十五”规划末,全国矿山产生的各类废石达162.3 亿t。 其中,煤矸石35.6 亿t,铁矿废石94 亿t,有色金属矿废石25 亿t,金矿废石4.6 亿t,化工矿废石3 亿t。 全国矿山累计堆存尾矿50 亿t,并以每年排放3 亿多吨的速度递增。 其中,铁矿尾矿26 亿t,有色金属矿尾矿2l 亿t,金矿尾矿2.7 亿t,化工矿尾矿0.3 亿t。 大量有用资源进入尾矿、废石中,使其成为可进一步综合开发分砂石使用,多数用作水泥掺合料或建筑材料使用。 钢渣虽然作为农用肥料和土壤改良剂进行了研究和开发,但主要还是简单地利用其中的一些有效成分,如CaO、MgO、SiO2和P2O5,其肥效低,应用范围较小。 另外,冶金渣虽已经被用于水泥生产,但冶金渣的活性远不及硅酸盐水泥的活性,其许多内在关系和机理尚未查清。 当前,我国高炉渣的回收利用率为80%左右,同比德国回收利用率为99%,日本为97%。 我国利用率相对较低。 20世纪70年代后,工业发达国家,如英、美等国家几乎将高炉渣100%全部利用,而我国至目前仍不能充分利用,尤其是不能高效利用。

②有色金属的循环利用:我国铜、铅、锌资源保有年限约为10年,铝土矿铝硅比在7 以上的储量保有年限也仅为10年左右。 只有大力开发有色冶炼固体二次资源才能保证我国有色工业的可持续发展,我国目前有色金属加工业每年产生的各种废渣达3 175 万t,这类炉渣主要是铜渣、铅锌渣和镍渣,主要成分为SiO2,大多数做水淬处理。 目前75%的铜渣和50%的铅锌渣用作水泥原料,60%镍渣作填埋,现亟待提升其综合利用率。 有色金属冶炼废渣品种多,成分复杂,有价元素含量高,其蕴藏的经济效益巨大。

锌是目前世界上循环利用较好的金属之一。 在我国随着镀锌钢材及其他锌铅防腐钢材消费量的增加以及钢铁厂废钢消耗量的不断提高,钢铁企业含锌粉尘的产量和其中的锌含量也不断增加,高锌尘泥主要来源于高炉瓦斯泥(或灰)、转炉二次除尘灰、电炉粉尘等,其回收利用价值很高。 目前对锌含量小于l%的冶金尘泥,主要用于烧结配料,实现内部循环。 而高锌的含铁尘泥[W(Zn)≥1%]一般以露天堆放为主。

在铅锌冶炼中,有毒固体废弃物数量占2%左右,如铅冶炼含砷烟尘及砷钙渣、湿法炼锌浸出渣、中和净化渣等。 另外8%左右的低毒性固体废弃物。 无毒固体废料占总固体废料的90%左右,如铅水淬渣、锌蒸馏罐渣和湿法炼锌挥发窑渣等,这部分废料常用于水泥配料和路基用料等。 围绕上述各类含锌废渣和尘泥的资源化方法,目前有磁选法、回转窑法、转炉底法及其他综合利用处理技术。 在再生铝技术装备方面与发达国家相比差距较大,发达国家的回收企业采用先进的预处理技术对废铝进行有效分选和分类,对含油、水、铁等杂质的废铝进行切屑、干燥、净化除杂和分检处理,在资源的最佳配置上获取最大化利益,我国目前尚无此类处理厂家。

③化工固体资源循环利用:化工固体废弃物种类多,有毒物质含量高,产生量大。 一般每生产1 t 产品就会产生1 ～3 t 固体废弃物,有的甚至高达12 t 之多。 化工固废中有相当部分具有剧毒性和腐蚀性,尤其是危险废物中有毒物质对环境和人类会构成巨大威胁,必须对其进行处理。 对化工固体二次资源进行加工处理,不仅可回收废物中有用物质从而获得经济效益,而且也可取得良好的环境效益。

近20年来,我国加大了在生产工艺中更新设备,改进操作方式,推行无废或低废工艺的力度,尽可能把污染消除在生产过程中。 生产苯胺的传统工艺采用铁粉还原法,生产过程中产生大量含有硝基苯、苯胺的铁泥废渣和废水,造成环境污染和资源浪费。 通过成功开发出加氢法制苯胺新工艺后,铁泥废渣产生量由原来的2 500 kg/t 减少到5 kg/t,产品产生的废水量由4 000 kg/t 降到400 kg/t,能耗减少50%,苯胺回收率达到99%。

加强综合利用,重视对固废的回收或将其转化为有用产品。 对有色金属含量较高的硫酸渣采取适当技术,在获得硫酸渣精矿的同时获取金和银,使这一类固废得到综合回收和高效利用。 磷化渣含较高的PO3-、Fe2+和Zn2+,通过一系列物理化学方法对其进行再利用,可制备出磷酸三钠、脱脂剂、除油除锈剂、磷化液、防锈颜料、铺路建筑填料、氨硫除臭剂等。 另外,在对化工固体二次资源处理中,努力实现固废无害化技术。 如通过焚烧、热解、化学氧化等方式,改变固废中有害物质的性质,使其转化成无毒无害物质。

④废水资源循环利用:我国废水资源化进程起步较晚,目前废水资源化量还不到工业用水量的10%。 在“七五”“八五”“九五”3 个五年计划中,我国完成了中水回用技术的储备工作和示范工程建设,科技部、建设部共同制定的《城市污水再生利用技术政策》中明确,我国城市污水再生利用的总体目标是充分利用城市污水资源、削减城市水污染负荷、节约用水、促进水的循环利用、提高水的利用效率。 中国再生水利用率仅占污水处理量的10%左右,与发达国家70%的利用率相比还有相当大的差距。 《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》提出,到2020年年底,我国缺水城市再生水利用率不低于20%。 从可持续发展的角度看,推进污水资源化,大力发展中水再生回用,使供水排水一体循环、互相补充,两种资源合理配置,是解决我国水资源短缺的重要途径和手段。 中水回用必将在我国大力发展起来。

对于工业化城市,企业是城市用水和废水排放主体,源头减排、结构减排、管理减排和中水回用于生产系统,用循环经济的理念指导企业废水治理问题是当今环保技术的发展方向,也是解决发展和环境问题的根本途径,是人类实现可持续发展的根本保障。