固體廢棄物處理及綜合利用策略

朱慶星，李小凡，陳千

(葛洲壩集團生態環保有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

當前，固體廢棄物處理及綜合利用的研究和技術主要集中在以下幾個方面[1-3]：廢棄物的分類和特性研究、廢棄物處理技術的研究和開發、廢棄物資源化和能源化利用的技術和策略以及廢棄物管理政策和制度的研究。在廢棄物的分類和特性研究方面，學者們通過大量的實驗和調查，詳細描述了各類廢棄物的物理、化學和生物學特性，為廢棄物的處理和利用提供了科學依據。在廢棄物處理技術的研究和開發方面，學者們開發了一系列的物理、化學和生物技術，如填埋、焚燒、厭氧消化和物理化學處理等，這些技術已經在全球范圍內得到廣泛應用。在廢棄物資源化和能源化利用的技術和策略方面，學者們提出了一系列的創新方法，如再利用、回收、再制造、堆肥化、焚燒發電、生物質能和垃圾煤等，這些方法旨在實現廢棄物的最大化利用，減少廢棄物對環境和公共健康的影響。在廢棄物管理政策和制度的研究方面，學者們探討了如何通過政策和制度，引導和規范廢棄物的產生、處理和利用，實現廢棄物管理的可持續發展。然而，盡管已經取得了一些進展，但固體廢棄物的處理和利用仍面臨許多挑戰，如：如何提高處理效率和利用率、如何降低處理成本、如何減少二氧化碳的排放等。因此，固體廢棄物的處理和利用仍需要進一步的研究和創新。

1 固體廢棄物的種類和處理技術

1.1 固體廢棄物的主要種類及其特點

城市固體廢棄物：這類廢物主要源自日常生活和商業活動，內容復雜，多樣，包括食品殘渣、紙質產品、塑料、金屬、玻璃等。更細分的話，這類廢物中可能包括有機廢物(如廚余垃圾)，可回收物(如：紙、玻璃、金屬、某些塑料)，以及其他不可回收物(如：陶瓷、橡膠)。這些廢物需要不同的處理方式，如：堆肥、焚燒、回收等。

工業固體廢棄物：工業廢物來源廣泛，包括冶金、化工、制藥、造紙、電子等行業。它們的性質和組成多樣，可能包括廢礦渣、廢水泥、廢油、廢氣、重金屬、有機化學品等。這些廢物對環境的影響更大，可能導致土壤、水體、大氣的污染。

危險廢物：這類廢物包括廢油、廢電池、廢溶劑、廢藥物、放射性廢物等，它們含有大量的有毒有害物質，如：鉛、鎘、汞等重金屬，有機氯化物，多環芳烴等。這些廢物需要特殊的處理方式，如：安全儲存、高溫焚燒、深地層處置等。

建筑垃圾：建筑垃圾主要源自建筑施工和拆除，包括混凝土、磚石、木材、金屬、塑料等。這些廢物對城市的占地影響大，處理難度也大，一般需要通過回收再利用、填埋、焚燒等方式處理。

農業廢物：農業廢物包括農作物秸稈、動植物糞便、農藥包裝物等，這些廢物多為有機物，可以通過堆肥、厭氧發酵、熱解等方式處理，以實現資源化利用。

各類固體廢棄物的性質不同，處理方式也不同，因此對固體廢棄物的分類管理至關重要。

1.2 目前常用的固體廢棄物處理技術

1.2.1 填埋

填埋仍然是最廣泛使用的固體廢棄物處理技術[4]。這種技術依賴于多種無機化學反應，如：中和反應，吸附，離子交換等。例如，廢物中的酸性物質(H+) 可以與填埋場土壤中的堿性物質(OH-)發生中和反應，生成水(H2O)和鹽。然而，這種方法的主要問題在于它占用大量的土地，并可能導致地下水污染。此外，廢物的有機組成部分可以在填埋場中分解，產生大量的甲烷(CH4)，這是一種強效溫室氣體。

1.2.2 焚燒

焚燒是將固體廢物在高溫下氧化分解的過程。在這個過程中，廢物中的有機物質在高溫和充足的氧氣條件下氧化，生成CO2、水和大量的熱能。然而，焚燒的過程中會生成一些有害物質，如二噁英和多環芳烴。為了減少這些有害物質的排放，需要采用特殊的煙氣處理技術，如：活性炭吸附、刮板塔洗滌、電除塵等。

