一种处理废弃物的理想方法等离子体技术

一种处理废弃物的理想方法——等离子体技术1引言经济的飞速发展，使人们的生活水平有了很大的提高，同时带来的环境问题日益成为人们关注的焦点，环境污染成为人们健康生活的隐形杀手。在城市垃圾处理中，最普遍的方法是集中焚烧掩埋，通过焚烧，使垃圾的量最少化，进而再进行掩埋处理。但这样，不仅不能浪费了垃圾中所含有的宝贵资源，同时也会造成严重的的空气问题和土壤问题。垃圾掩埋处理只是使垃圾短期内离开人们的视野，深埋地下的垃圾由于洪水等原因可能会重见天日，危害人类，深埋的垃圾不仅污染土壤，也会造成地下水污染，严重威胁人们的健康。癌症村的出现或许是最好的例证。加强对各类固体废弃物(城市生活垃圾、工业三废、医疗和电子危废、污水污泥等)的无害化、减量化和资源化处理是十二五国家环保事业和环保产业发展的主要内容之一，也是关系到坚持科学发展观，推进循环经济和建设和谐社会的重要任务。一种新兴的废弃物处理技术——等离子体技术，成为近年来世界各国学者进行污染物处理新技术研究的方向之一。等离子体技术不仅可以对气相中的化学、生物废物进行破坏,而且可以对液相、固相中的化学-放射性废物进行破坏分解,不仅对高浓度有机污染物有较好分解效果,更可对大流量、低浓度污染物进行分解。很多情况下,污染物只采用一种方法来处理难以得到预定的效果,通常需要将物理、化学、生物等方法联合起来进行合理配置,增加了系统的复杂性,而应用等离子体技术则可以简化这一处理过程。作为一种可高效、便捷对污染物进行破坏分解的替代技术,等离子体技术正受到各国学者越来越多的关注,成为环境污染治理领域中最有发展前途的一项高科技技术。2等离子体概述2.1等离子体的发展及应用20世纪60年代形成的等离子体技术是一门交叉学科，涉及高能物理、放电物理、放电化学、反应工程学、高压脉冲技术等领域。在进入80年代后，将等离子体技术应用于处理各类污染物成为国内研究的热点之一。与其他污染治理技术相比，等离子体技术具有处理流程短、效率高、能耗低、适用范围广等特点。等离子体技术既可用于处理废气又可用于处理废水、固体废弃物、污垢，甚至放射性物质[1]。2.2等离子体相关概念含有足够数量的自由带电粒子,有较大的电导率,其运动主要受电磁力支配的物质状态。等离子体由带正电的离子和带负电的电子，也可能还有一些中性的原子和分子所组成。等离子体在宏观上一般是电中性的，即它所含有的正电荷和负电荷几乎处处相等。由于带电粒子之间的作用主要是长程的库仑力，每个粒子都同时和周围很多粒子发生作用，因此等离子体在运动过程中一般表现出明显的集体行为。等离子体根据温度的不同可分为低温等离子体和高温等离子体。高温等离子体主要应用于核聚变领域，其温度高达105K以上。低温等离子体是指电子温度高而体系温度低的等离子体，其中电子温度可达103K以上，而粒子和原子之类重粒子温度可低到300~500K，可分为热等离子体和冷等离子体，典型的热等离子体如电弧放电等离子体，有直流放电、交流放电、微波放电、感应放电等不同的形式，直流等离子体火炬是绝大多数等离子体所采用的处理装置[2]。2.3等离子体的产生等离子体产生的方法很多，有天然的和人造的。天然的如雷电、日冕及极光等；在实验室，等离子体的产生方法和途径很多，有激光压缩、气体放电、射线辐照及热电离等，气体放电法是最主要和最常见的。根据不同的放电条件（如气压、电流），气体放电可分为电弧放电、辉光放电和电晕放电。3传统处理生活废弃物的方法介绍在当今世界，各种资源因消耗与日剧减、日趋紧张，而生活废弃物却在与日俱增，成为一种潜在的资源，具有非常大的开发价值。如何实现废弃物的减量化、无害化、资源化，成为人们一直关注的问题。下面是一些传统处理生活废弃物的方法：填埋处理：填埋处理是最普遍处理生活废弃物的方法，其能够大量也是最有效解决城市生活废弃物的方法。分为直接和间接两种，所谓直接填埋法是将垃圾填入已预备好的坑中盖上压实，使其发生生物、物理、化学变化，分解有机物，达到减量化和无害化的目的。