工業(yè)固體廢物處理與綜合利用的研究現(xiàn)狀及展望

蔡甲，李靜，杜梅，布多

（西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏拉薩 850000）

我國(guó)經(jīng)濟(jì)在全球化時(shí)代進(jìn)入高速發(fā)展階段，大量固體廢物（生活垃圾、危險(xiǎn)廢物和工業(yè)廢物）隨之而來(lái)。如果固體廢物沒(méi)有及時(shí)處理，就會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。現(xiàn)階段，綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為國(guó)家發(fā)展的主要趨勢(shì)，環(huán)境保護(hù)的主要工作是解決固體廢物污染問(wèn)題。固體廢物的生產(chǎn)源頭較多，涉及到生活、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)以及新興產(chǎn)業(yè)等各方面。固體廢物在自然條件下很難降解，人為參與才能有效降解。固體廢物若沒(méi)有嚴(yán)格依照我國(guó)現(xiàn)行環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行減量化、無(wú)害化、資源化的處理與利用，其產(chǎn)生的污染以土壤、水和大氣等為媒介進(jìn)行傳播，造成改變土壤結(jié)構(gòu)、增加大氣中顆粒物含量、水質(zhì)超標(biāo)等影響，也會(huì)間接或直接對(duì)人體健康產(chǎn)生一定的危害[1]。同時(shí)，固體廢物的堆積和填埋也會(huì)導(dǎo)致資源的閑置與浪費(fèi)，帶來(lái)一定程度的損失，影響社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的正常化運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。

1 固體廢物處理和利用現(xiàn)狀

1.1 固體廢物現(xiàn)狀

根據(jù)全國(guó)大、中城市固體廢物污染環(huán)境防治年報(bào)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量達(dá)到13.8 億t，綜合利用量達(dá)到8.5 億t，一般工業(yè)固體廢物綜合利用量占利用及貯存總量的55.9%。固體廢物的利用處置方式主要為無(wú)害化處理和資源化回收再利用[3，4]，一般工業(yè)固體廢物主要包括煤矸石、脫硫石膏、尾礦、冶煉廢渣、粉煤灰和爐渣等[5]。

2015—2019 年，一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量呈下降趨勢(shì)，貯存量呈上下起伏波動(dòng)，傾倒丟棄總量也呈明顯下降趨勢(shì)，綜合利用量保持相對(duì)較高水平（表1）。從全國(guó)來(lái)看，固體廢物處理與回收利用朝著有利趨勢(shì)發(fā)展，但東西部的固體廢物處理能力存在失衡現(xiàn)象。雖然我國(guó)在固體廢物處理上做出一些努力并取得了相應(yīng)成果，但近5年一般工業(yè)固體廢物的平均綜合利用率在45%左右，綜合利用率相對(duì)不高。從現(xiàn)階段來(lái)看，我國(guó)人口基數(shù)大、工業(yè)快速發(fā)展、工業(yè)固體廢物生產(chǎn)總量大、工藝水平有限以及公民環(huán)保意識(shí)比較淡薄，公民和企業(yè)對(duì)固體廢物如何進(jìn)行分類(lèi)以及回收利用缺乏一定的理論認(rèn)識(shí)[6]。

表1 全國(guó)一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生及處理情況

1.2 固體廢物常用的處理方法

我國(guó)早期固體廢物的處理方式主要以露天填埋為主，露天填埋不僅固體廢物處理量較小，同時(shí)其資源化利用程度較低，還對(duì)土壤、水以及大氣造成污染。伴隨全國(guó)固廢無(wú)害化處理體系的建設(shè)，固體廢物的主要處理技術(shù)有焚燒、填埋、熱分解、石灰固化等（表2）。

表2 固體廢物主要處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍

2 固體廢物在“三化”上的應(yīng)用

我國(guó)在固體廢物“三化”（減量化、無(wú)害化、資源化）等方面進(jìn)行了一定探索，生態(tài)管理體系也逐步完善，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變將改變工業(yè)固廢的產(chǎn)生和處理結(jié)構(gòu)[12]。目前，固體廢物處理與回收利用的方法比較多，結(jié)合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的實(shí)際情況，著重分析了煤矸石、脫硫石膏和尾礦的處理與利用。

