第5讲固态废弃物的再资源化.

1第五讲固态废弃物的再资源化2内容提要1、前言2、生活垃圾的再资源化3、工业固态废弃物的再资源化4、废弃物复合材料5、国外垃圾再资源化的几种方法31、前言固体废弃物(SolidWasteMaterial)：城市生活垃圾、工业固体废物、危险废物、废旧电子电器再资源化(Recycling)：将废弃物进行回收、粉碎、筛分等过程，再作为原料使用。再利用(Reuse/Remanufacture)：将整体功能使用寿命完结后的物件进行重组，经过洗涤重复使用。指导思想：“三化”原则(减量化、资源化、无害化)和3R原则(reduce、reuse、recycle)42、生活垃圾的再资源化2.1生活垃圾现状生活垃圾主要包括居民生活垃圾、街道保洁垃圾和集团垃圾三大类。2004年我国产生1.55亿吨生活垃圾，占世界垃圾总量的32%。在688个主要城市中，有2/3被垃圾“包围”，有1/4的城市无垃圾掩埋场可用。以上海为例，每天生活垃圾15200吨，基本都是经过掩埋处理，而掩埋场总面积410万平方米中已经使用89%。更为严重的是生活垃圾以每年10%的速度递增。5生活垃圾工业垃圾6Scrapcars72.2城市垃圾的再资源化的潜力我国城市垃圾成分正在发生根本性变化，有机成分已达90%，无机物约10%，密度约235kg/m3，平均热值较高(4000kJ/kg)。2010年我国垃圾将达到2.9亿吨，若70%进行填埋，按每kg垃圾将产生0.064～0.44m3气体计算，若回收全部填埋气体将产生40～280亿m3的天然气，相当于我国目前天然气的总产量。说明我国城市垃圾再资源化潜力较大。82.3再资源化存在的主要问题虽然掩埋场有垃圾焚烧场，但未能对其进行分类收集，很难实现令人满意的焚烧处理或回收利用。垃圾堆肥等有利环境的处理只占14%，包括掩埋的处理比例仅为52%，一半左右的垃圾随便堆放在郊外或大街上。垃圾发电厂没有发挥预期的效果，原因在于可作为发电燃料的可燃性垃圾与其他垃圾未得到很好的分离。资金投入严重不足。92.4目前生活垃圾处理的主要途径填埋、焚烧、堆肥（1）填埋处理方法：将垃圾填入已预备好的坑中盖土压实，使其发生生物、物理、化学变化，分解成有机物，达到减量和无害化的目的。这是我国目前普遍采用的主要处理方法。优点：处理费用低，方法简单。缺点：容易造成地下水资源二次污染。再资源化：采用卫生填埋(sanitarylandfill)技术，对渗漏液进行治理，收集和处理可燃气体(如沼气)，加以利用，实现再资源化。10上海老港生活垃圾卫生填埋场11大型城市垃圾综合处理成套系统12（2）焚烧处理方法：将垃圾置入高温炉中，使可燃成分充分氧化，产生的热量可用于发电和供暖。优点：减重效果好(残渣体积减少90%，重量减少80%)，处理彻底；残灰可作优质肥料或水泥原料。缺点：焚烧厂的建设和生产费用昂贵，焚烧易产生有害气体(二恶英)，造成二次环境污染。再资源化：美国西屋公司和奥康诺公司研制的垃圾转化能源系统的焚烧效率达95%，可将热能转化为蒸汽，用于暖气和蒸汽涡轮发电机等。13日本和西欧主要国家焚烧炉情况日本对焚烧炉烟气中二恶英(强致癌物)的控制标准14布阵岭垃圾处理场15郑州荥锦垃圾发电厂是我国最大垃圾发电厂，装机容量２×１.２万千瓦，每天为郑州市解决１０００吨垃圾16（3）堆肥处理方法：将生活垃圾堆积成堆，保温至70℃储存、发酵，借助微生物将垃圾中的有机物分解成无机养分，用作肥料。优点：成本低，既解决了垃圾的出路，又达到再资源化目的。缺点：生活垃圾堆肥量大，长期使用易造成土壤板结和地下水质变坏，因此堆肥规模不宜过大，最好多点分散进行。17国内外堆肥厂情况对比中国城市垃圾生物处理技术达国际先进水平哈尔滨工业大学一个科研小组首次提出以城市居民粪便和生活垃圾为主、以粉煤灰为辅制造混合堆肥的方法。由生活垃圾提供结构强度、孔隙率和有机质，粪便提供氮磷和有机质，粉煤灰提供微量元素，攻克了利用城市垃圾生产优质有机肥的难关。