但是，我国许多城市的垃圾仍有大多采取露天堆放，没有任何防护措施。每一个垃圾堆放场都成了一个污染源，蚊蝇孽生，老鼠成灾，臭气漫天，大量垃圾污水由地表渗入地下，对城市环境和地下水源造成严重污染。深圳、上海这些地方，由于人口密度大、工厂林立，每天产生的垃圾非常巨大。这上海市每天有万吨垃圾运往郊区海边堆放，一座座高达二三十米的垃圾山拔地而起，造成周围环境的严重污染。填埋处理方法是一种最通用的垃圾处理方法，它的最大特点是处理费用低，方法简单，但容易造成地下水资源的二次污染，给周围生活的群众带来极大的生存挑战。随着城市垃圾量的增加，靠近城市的适用的填埋场地愈来愈少，开辟远距离填埋场地又大大提高了垃圾排放费用，这样高昂的费用甚至无法承受。间接填埋处理就是在填埋处理之前经过分类，使可利用的资源回收利用，再经过焚烧处理，达到减量的目的再填埋。焚烧处理：焚烧法是使垃圾中的可燃物在一定的条件下与氧气发生化学反应，变为无机残渣的过程。这种处理方法，不仅达到了减量化的目的，而且使垃圾的性质也发生了改变。焚烧处理，由于其过程会产生大量的烟尘和气体，内含颗粒状灰尘，酸性气体，重金属等污染物，最容易产生空气和环境污染，也给周围居民的健康带来威胁。堆肥处理：堆肥法就是利用自然界中广泛存在的微生物，将废弃物中可被分解的有机物转化为腐殖质的生物化学过程。堆肥处理实现了部分资源的循环利用，但其处理周期时间长，废弃物中所害的不可降解的成分会对环境造成污染。无论是填埋处理、焚烧处理还是堆肥处理，在应用这些方法之前，对废弃物首先要做的是分类处理，尽可能大的将废弃物中的资源最大化的利用。传统的处理方法虽然成熟，但在不同程度上对环境都存在着污染，对资源存在浪费现象，远远不能满足人们的要求，研发新的处理方式，弥补传统处理方法的不足，是人们所期待的。4等离子体技术在废弃物处理中的应用等离子体技术作为一种环保处理新技术，由于其效率高、能耗低、适用范围广、处理量大、操作简单，近年来已成为各国研究的热点，其应用领域越来越多，如利用等离子体技术处理固体废弃物、废水、废气，对材料进行表面处理等。等离子体技术的应用因其特点而异，高温等离子体技术利用等离子体的物理特性。低温等离子体处理废弃物的过程主要利用以下两种效应：一是粒子间碰撞及粒子与物相表面碰撞所产生的热使废弃物分子的化学键断裂；二是离解过程中自由基与废弃物分子碰撞使废弃物分子的化学键断裂[3]。4.1等离子体技术在固体废弃物处理中的应用4.1.1热等离子体热解在对固体废弃物处理中，热解等离子体技术是目前国内外主要采用的等离子体技术。其在固体废弃物处理中，主要有以下三个方面的处理方法：（1）等离子体氧化、燃烧或等离子体玻璃化；（2）等离子体热解，使可燃固体废弃物在还原气氛下气化，重组为其他气体；（3）脉冲电弧产生冲击波，用于将固体废弃物分解并分离为金属、塑料、有机物等。对于垃圾焚烧厂废渣、城市污泥、建筑垃圾、医疗垃圾，主要利用等离子高温高焓进行等离子氧化、燃烧或等离子体玻璃化以达到降解并减容的目的。等离子热解技术作用于以上废弃物时，以产生合成气体为主[4]。对于一般的固体废弃物最彻底的处理方法之一是利用等离子体热解技术，利用这种方法，有回收可燃气体及其他可用化学品的潜能。采用不同的热解原料、条件、实验装置，等离子体热解过程获得的气体成分也会不同。对于有机固体废弃物，采用等离子体热解技术，污染物的排放基本为零，可有效减轻对大气环境的二次污染；固体废弃物中的有害成分如硫、重金属等大部分被固定在炭黑中，故重金属，二噁英等污染物在气体中的含量较少。气体产物中如二氧化硫、氮氧化物等污染性气体含量比较低，可作为低硫燃料气体利用[5]。4.1.2等离子体技术处理固体废弃物系统的组成进料系统、等离子体处理室、融化产物处理系统、电机驱动及冷却密封系统是等离子体处理系统的主要组成部分。