2.1 煤矸石處理與利用

我國(guó)是一個(gè)煤炭開(kāi)采大國(guó)，煤炭開(kāi)采帶來(lái)亟需解決的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，其產(chǎn)生的煤矸石占用大量土地資源，處理煤矸石最常用的方法是堆積和填埋，而這種方法易造成地質(zhì)災(zāi)害、土地退化和土壤污染等問(wèn)題。2015—2019年，煤矸石的產(chǎn)生量和綜合利用量都呈先下降后上升的趨勢(shì)；2019年煤矸石的產(chǎn)生量和綜合利用量分別達(dá)到4.8 億t 和2.9 億t，綜合利用率為58.9%。然而我國(guó)煤矸石利用處理處于起步階段，整體利用率在55%～65%，整體利用率未達(dá)到預(yù)期水平（圖1）。因此，如何對(duì)煤矸石進(jìn)行有效回收利用成為研究的焦點(diǎn)。

圖1 煤矸石的產(chǎn)生及處理情況

在土木工程領(lǐng)域，煤矸石作為骨料可用于制作混凝土砌塊、磚、輕量化混凝土等低附加值建材。然而煤矸石骨料的高孔隙率會(huì)吸收大量水分，其低硬度易造成抗壓強(qiáng)度差[13]，因此煤矸石骨料制備水泥基建筑材料的性能顯著降低[14]。除煤矸石的高孔隙率和低硬度特性外，煤矸石中還含有鉛、鉻、汞、砷、鎘等重金屬，重金屬的淋濾嚴(yán)重污染地下水資源和植被生物，當(dāng)人食用被污染的動(dòng)植物后重金屬以穩(wěn)定性較強(qiáng)的化合物形式富集于人體，與酶作用生成配合物使酶失效，危害人體健康[15，16]。

由于煤矸石的缺點(diǎn)，要提高回收利用率就必須對(duì)煤矸石進(jìn)行改性。雖然采用機(jī)械磨礦、微波加熱、高溫煅燒等方法強(qiáng)化，可提高煤矸石鋁酸鹽相的反應(yīng)活性[17]，但也會(huì)存在一些問(wèn)題，這些方法不單單對(duì)煤矸石基體造成了一定破壞，而且消耗大量能源，不利于生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[18]。上述方法均不能解決煤矸石高吸水率和重金屬高浸出的問(wèn)題，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)可有效提高煤矸石回收利用率，成功提升了煤矸石骨料的性能、降低吸水率和解決重金屬高浸出問(wèn)題。此技術(shù)已應(yīng)用于被重金屬或放射性核素污染的土壤修復(fù)、固體廢物中重金屬的固定化以及建筑材料的制造等方面，帶來(lái)了環(huán)境工程的新革命，在固體廢物處理和土壤修復(fù)方面的應(yīng)用潛力巨大[19]。

2.2 脫硫石膏處理與利用

隨著我國(guó)煙氣脫硫裝置技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，脫硫石膏成為煙氣脫硫裝置工藝的主要副產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全國(guó)脫硫石膏產(chǎn)生量為8 678 萬(wàn)t，2019年達(dá)到1.3 億t，增長(zhǎng)49.8%，呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)；2015年綜合利用量為7 512.7 萬(wàn)t，2019年達(dá)到9 617.4 萬(wàn)t，綜合利用量總體呈上升趨勢(shì)，增長(zhǎng)28.0%；脫硫石膏產(chǎn)生量的增長(zhǎng)率遠(yuǎn)大于綜合利用量，因產(chǎn)生量增速較快，綜合利用率由86.1%降到71.3%，表明脫硫石膏的綜合利用處于發(fā)展的瓶頸期，應(yīng)當(dāng)研發(fā)先進(jìn)技術(shù)提高脫硫石膏的利用效率[20]（圖2）。

