第5講 固態(tài)廢棄物的再資源化

1第五講固態(tài)廢棄物的再資源化2內(nèi)容提要1、前言2、生活垃圾的再資源化3、工業(yè)固態(tài)廢棄物的再資源化4、廢棄物復(fù)合材料5、國外垃圾再資源化的幾種方法31、前言固體廢棄物(SolidWasteMaterial)：城市生活垃圾、工業(yè)固體廢物、危險廢物、廢舊電子電器

再資源化(Recycling)：將廢棄物進行回收、粉碎、篩分等過程，再作為原料使用。再利用(Reuse/Remanufacture)：將整體功能使用壽命完結(jié)后的物件進行重組，經(jīng)過洗滌重復(fù)使用。指導(dǎo)思想：“三化”原則(減量化、資源化、無害化)和3R原則(reduce、reuse、recycle)42、生活垃圾的再資源化2.1生活垃圾現(xiàn)狀生活垃圾主要包括居民生活垃圾、街道保潔垃圾和集團垃圾三大類。2004年我國產(chǎn)生1.55億噸生活垃圾，占世界垃圾總量的32%。在688個主要城市中，有2/3被垃圾“包圍”，有1/4的城市無垃圾掩埋場可用。以上海為例，每天生活垃圾15200噸，基本都是經(jīng)過掩埋處理，而掩埋場總面積410萬平方米中已經(jīng)使用89%。更為嚴重的是生活垃圾以每年10%的速度遞增。5生活垃圾工業(yè)垃圾6Scrapcars72.2城市垃圾的再資源化的潛力我國城市垃圾成分正在發(fā)生根本性變化，有機成分已達90%，無機物約10%，密度約235kg/m3，平均熱值較高(4000kJ/kg)。2010年我國垃圾將達到2.9億噸，若70%進行填埋，按每kg垃圾將產(chǎn)生0.064～0.44m3氣體計算，若回收全部填埋氣體將產(chǎn)生40～280億m3的天然氣，相當于我國目前天然氣的總產(chǎn)量。說明我國城市垃圾再資源化潛力較大。82.3再資源化存在的主要問題雖然掩埋場有垃圾焚燒場，但未能對其進行分類收集，很難實現(xiàn)令人滿意的焚燒處理或回收利用。垃圾堆肥等有利環(huán)境的處理只占14%，包括掩埋的處理比例僅為52%，一半左右的垃圾隨便堆放在郊外或大街上。垃圾發(fā)電廠沒有發(fā)揮預(yù)期的效果，原因在于可作為發(fā)電燃料的可燃性垃圾與其他垃圾未得到很好的分離。資金投入嚴重不足。92.4目前生活垃圾處理的主要途徑

填埋、焚燒、堆肥（1）填埋處理

方法：將垃圾填入已預(yù)備好的坑中蓋土壓實，使其發(fā)生生物、物理、化學(xué)變化，分解成有機物，達到減量和無害化的目的。這是我國目前普遍采用的主要處理方法。

優(yōu)點：處理費用低，方法簡單。

缺點：容易造成地下水資源二次污染。

再資源化：采用衛(wèi)生填埋(sanitarylandfill)技術(shù)，對滲漏液進行治理，收集和處理可燃氣體(如沼氣)，加以利用，實現(xiàn)再資源化。10上海老港生活垃圾衛(wèi)生填埋場11大型城市垃圾綜合處理成套系統(tǒng)12（2）焚燒處理

方法：將垃圾置入高溫爐中，使可燃成分充分氧化，產(chǎn)生的熱量可用于發(fā)電和供暖。

優(yōu)點：減重效果好(殘渣體積減少90%，重量減少80%)，處理徹底；殘灰可作優(yōu)質(zhì)肥料或水泥原料。缺點：焚燒廠的建設(shè)和生產(chǎn)費用昂貴，焚燒易產(chǎn)生有害氣體(二惡英)，造成二次環(huán)境污染。再資源化：美國西屋公司和奧康諾公司研制的垃圾轉(zhuǎn)化能源系統(tǒng)的焚燒效率達95%，可將熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽，用于暖氣和蒸汽渦輪發(fā)電機等。13日本和西歐主要國家焚燒爐情況日本對焚燒爐煙氣中二惡英(強致癌物)的控制標準14布陣嶺垃圾處理場15鄭州滎錦垃圾發(fā)電廠是我國最大垃圾發(fā)電廠，裝機容量２×１.２萬千瓦，每天為鄭州市解決１０００噸垃圾16（3）堆肥處理