在等离子体处理室，主要完成的是有机物的分解气化，无机物的熔化、玻璃化及金属产物，气化产物主要的组成是一氧化碳、氢气、甲烷，经过过滤器除去烟尘和酸气后被作为燃料利用，熔化产物经处理器冷却，金属可被回收利用，玻璃体可用来做建筑材料、生产玻璃制品。4.1.3研究现状唐兰等利用不同的实验条件（在热解过程中加水蒸气、在反应过程中加入水冷设施）对利用热等离子体热解固体废弃物的气体产物做了研究。加入水蒸气的热解过程与原过程相比，合成气的应用范围的到了扩大。加入水冷设施的反应过程与原过程相比得到了乙炔，一种重要的工业原料。目前，电石法是主要的乙炔制取方法，但此方法不仅对环境有污染，而且浪费资源。林小英等对利用低温等离子体技术低温处理固体废弃物做了初步实验，实验表明低温等离子体的利用，对在焚烧过程中二噁英、氯化氢等污染物的出现有明显的分解效果。中国科学院等离子体研究所在等离子高温无氧状态下通过150KW的高效电弧，固体废弃物在等离子体熔炉内被分解为气体，玻璃体和金属三种物质，然后通过不同的排放通道分离，实现了正真意义上的污染物“零排放”[6][7]。4.2等离子体技术在废水处理中的应用工业的迅速发展，给人们的生活带来方便的同时，也带来了各种生活困扰，如水污染。工业废水中还有不同种类的有机物如酚类物质、有机染料、硝基苯、苯乙酮和氯酚等，还有这些有机物的废水若直接排放，将会给其他水资源带来严重污染，破坏生态系统，故必须经过严格的处理才能排放，可利用微波等离子技术或液相高压脉冲等离子体技术对工业废水进行降解处理。微波放电功率可在局部集中，获得高密度等离子体，其作用机理是利用放电过程中产生的大量活性基团，这些活性基团如O3、OH，具有强氧化性，对于有机物，有极好的降解效果。废水中的苯酚物质，可利用液相高压脉冲等离子体技术经行降解；废水中的硝基苯，可采用电流体直流放电进行降解。4.3等离子体技术在废气处理中的应用在我国的大部分地区，冬季一般需要采取供暖措施，煤炭是供暖的主要能源物质，煤炭的燃烧，对空气的污染比较严重，这些污染物主要有：粉尘、氮氧化物、CO2、硫的氧化物等，这些污染物混在一起，给处理这些污染物带来一定的难度，将等离子体技术与电除尘技术结合在一起，能够很好地脱除这些污染物。目前，利用等离子体脱硫脱硝技术，已达到工业性测试阶段的方法是电子束法和脉冲电晕法。电子束法去除氮氧化物、硫的氧化物效率很高，但其能耗大、费用高，所以使用受到限制。在废气处理中，主要应用的有脉冲放电等离子体氧化加氨法、脉冲电晕等离子体催化协同氧化法、超高压窄脉冲电晕放电分解法。对于废气中的粉尘，电除尘器的去除率可达99.9%，但对于PM10~PM25亚微米或特细颗粒物去除率还不到50%。脉冲等离子体电除尘器对微细粉尘具有比较理想的去除效果，且在去除微细粉尘的过程中，能量的利用效率比电晕放电的效率高。对于废气中的氮氧化物、硫的氧化物，通过研究人员的探索发现，只利用低温等离子体技术，效果不是很理想，而在等离子体技术中，再使用催化剂，效果可以得到改变。使用最多的是脉冲放电等离子体加氨法，利用超高压脉冲电晕，产生高能电子，电子与周围的气体的碰撞产生氧化性极强的自由原子和自由基等活性物质，利用这些物质将氮的氧化物和硫的氧化物氧化成对应的高价氧化物，再注入氨水，产生铵盐，再利用电除尘器回收集作为肥料。超高压窄脉冲电晕放电分解法要求提供能产生上升沿很陡、峰值高的脉冲电源，利用脉冲电压提供的能量加速电子，产生高浓度的OH自由基，将氮的氧化物、硫的氧化物转换成对应的酸。对于废气中的CO2，可直接排放到空气中，但大量的CO2排放会产生温室效应，可通过冷等离子体技术，将CO2和CH4气体（CO2和H2S气体）转化成CO和H2（烷烃化合物）。5等离子体技术发展前景展望等离子体技术在废弃物处理中的应用越来越广泛，但同时也面临着很多的困难，如等离子体技术在废水处理方面的研究比较少，还处于探索阶段，目前的很多研究只针对单一的污染物，但废水中的污染物或有机物的种类各种各样，需要降解的物质互相干扰，给等离子体技术在废水处理中的应用带来压力与困难。在城市废弃物处理中，废弃物的种类更复