圖2 脫硫石膏的產(chǎn)生及處理情況

脫硫石膏除少部分用作水泥緩凝激發(fā)劑、土壤改良劑、抹灰石膏、嵌縫石膏外，大部分依舊沒(méi)有得到有效利用，仍采取一般固體廢物常見(jiàn)的處理方法進(jìn)行處理，導(dǎo)致大量土地資源浪費(fèi)，而且長(zhǎng)時(shí)間堆置易造成二次污染，增加生態(tài)環(huán)境修復(fù)的困難[21]。在1950年，我國(guó)曾對(duì)天然石膏改良鹽堿土進(jìn)行初步研究和實(shí)驗(yàn)，但因天然石膏的價(jià)格昂貴且禁止隨意開(kāi)采，天然石膏很難在田間大范圍內(nèi)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，為獲取足夠的石膏，脫硫石膏可用于改良鹽堿土。脫硫石膏的綜合利用既可解決污染物排放問(wèn)題，也可降低一定程度的脫硫成本。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，煙氣脫硫石膏品質(zhì)越來(lái)越高，生態(tài)安全性已達(dá)到農(nóng)業(yè)用途標(biāo)準(zhǔn)，不增加土壤中重金屬的含量，可逐漸應(yīng)用到鹽堿土改良領(lǐng)域。通過(guò)初步取得的成果來(lái)看，脫硫石膏解決了鹽堿土改良經(jīng)濟(jì)成本高、時(shí)間周期長(zhǎng)等問(wèn)題，將會(huì)成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)增加農(nóng)業(yè)耕地面積最直接的出路之一[22]。

2.3 尾礦處理與利用

通過(guò)無(wú)害化、制備填充材料和生物浸出等方法進(jìn)行尾礦處理與利用。在無(wú)害化處理過(guò)程中，氰化物尾礦使用微生物降解氰化物，利用MICP 技術(shù)來(lái)固化氰化物尾礦[23]。具有氰化物降解和高脲酶活性的雙功能細(xì)菌對(duì)氰化物尾礦中游離氰化物和總氰化物都有降解作用，降解率分別為94.54%和88.13%。氰化物尾礦中重金屬形態(tài)由可交換態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}結(jié)合態(tài)，遷移率明顯降低。與化學(xué)處理相比，新工藝處理氰化物尾礦具有高效、綠色的特點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)氰化物尾礦固化、氰化物降解和重金屬固定，降低氰化物尾礦對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

尾礦制備填充材料是采用石灰石尾礦、脫硫石膏、礦渣、水泥熟料和氫氧化鈉等材料制備的石灰石尾礦基膠凝材料。石灰石尾礦基膠凝材料作為膠結(jié)填充材料之一，能有效提高填料的內(nèi)聚力，提高沿海巖溶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是防范和控制崩塌的有效方法。生物浸出技術(shù)就是研究浸出不同的尾礦，降低尾礦的毒性和提高金屬回收率[24]。例如通過(guò)生物浸出以高效和環(huán)保的方式從硫化物礦山尾礦中回收鈷，研究鐵尾礦在不同pH 值和低分子量有機(jī)酸下金屬的浸出行為，研究生物浸出后尾礦殘?jiān)目稍倮眯浴?/p>

3 現(xiàn)階段固體廢物處理和綜合利用存在的問(wèn)題

3.1 處理方法單一且形式不當(dāng)

我國(guó)在固體廢物處理上，雖然已從露天填埋向焚燒、填埋、熱分解、石灰固化和生物處理等方法發(fā)展，但考慮到固體廢物產(chǎn)生量大、種類(lèi)多、危害時(shí)間長(zhǎng)、成分復(fù)雜等因素，固體廢物處理技術(shù)未真正有效利用且較為薄弱，處理效果未能達(dá)到預(yù)期。為追求更大的經(jīng)濟(jì)效益，在實(shí)際處理過(guò)程中企業(yè)采用單一的處理方法，從根本上未考慮固體廢物的復(fù)雜性，部分企業(yè)未能按照標(biāo)準(zhǔn)做好分類(lèi)和收集工作，不能有效針對(duì)不同固體廢物制定科學(xué)合理的處理方案[25，26]，直接采用焚燒和填埋的處理方式，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。當(dāng)前，西方國(guó)家在固體廢物處理不同的環(huán)節(jié)上設(shè)定對(duì)應(yīng)指標(biāo)，以便分析、處理數(shù)據(jù)。

3.2 綜合利用率低和區(qū)域間處理能力不平衡

總體上，近5年來(lái)全國(guó)一般工業(yè)固體廢物的平均綜合利用率在45%左右。從煤矸石和脫硫石膏來(lái)看，整體利用率也未達(dá)到預(yù)期水平，綜合利用率呈下降趨勢(shì)，表明工業(yè)固廢綜合利用還處在發(fā)展階段[27]。從經(jīng)濟(jì)層面看，部分固體廢物回收成本遠(yuǎn)大于回收價(jià)值，回收分類(lèi)體系和相應(yīng)回收技術(shù)也不夠成熟。