方法：將生活垃圾堆積成堆，保溫至70℃儲存、發(fā)酵，借助微生物將垃圾中的有機物分解成無機養(yǎng)分，用作肥料。

優(yōu)點：成本低，既解決了垃圾的出路，又達到再資源化目的。

缺點：生活垃圾堆肥量大，長期使用易造成土壤板結(jié)和地下水質(zhì)變壞，因此堆肥規(guī)模不宜過大，最好多點分散進行。17國內(nèi)外堆肥廠情況對比中國城市垃圾生物處理技術(shù)達國際先進水平哈爾濱工業(yè)大學(xué)一個科研小組首次提出以城市居民糞便和生活垃圾為主、以粉煤灰為輔制造混合堆肥的方法。由生活垃圾提供結(jié)構(gòu)強度、孔隙率和有機質(zhì)，糞便提供氮磷和有機質(zhì)，粉煤灰提供微量元素，攻克了利用城市垃圾生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機肥的難關(guān)。18垃圾處理新型工藝流程19202.5其它再資源化方法2.5.1再資源土壤化

生活垃圾與白泥混合填埋并使之土壤化，由于生活垃圾中含有15%的有機質(zhì)，pH值約為7.8，且N、P、K含量豐富。而白泥中含Ca、Mg離子，二者混合能增強植物光合作用。垃圾土中摻入15%白泥，種植小麥比垃圾土增產(chǎn)12.9%，比栽培土增產(chǎn)50.9%。注：白泥是氨堿法制堿過程中排出的一種廢渣。212.5.2利用城市廢棄物制備生態(tài)水泥

(1)原料利用城市廢棄物(垃圾焚燒灰渣和下水道污泥)生產(chǎn)水泥。其原料60%為廢棄物(垃圾焚燒灰占20%～30%)，生產(chǎn)過程中燒成溫度為1000～1300℃，燃料用量和CO2排放量比普通水泥少得多，稱為“生態(tài)水泥”。脫水污泥呈泥狀，需加入等量的生石灰經(jīng)脫水、殺菌和除臭后可作為水泥生產(chǎn)原料。此外還要加入約40%的鋁工業(yè)排放的廢渣赤泥，以調(diào)整成分。2223(2)生態(tài)水泥生產(chǎn)流程24(3)生態(tài)水泥的生產(chǎn)問題及解決方案原料由生活廢棄物及赤泥等組成，成分變動大，必須使用石灰石、粘土、砂巖、鐵渣調(diào)整成分。為使原料成分均勻，應(yīng)配備二套貯存、混合用的料倉，每個料倉的容量應(yīng)足夠48小時生產(chǎn)使用。燒成過程中在回轉(zhuǎn)窯尾部及風道中易形成KCl和NaCl的低熔點共晶，堵塞管道。為此須控制燃料供給量和窯轉(zhuǎn)數(shù)，優(yōu)化氣氛和溫度分布曲線。252.5.3生活垃圾燃料電池采用新型固定床高溫甲烷發(fā)酵與燃料電池聯(lián)合發(fā)電是生活垃圾再資源化的一種新方法。甲烷發(fā)酵：在厭氧狀態(tài)下，以甲烷菌為主體，利用微生物分解有機物，生成以甲烷為主要成分的生物氣。日本高溫甲烷發(fā)酵裝置“METACRES”發(fā)生的生物氣含甲烷60%～70%，可用于燃料電池發(fā)電。其發(fā)電效率與投入生物氣的發(fā)熱量有關(guān)，通常為32%～35%。2627生活垃圾燃料電池生產(chǎn)過程

生活垃圾預(yù)處理：分選除雜，膏狀化，加水粉碎成為漿料化后送入漿料槽。

生物反應(yīng)器：用循環(huán)泵向生物反應(yīng)器中輸送發(fā)酵液，使之在反應(yīng)器中形成向下流的循環(huán)；利用熱交換器控制發(fā)酵溫度為55℃

生物氣精制：生物氣除含甲烷、CO2外，還含H2S，氨等腐蝕性氣體，造成燃料電池催化劑老化。通常采用脫硫劑和活性碳精制凈化。

燃料電池發(fā)電設(shè)備：由50kW的磷酸型燃料電池(PAFC)、生物氣甲烷變換設(shè)備、直交流轉(zhuǎn)換裝置以及涼水塔、水處理裝置等構(gòu)成。28不純氣體成分濃度生物氣發(fā)生狀況(平均值)293.1排煙脫硫石膏的資源化硫化污染：SO2是污染環(huán)境、破壞生態(tài)的主要廢氣之一，我國每年排放量達2800萬噸。石灰石-石膏濕法排煙脫硫法原理：