1.2.3 厭氧消化

厭氧消化是一種生物技術，利用微生物在無氧環境下分解有機物質。在這個過程中，微生物的酶將有機物質分解成較小的分子，然后通過一系列的酶反應，將這些小分子轉化為甲烷(CH4) 和二氧化碳(CO2)。這種方法的優點在于，它既能處理廢棄物，又能產生可用于能源的甲烷氣。

對具有較高含量生物質的廢棄物[5]，例如：食物殘渣、廢水處理廠的污泥和農業廢棄物，厭氧消化是一種非常有效的處理方式。厭氧消化是在無氧環境下，由一系列微生物共同作用，將有機物轉化為甲烷和二氧化碳的過程。具體的反應可以簡化為：

以上反應以葡萄糖為例，實際上在厭氧消化過程中，復雜的有機物首先會被水解為較小的分子，如：糖、氨基酸等，然后通過一系列的酶反應，將這些分子轉化為甲烷和二氧化碳。這種方法的優點在于它可以處理大量的生物質廢棄物，同時產生的甲烷可以作為清潔的能源使用。然而，它需要較長的處理時間，而且對溫度和酸堿度等條件有較高的要求。

1.2.4 物理化學處理

物理化學處理是結合物理方法和化學方法對固體廢棄物進行處理的技術。常見的物理方法有篩選、磨碎、磁選、重力選等，化學方法主要包括酸堿中和、氧化還原、熱解等。通過物理化學處理，可以實現固體廢棄物的分類、減量化和無害化，是目前固體廢棄物處理中非常重要的一種技術。其中，熱解是一種常見的化學處理方法。在無氧或低氧條件下，高分子有機物被分解為低分子有機物，這個過程主要通過斷裂高分子有機物的化學鍵，使其變成低分子化合物。這一過程可以產生大量的可燃氣體，如氫氣、甲烷、乙烷等，這些氣體可以被回收作為能源使用。此外，熱解還可以產生焦炭和生物油，這些產品都有一定的經濟價值。然而，物理化學處理技術對廢棄物的成分、物理性質有一定的要求，處理設備復雜，投資和運行成本相對較高。

1.2.5 高級氧化技術

高級氧化是一種先進的廢物處理技術，它主要用于處理含有難降解有機物質的廢物。這種技術的核心是生成高活性的羥基自由基(-OH)，這些自由基可以與廢物中的有機物質反應，將其氧化分解為較小的分子。高級氧化技術主要包括光催化氧化，臭氧氧化，Fenton 反應等。這種方法的優點在于，它能有效處理各種難降解有機物質，而且處理效果好，無二次污染。然而，這種方法的缺點在于，它需要較高的能源消耗，而且對操作條件要求較高。

例如，Fenton 反應(H2O2/Fe2+) 是一種典型的高級氧化過程，反應如下：

在這個反應中，過氧化氫(H2O2) 和二價鐵離子(Fe2+)反應，生成三價鐵離子(Fe3+)、氫氧根離子(OH-)和高活性的羥基自由基(-OH)。這個自由基有很強的氧化能力，可以與廢物中的有機物質反應，將其氧化分解為較小的分子。