由于我國(guó)東西部發(fā)展水平受到經(jīng)濟(jì)、地理、科技、人才、交通、政策等多方面制約，存在區(qū)域處理能力失衡現(xiàn)象。因工業(yè)體系的完善，東部工業(yè)固廢處理能力處于較高水平，但礦產(chǎn)資源匱乏，西部恰恰相反，區(qū)域間處理水平和固體廢物量成反比。因此，積極建設(shè)綜合利用示范區(qū)，如開(kāi)工建設(shè)廣東南海國(guó)家級(jí)綜合性生態(tài)示范園、河南鄭州國(guó)家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)等固體廢物循環(huán)利用項(xiàng)目，也開(kāi)始規(guī)劃大連、煙臺(tái)、蘇州等生態(tài)示范區(qū)布局工作，加大區(qū)域之間的交流與合作，提升固體廢物的處理利用效率。

3.3 缺乏監(jiān)管力度與規(guī)范市場(chǎng)

由于管理不到位，具體生產(chǎn)和排放過(guò)程沒(méi)有得到有效監(jiān)管，工業(yè)固廢的運(yùn)輸及處置過(guò)程敷衍，且缺乏國(guó)家宏觀調(diào)控、政策、地方法規(guī)和指示[28]，政府部門(mén)不能有效監(jiān)管企業(yè)固廢生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移以及處置結(jié)果等環(huán)節(jié)，依然有企業(yè)存在隨意丟棄工業(yè)固廢的現(xiàn)象。雖然我國(guó)對(duì)于環(huán)保有了一定的宣傳，但缺乏專(zhuān)業(yè)化和社會(huì)化，對(duì)環(huán)保的認(rèn)知片面化和表層化，企業(yè)因追求更大的經(jīng)濟(jì)效益忽視或?qū)τ诃h(huán)境置之不顧。在政策因素上，我國(guó)在環(huán)保方面出臺(tái)了相關(guān)的法律法規(guī)，各級(jí)環(huán)保機(jī)構(gòu)與社會(huì)組織在分類(lèi)回收利用上雖已積累經(jīng)驗(yàn)，但缺乏規(guī)范細(xì)化和激勵(lì)處罰機(jī)制。

4 固體廢物防治措施

4.1 升級(jí)生產(chǎn)技術(shù)和強(qiáng)化固廢處理能力

堅(jiān)持實(shí)施綠色環(huán)保發(fā)展理念，盡可能減少固體廢物的排放，加大關(guān)鍵行業(yè)、領(lǐng)域向綠色化發(fā)展的改造力度，積極發(fā)展綠色生產(chǎn)，將固體廢物進(jìn)行無(wú)害化處理，加快實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。積極了解、學(xué)習(xí)和掌握國(guó)外優(yōu)秀生產(chǎn)技術(shù)，引進(jìn)現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)以提升國(guó)內(nèi)生產(chǎn)加工工藝水平，同時(shí)要注重生產(chǎn)加工技能培養(yǎng)。在工業(yè)固廢的處理上，加強(qiáng)自主研究，發(fā)明高端自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)處理技術(shù)，提升技術(shù)層次，加強(qiáng)處理效果，提高相關(guān)設(shè)備處置能力和固體廢物綜合利用率。

4.2 推廣宣傳新技術(shù)

MICP 技術(shù)可有效提高煤矸石回收利用率、提升煤矸石骨料性能、降低吸水率和解決重金屬高浸出問(wèn)題。脫硫石膏改良鹽堿土技術(shù)將成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)增加農(nóng)業(yè)耕地面積最直接的出路之一。上述技術(shù)減少煤矸石和脫硫石膏的堆積和填埋，提高利用率，加強(qiáng)資源循環(huán)利用，但真正投入應(yīng)用很少，需進(jìn)一步宣傳和推廣，科學(xué)構(gòu)建一些示范性工程案例，鼓勵(lì)自由投資，補(bǔ)上缺口部分，建立更為完善的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)機(jī)制推動(dòng)工業(yè)固廢處理多元化，并且打破工業(yè)固廢處理地方保護(hù)主義。