SO2+H2OH2SO3

H2SO3+1/2O2H2SO4H2SO4+CaCO3+H2OCaSO4·2H2O+CO23、工業(yè)固態(tài)廢棄物的再資源化30

CaSO4·2H2O的再資源化(1)脫水后與粉煤灰混合制成空心砌磚，稱為“綠色”墻體材料。(2)用作地面自動平整材料(Self-levelingFlooring)。它是以無機膠凝材料為其基礎(chǔ)的新材料，具有良好的流動性，采用泵送澆注法施工，可得光潔樓板地面，穩(wěn)定性好。將在未來混凝土自流平層及舊地面、起砂地面的修補等方面具有廣闊前景。313.2低硅尾礦的資源化3.2.1尾礦危害尾礦是僅次于煤矸石、粉煤灰的第三大固體廢棄物。尾礦中的有害物質(zhì)對土地、大氣、水體造成嚴重污染。尾礦壩成為潛在的災(zāi)害源，管理成本越來越高，已造成多次人身傷亡和財產(chǎn)損失。3.2.2尾礦現(xiàn)狀我國是最大的尾礦產(chǎn)出國，堆放量達50億噸以上，且每年增加5億噸。尾礦數(shù)量大、類型多、性質(zhì)復(fù)雜，尾礦利用率小于7%。323.2.3尾礦綜合利用利用尾礦制備微晶玻璃(1)微晶玻璃微晶玻璃是在高溫下使結(jié)晶從玻璃中析出而成的材料，由結(jié)晶相和部分玻璃相組成，盡管拋光板的表面光潔度遠高于石材，但是光線不論由任何角度射入，經(jīng)由結(jié)晶微妙的漫反射方式，均可形成自然柔和的質(zhì)感，毫無光污染。33(2)研制歷史1957年美國康寧玻璃公司斯徒基工程師在研制新產(chǎn)品產(chǎn)品時首次發(fā)現(xiàn)微晶玻璃；1975年英國麥克倫教授在其專著《微晶玻璃》中指出微晶玻璃是非晶態(tài)材料和晶態(tài)材料的完美結(jié)合；1989年我國首次用鐵礦尾礦成功制備微晶玻璃，當時稱為微晶玻璃花崗巖；1991年完成燒結(jié)法工藝尾礦微晶玻璃工業(yè)試驗；2000科技部“九五”國家重點科技攻關(guān)計劃《尾礦微晶玻璃生產(chǎn)工藝研究》項目啟動34(3)石棉尾礦微晶玻璃原料

主要原料采用石棉尾礦，其它成分均采用工業(yè)原料,如硅砂、長石、炭粉等。原料的化學(xué)組成見表。35配料根據(jù)尾礦成分,確定研制的尾礦微晶玻璃屬于MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)，如圖。根據(jù)相圖,比較理想的晶相組成為鎂橄欖石或堇青石,它具有較強的耐酸堿腐蝕性,良好的電絕緣性,較高的機械強度和由中等到較低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)越性能.尾礦微晶玻璃成分原料配比36MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)相圖37晶核劑礦渣微晶玻璃最常用的晶核劑有ZnO、TiO2、Cr2O3等。比較其結(jié)晶情況,發(fā)現(xiàn)加入7～9%的TiO2作晶核劑的試樣結(jié)晶效果最好,且試樣強度高。工藝流程配料→混合→熔制→成形→退火→晶化→二次加工(磨光、切割等)→成品38熔制曲線39熱處理(晶化)晶化處理是微晶制備過程中的主要環(huán)節(jié),必須嚴格的控制才能得到所需的微細晶粒和足夠的晶相。晶化熱處理溫度根據(jù)DTA曲線確定。DTA曲線40它包括核化(663℃,保溫1ｈ)和晶體長大(838℃,保溫2ｈ)兩個階段。通過反復(fù)實驗,確定第一階段最佳升溫速率為300℃/ｈ,第二階段最佳升溫速率為130℃/ｈ。微晶化處理在額定溫度為1000℃硅碳棒電爐中進行。熱處理(晶化)工藝4142(3)其它尾礦微晶玻璃SiC晶須增韌的鎢尾礦微晶玻璃

材料的力學(xué)性能制備工藝：配料→熔制→澆注成形→冷卻→熱處理→研磨拋光→成品。43可見ＳｉＣ晶須從基體中的拔出部分及拔出后殘存的空洞。這種晶須拔出效應(yīng)因介面摩擦消耗外界負載的能量而達到增韌補強的目的。這說明在復(fù)合材料中含有晶須拔出增韌補強機制。試樣的斷口ＳＥＭ44鐵尾礦制備微晶玻璃銅尾礦制備微晶玻璃黃金尾礦制備微晶玻璃黃金尾礦制備微晶玻璃鉀長石尾礦制備微晶玻璃花崗巖鉭鈮尾礦制備微晶玻璃注：其制備工藝基本相同。453.2.4尾礦的其它再資源化方法(1)填埋和復(fù)墾經(jīng)處理過的尾礦可用作填埋材料。國外礦山的復(fù)墾率已達80%，我國相對滯后。(2)利用尾礦生產(chǎn)建筑材料