18垃圾处理新型工艺流程19表各种处理方法费用比较无害化处理方法卫生填埋堆肥处理焚烧处理单位建设投资（万元/吨）8~1515~4050~100单位处理成本（元/吨）20~4030~5050~100表各种处理方法优缺点比较无害化处理方法优点缺点焚烧发电法焚烧后减容量大；处理速度快；残渣无菌、无毒；实现能源回收利用；一次性投资大，费用昂贵；技术复杂，设计要求精密；烟道气的控制技术困难；卫生填埋法操作相对简单，投资费用较小；侵占土地严重；防渗技术不够，导致潜在的土壤和地下水污染；生物降解法（堆肥法）将废弃物中的有机部分转化为有用的土壤改良剂；仅适用于废物中有机部分；产生臭味；存在质量和市场销售问题；残渣仍需处理；再利用方法实现废弃物的最高价值；人们生活习惯使用他们喜欢的新产品；再循环方法回收原材料和其内在的能量；市场专用和有限的吸收潜力；**202.5其它再资源化方法2.5.1再资源土壤化生活垃圾与白泥混合填埋并使之土壤化，由于生活垃圾中含有15%的有机质，pH值约为7.8，且N、P、K含量丰富。而白泥中含Ca、Mg离子，二者混合能增强植物光合作用。垃圾土中掺入15%白泥，种植小麦比垃圾土增产12.9%，比栽培土增产50.9%。注：白泥是氨碱法制碱过程中排出的一种废渣。212.5.2利用城市废弃物制备生态水泥(1)原料利用城市废弃物(垃圾焚烧灰渣和下水道污泥)生产水泥。其原料60%为废弃物(垃圾焚烧灰占20%～30%)，生产过程中烧成温度为1000～1300℃，燃料用量和CO2排放量比普通水泥少得多，称为“生态水泥”。脱水污泥呈泥状，需加入等量的生石灰经脱水、杀菌和除臭后可作为水泥生产原料。此外还要加入约40%的铝工业排放的废渣赤泥，以调整成分。2223(2)生态水泥生产流程24(3)生态水泥的生产问题及解决方案原料由生活废弃物及赤泥等组成，成分变动大，必须使用石灰石、粘土、砂岩、铁渣调整成分。为使原料成分均匀，应配备二套贮存、混合用的料仓，每个料仓的容量应足够48小时生产使用。烧成过程中在回转窑尾部及风道中易形成KCl和NaCl的低熔点共晶，堵塞管道。为此须控制燃料供给量和窑转数，优化气氛和温度分布曲线。252.5.3生活垃圾燃料电池采用新型固定床高温甲烷发酵与燃料电池联合发电是生活垃圾再资源化的一种新方法。甲烷发酵：在厌氧状态下，以甲烷菌为主体，利用微生物分解有机物，生成以甲烷为主要成分的生物气。日本高温甲烷发酵装置“METACRES”发生的生物气含甲烷60%～70%，可用于燃料电池发电。其发电效率与投入生物气的发热量有关，通常为32%～35%。2627生活垃圾燃料电池生产过程生活垃圾预处理：分选除杂，膏状化，加水粉碎成为浆料化后送入浆料槽。生物反应器：用循环泵向生物反应器中输送发酵液，使之在反应器中形成向下流的循环；利用热交换器控制发酵温度为55℃生物气精制：生物气除含甲烷、CO2外，还含H2S，氨等腐蚀性气体，造成燃料电池催化剂老化。通常采用脱硫剂和活性碳精制净化。燃料电池发电设备：由50kW的磷酸型燃料电池(PAFC)、生物气甲烷变换设备、直交流转换装置以及凉水塔、水处理装置等构成。28不纯气体成分浓度生物气发生状况(平均值)293.1排烟脱硫石膏的资源化硫化污染：SO2是污染环境、破坏生态的主要废气之一，我国每年排放量达2800万吨。石灰石-石膏湿法排烟脱硫法原理：SO2+H2OH2SO3H2SO3+1/2O2H2SO4H2SO4+CaCO3+H2OCaSO4·2H2O+CO23、工业固态废弃物的再资源化30CaSO4·2H2O的再资源化(1)脱水后与粉煤灰混合制成空心砌砖，称为“绿色”墙体材料。(2)用作地面自动平整材料(Self-levelingFlooring)。它是以无机胶凝材料为其基础的新材料，具有良好的流动性，采用泵送浇注法施工，可得光洁楼板地面，稳定性好。将在未来混凝土自流平层及旧地面、起砂地面的修补等方面具有广阔前景。