4.3 做好固廢分類(lèi)和綜合利用

大量的固體廢物集中排放后，首先要嚴(yán)格做好分類(lèi)和收集工作。分類(lèi)回收可提升工業(yè)固廢處理量，固體廢物有多種再利用方式，提取有價(jià)值組分，從金屬冶煉回收銅、鐵、金、銀、鎢、鋰等有價(jià)金屬和特有金屬；利用煤矸石、脫硫石膏、尾礦、冶煉廢渣、粉煤灰、爐渣、建筑廢物等固廢生產(chǎn)隔熱保溫材料、裝飾材料等建材；利用工業(yè)固廢替代生產(chǎn)原料，例如銅尾礦替代部分水泥生產(chǎn)混凝土，即節(jié)省原材料又提高混凝土性能；利用熱值很高且無(wú)污染的固體廢物發(fā)電供熱，發(fā)揮潛在能量。當(dāng)然，有毒有害的工業(yè)固廢須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的處理設(shè)施處置[29]。分類(lèi)回收利用不僅使固體廢物得到再生，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境起到保護(hù)作用[30]。

4.4 增強(qiáng)對(duì)環(huán)保行業(yè)的扁平化管理

建立健全法律法規(guī)，積極推進(jìn)環(huán)境政策有效實(shí)施，嚴(yán)厲打擊違法犯罪行為，加強(qiáng)環(huán)保產(chǎn)業(yè)對(duì)工業(yè)固廢管理信息中心建設(shè)，簡(jiǎn)化環(huán)保審批流程，建立和完善工業(yè)固廢應(yīng)急和預(yù)警機(jī)制，建設(shè)尋找先進(jìn)的環(huán)境管理系統(tǒng)，為可持續(xù)利用提供明智的解決方案。也要引進(jìn)第三方評(píng)價(jià)機(jī)制，評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)要根據(jù)政府部門(mén)出臺(tái)細(xì)則對(duì)工業(yè)固廢綜合利用做出評(píng)估，同時(shí)要有書(shū)面報(bào)告，判斷是否進(jìn)一步滿足工業(yè)固廢處理需要，加強(qiáng)相關(guān)職能部門(mén)的宏觀調(diào)控作用，促進(jìn)相關(guān)部門(mén)的交流與合作，大大提升固體廢物處理效率。

5 結(jié)論與展望

尋找固體廢物最佳處置方式是一個(gè)重要而漫長(zhǎng)的過(guò)程，目前我國(guó)固廢常見(jiàn)的處理方法有焚燒、填埋、熱分解、石灰固化和生物處理等，上述方法具有處理能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，也具有污染持續(xù)長(zhǎng)、有效利用率低等缺點(diǎn)。結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)情況，著重分析煤矸石、脫硫石膏和尾礦的處理與利用，發(fā)現(xiàn)其存在綜合利用率總體未達(dá)到預(yù)期效果、回收利用有效量占比不高、現(xiàn)有處理技術(shù)已處于瓶頸期、固廢處理新技術(shù)未全面推廣、處理不當(dāng)污染持續(xù)長(zhǎng)、缺乏資金投入與政府扶持等問(wèn)題。

結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀與實(shí)際問(wèn)題，提出以下策略：（1）從“三化”原則入手，可從原材料引入、生產(chǎn)加工和固體廢物處理3 個(gè)過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格把控。在原材料方面積極尋找新型、清潔和利用率高的材料；在生產(chǎn)加工中積極引進(jìn)先進(jìn)的工藝技術(shù)，提高該過(guò)程中材料利用效率；在固體廢物處理上選取合適的科學(xué)技術(shù)，提高固廢的資源化利用效率，減少固廢產(chǎn)生。（2）單一固體廢物處理技術(shù)有優(yōu)缺點(diǎn)，可使用兩種及以上技術(shù)共同處理。也可將常見(jiàn)的處理技術(shù)與新型處理技術(shù)聯(lián)用，可將一種處理技術(shù)作為前處理，進(jìn)行逐級(jí)處理，提高處理效率。（3）構(gòu)建處理數(shù)據(jù)庫(kù)，詳細(xì)記錄固體廢物處理前、中、后等參考性數(shù)據(jù)，建立處理模型，預(yù)測(cè)處理結(jié)果。