尾礦磚：對尾礦適應(yīng)性較強，制造成本低。

水泥和混凝土：以鈣質(zhì)和硅質(zhì)材料在高溫高壓飽和蒸汽條件下經(jīng)鈣硅水熱合成反應(yīng)制得，具有輕質(zhì)、隔熱和可加工等特點。46(3)農(nóng)業(yè)應(yīng)用----制備微量元素化肥俄羅斯利用銅、錳尾礦直接作微量元素化肥，取得良好效果。馬鞍山礦山研究院將鐵尾礦經(jīng)磁場處理生產(chǎn)出磁化肥料，改善了土壤結(jié)構(gòu)性和孔隙度，使早稻增產(chǎn)12.6%，大豆增產(chǎn)15.5%。47

日本東京都國立產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所成功地將玻璃瓶碎片和澆注鋼筋混凝土時產(chǎn)生的淤渣，變成了一種理想的裝潢材料。制造原料的９５％以上是玻璃瓶碎片以及鋼筋混凝土淤渣，另外還要加入一定的硫化鐵、硫酸鈉和石墨以控制結(jié)晶的生成。制造時，先給混合后的原料加１４５０攝氏度的高溫使之熔融成形，然后除去成形物中的氣泡，再在８５０至１１００攝氏度的環(huán)境下加熱后使之漸漸冷卻。經(jīng)測試，用此法生產(chǎn)的材料，其彎曲強度約為大理石的１．６５倍，耐酸性則是大理石的８倍。雖然目前這種材料因成本較高，還不能成為裝潢市場的主流，但業(yè)內(nèi)人士認為，這種技術(shù)有助于處理都市廢棄物，今后有望普及。3.2.5由玻璃碎片和混凝土渣生產(chǎn)的裝潢材料483.3廢塑料制備綠色建材利用廢塑料和粉煤灰制備建筑用瓦

粉煤灰表面積大，與塑料有良好的結(jié)合力，可保證制備的瓦具有較高的強度和較長的使用壽命；加入石墨利于脫模，并提高制品抗老化能力；加入CaCO3提高制品的硬度和韌性，減小變形。利用廢泡沫塑料作隔熱保溫材料

聚苯乙烯泡沫一般用作包裝材料和一次性餐具。消泡后的廢聚苯乙烯泡沫加入適量的改性劑、發(fā)泡劑、催化劑、穩(wěn)定劑等，經(jīng)加熱發(fā)泡，壓制成具有微細密閉氣孔的硬質(zhì)聚苯乙烯泡沫塑料板。49利用廢泡沫塑料制備防水涂料

對廢泡沫塑料改性，可制備常溫速干、耐水時間長的水乳性防水涂料，也可代替防潮防油涂料用于紙箱。

利用廢泡沫塑料制備硝基苯甲酸

硝基苯甲酸(PNBA)主要用于制造強力纖維、農(nóng)藥、染料、樹脂、彩色膠卷成色劑等。將廢泡沫塑料經(jīng)硝化氧化即可制得。利用廢泡沫塑料裂解制備苯乙烯

制備方法有熱裂解、催化裂解和無氧催化裂解50樹脂基廢棄物復(fù)合材料基體材料----廢舊熱塑性材料，如廢舊農(nóng)用膜、食品袋、編織袋、舊輪胎再生膠等。增強材料----工業(yè)固體廢棄物，如尾礦、爐渣、粉煤灰、玻璃纖維下腳料等。4、廢棄物復(fù)合材料51陶瓷基廢棄物復(fù)合材料基體材料----廢棄物材料中含有活性SiO2、Al2O3，與添加劑中的Ca2+水化生成CSH和CAH，作基材。增強材料----其它粒狀或纖維狀的廢棄物包裹在其中作增強相。金屬基廢棄物復(fù)合材料基體材料----廢舊易拉罐、鋁合金型材邊角料等回收金屬。增強材料----碎玻璃、玻璃纖維廠的廢棄物等硬質(zhì)相。52自然資源(木材、石油)生產(chǎn)過程包裝材料消費生產(chǎn)過程建筑材料消費建筑垃圾再循環(huán)廢棄物回收焚燒或填埋污染空氣或水生活垃圾HB復(fù)合板原材料資源再生循環(huán)圖535、國外垃圾再資源化的幾種方法用回收舊瓶制玻璃砂用塑料垃圾鋪路用舊鞋生產(chǎn)新鞋用中藥渣造紙將廢棄混凝土再生使用廢紙制板材垃圾氣化發(fā)電54用廢舊輪胎吸收噪音用廢焦油制取汽車燃油從廢棄橙皮中榨取工業(yè)溶劑用廢磁帶制纜繩用煤灰制造吸音材料從垃圾中提取有用金屬55MetalsTwo-thirdsofthemetalwastedcomesfromsteeloraluminumcansandfoil.Recyclingtheseiseasy,profita