2 固體廢棄物的綜合利用策略

2.1 資源化利用

資源化利用是將固體廢棄物轉化為可以再利用的資源，這種策略不僅減少了廢棄物的處理量，同時也節約了自然資源。它包括以下幾個主要方式：

(1)再利用：是指將廢棄物直接作為物質再次使用，而不改變其形態和性質。例如，建筑拆除產生的混凝土塊可以作為基礎建設的原材料、廢舊金屬可以回收熔煉。

(2) 回收：是指從廢棄物中回收出有價值的物質。例如，從廢電子設備中回收稀有金屬，從廢紙中回收纖維。

(3)再制造：是指將廢棄物經過加工和修復后，再次制造成新的產品。例如，利用廢舊輪胎制作橡膠跑道，利用廢舊塑料制作再生塑料。

(4)堆肥化：是指將有機廢棄物經過生物分解后，轉化為有機肥料。例如，將農作物秸稈和食品廢棄物堆肥化。

這些方法都能夠將固體廢棄物轉化為有價值的資源，實現廢物的最大化利用。然而，資源化利用也需要面對一些挑戰，如如何提高回收率、如何保證產品的質量和安全性等。

2.2 能源化利用

能源化利用是將固體廢棄物轉化為能源，包括以下幾個主要方式：(1)焚燒發電：將固體廢棄物在高溫下氧化分解，產生的熱能可以用于發電。這種方法可以大大減少廢物的體積，同時產生的電能可以供社會使用。(2)生物質能：將有機廢棄物經過生物技術轉化為生物質能源，如生物氣、生物油和生物炭等。(3)垃圾煤：將固體廢棄物經過碾壓、干燥和固化，制作成垃圾煤，用于熱力發電或供熱。

能源化利用可以實現廢物的高效利用，同時減少了化石能源的消耗。然而，能源化利用也需要面對一些挑戰，如如何降低處理成本和如何減少二氧化碳的排放等。

2.3 其他創新利用方式

除了資源化利用和能源化利用，還有許多其他創新的利用方式。例如：通過高溫熔煉，可以將廢棄物轉化為建筑材料，如：礦渣磚、飛灰混凝土等；通過化學轉化，可以將廢棄物轉化為有價值的化工原料，如從廢塑料中提取單體，從廢電池中提取重金屬等。這些創新的利用方式都在試圖實現廢物的全面利用，盡可能地提高廢物的價值。然而，這些方法通常需要較高的技術和設備投入，因此，如何降低處理成本，如何提高產品的質量和競爭力，都是這些方法需要面對的挑戰。

3 固體廢棄物處理及綜合利用案例

(1)三峽水利樞紐工程中的混凝土回收：在三峽水利樞紐工程中，工程廢棄物主要是混凝土。項目組開發了一種先進的混凝土破碎和分類技術。這個系統由粗破碎機、細破碎機和自動分選機組成。首先，廢棄的混凝土被粗破碎機破碎成較大的碎片，然后，這些碎片被細破碎機進一步破碎成較小的粒子。最后，自動分選機根據粒子的大小和重量，將其分成不同的等級。這個技術不僅提高了廢棄混凝土的回收率，也大大降低了廢棄物處理的成本。

(2)廢舊輪胎的熱解和再生技術：有一項廢舊輪胎的處理項目采用了熱解和再生技術。首先，廢舊輪胎在無氧環境下被加熱至450～500 ℃，進行熱解過程。這一過程能產生炭黑、熱解油和熱解氣。其中，炭黑可以用于制作再生橡膠或作為工業炭黑使用；熱解油經過精煉可以用作燃料或化工原料；熱解氣可用于發電或作為工業燃氣。這個項目的成功因素在于它采用了新穎的熱解技術，實現了廢舊輪胎的高效利用，同時也解決了廢舊輪胎處理的環境問題。

(3)農業廢棄物的生物質炭化技術：有一項以農業廢棄物為原料的生物質炭化項目。該項目采用了一種稱為“快速熱解”的新技術，將農業廢棄物轉化為生物質炭、熱解油和熱解氣。生物質炭可以作為土壤改良劑或燃料使用，熱解油可以作為生物燃料或化工原料，熱解氣可以用于發電。這個項目的成功因素在于它采用了新穎的熱解技術，實現了農業廢棄物的高效利用，同時也提供了一種可持續的能源解決方案。

4 結語

固體廢棄物處理及綜合利用建議與展望：

(1)提高固體廢棄物的分類回收效率：分類回收是提高廢棄物資源化利用率的關鍵步驟。應該通過制定更詳細的分類規則，提供更方便的回收設施，以及加大分類宣傳教育力度，提高固體廢棄物的分類回收效率。

(2)優化固體廢棄物處理技術：目前，固體廢棄物的處理技術仍存在許多問題，如：處理效率低、環境影響大等。應該通過技術創新，優化現有的處理技術，提高處理效率，減少環境影響。

(3)推動固體廢棄物的資源化利用：固體廢棄物中包含了豐富的資源。應該通過發展新的利用技術，推動固體廢棄物的資源化利用，提高資源利用效率，減少資源浪費。

(4)加強固體廢棄物的綜合管理：固體廢棄物的處理涉及到多個領域，如環境、能源、資源、健康等。應該建立一個綜合的管理體系，統籌規劃固體廢棄物的處理和利用，以實現固體廢棄物的可持續管理。