313.2低硅尾矿的资源化3.2.1尾矿危害尾矿是仅次于煤矸石、粉煤灰的第三大固体废弃物。尾矿中的有害物质对土地、大气、水体造成严重污染。尾矿坝成为潜在的灾害源，管理成本越来越高，已造成多次人身伤亡和财产损失。3.2.2尾矿现状我国是最大的尾矿产出国，堆放量达50亿吨以上，且每年增加5亿吨。尾矿数量大、类型多、性质复杂，尾矿利用率小于7%。323.2.3尾矿综合利用利用尾矿制备微晶玻璃(1)微晶玻璃微晶玻璃是在高温下使结晶从玻璃中析出而成的材料，由结晶相和部分玻璃相组成，尽管抛光板的表面光洁度远高于石材，但是光线不论由任何角度射入，经由结晶微妙的漫反射方式，均可形成自然柔和的质感，毫无光污染。33(2)研制历史1957年美国康宁玻璃公司斯徒基工程师在研制新产品产品时首次发现微晶玻璃；1975年英国麦克伦教授在其专著《微晶玻璃》中指出微晶玻璃是非晶态材料和晶态材料的完美结合；1989年我国首次用铁矿尾矿成功制备微晶玻璃，当时称为微晶玻璃花岗岩；1991年完成烧结法工艺尾矿微晶玻璃工业试验；2000科技部“九五”国家重点科技攻关计划《尾矿微晶玻璃生产工艺研究》项目启动34(3)石棉尾矿微晶玻璃原料主要原料采用石棉尾矿，其它成分均采用工业原料,如硅砂、长石、炭粉等。原料的化学组成见表。35配料根据尾矿成分,确定研制的尾矿微晶玻璃属于MgO-Al2O3-SiO2系统，如图。根据相图,比较理想的晶相组成为镁橄榄石或堇青石,它具有较强的耐酸碱腐蚀性,良好的电绝缘性,较高的机械强度和由中等到较低的热膨胀系数等优越性能.尾矿微晶玻璃成分原料配比36MgO-Al2O3-SiO2系统相图37晶核剂矿渣微晶玻璃最常用的晶核剂有ZnO、TiO2、Cr2O3等。比较其结晶情况,发现加入7～9%的TiO2作晶核剂的试样结晶效果最好,且试样强度高。工艺流程配料→混合→熔制→成形→退火→晶化→二次加工(磨光、切割等)→成品38熔制曲线39热处理(晶化)晶化处理是微晶制备过程中的主要环节,必须严格的控制才能得到所需的微细晶粒和足够的晶相。晶化热处理温度根据DTA曲线确定。DTA曲线40它包括核化(663℃,保温1ｈ)和晶体长大(838℃,保温2ｈ)两个阶段。通过反复实验,确定第一阶段最佳升温速率为300℃/ｈ,第二阶段最佳升温速率为130℃/ｈ。微晶化处理在额定温度为1000℃硅碳棒电炉中进行。热处理(晶化)工艺4142(3)其它尾矿微晶玻璃SiC晶须增韧的钨尾矿微晶玻璃材料的力学性能制备工艺：配料→熔制→浇注成形→冷却→热处理→研磨抛光→成品。43可见ＳｉＣ晶须从基体中的拔出部分及拔出后残存的空洞。这种晶须拔出效应因介面摩擦消耗外界负载的能量而达到增韧补强的目的。这说明在复合材料中含有晶须拔出增韧补强机制。试样的断口ＳＥＭ44铁尾矿制备微晶玻璃铜尾矿制备微晶玻璃黄金尾矿制备微晶玻璃黄金尾矿制备微晶玻璃钾长石尾矿制备微晶玻璃花岗岩钽铌尾矿制备微晶玻璃注：其制备工艺基本相同。453.2.4尾矿的其它再资源化方法(1)填埋和复垦经处理过的尾矿可用作填埋材料。国外矿山的复垦率已达80%，我国相对滞后。(2)利用尾矿生产建筑材料尾矿砖：对尾矿适应性较强，制造成本低。水泥和混凝土：以钙质和硅质材料在高温高压饱和蒸汽条件下经钙硅水热合成反应制得，具有轻质、隔热和可加工等特点。46(3)农业应用----制备微量元素化肥俄罗斯利用铜、锰尾矿直接作微量元素化肥，取得良好效果。马鞍山矿山研究院将铁尾矿经磁场处理生产出磁化肥料，改善了土壤结构性和孔隙度，使早稻增产12.6%，大豆增产15.5%。47日本东京都国立产业技术研究所成功地将玻璃瓶碎片和浇注钢筋混凝土时产生的淤渣，变成了一种理想的装潢材料。制造原料的９５％以上是玻璃瓶碎片以及钢筋混凝土淤渣，另外还要加入一定的硫化铁、硫酸钠和石墨以控制结晶的生成。制造时，先给混合后的原料加１４５０摄氏度的高温使之熔融成形，然后除去成形物中的气泡，再在８