固廢處理與人類社會可持續(xù)發(fā)展

供稿|任可飄，佘雪峰 / REN Ke-piao, SHE Xue-feng

內(nèi)容導(dǎo)讀

工業(yè)革命使得人類從農(nóng)業(yè)社會進入工業(yè)社會，大機器生產(chǎn)極大地提高了社會生產(chǎn)力，給我們的生活帶來許多便利，但是我們需要透過現(xiàn)象看本質(zhì)，深入思考一下，工業(yè)化除了生產(chǎn)大量生活中離不開的工業(yè)品之外給我們的生活帶來了哪些負面影響，在這個過程中要怎么解決這些負面問題？本文將從鋼鐵廠固體廢棄物處理角度出發(fā)探討其對人類可持續(xù)發(fā)展的意義。

“To be or not to be, that is a question!” 這是莎士比亞的問題?？沙掷m(xù)發(fā)展和不可持續(xù)發(fā)展是我們要回答的問題。人類在18世紀實現(xiàn)工業(yè)革命，使得人類社會從農(nóng)業(yè)社會邁向工業(yè)社會。工業(yè)化的出現(xiàn)極大提高了社會生產(chǎn)力，人類生活水平有了質(zhì)的飛躍。工業(yè)給我們帶來便利的同時，也帶來嚴重危害，比如空氣污染、水污染、土壤污染等一系列難題，全球氣候變化更是當前全人類亟待解決的問題。各種工業(yè)產(chǎn)生的許多廢棄物以不合理的處理方式堆存富集在自然界中，對環(huán)境有著持續(xù)性影響，用合適的方法處理這些廢棄物是當前科研工作者面臨的重大課題。

西方國家工業(yè)化污染

自18世紀下半葉起，英國等歐洲國家率先實現(xiàn)工業(yè)革命，美國和日本等緊跟其后，如圖1所示。工業(yè)革命極大提高了社會生產(chǎn)力，科學(xué)技術(shù)得到空前發(fā)展，人類社會生活有了天翻地覆的變化，最終建立了以煤炭、冶金、化工等為基礎(chǔ)的工業(yè)化體系[1]。第一次工業(yè)革命以蒸汽機的改良為基礎(chǔ)，大范圍推廣使用蒸汽機使得地下儲備億萬年的煤炭資源得到開發(fā)利用。煤作為工業(yè)化初期的主要能源，各國煤炭產(chǎn)量大幅度上升，到1900年時，英、美、德、法、日5國煤炭產(chǎn)量總和已達6.641億t[2]。煤的大規(guī)模開采和使用，在提高生產(chǎn)力、降低勞動者工作強度的同時，向大氣中排放CO、CO2、NOx、SO2、粉塵等大量污染物。冶金等重工業(yè)在排放SO2等污染氣體的同時，還會排放鉛、鋅、鎘、銅、砷等重金屬，污染大氣、土壤和水資源，嚴重危害人類身體健康。最早實現(xiàn)工業(yè)革命的英國在19世紀因空氣污染、水污染吞噬了成百上千的英國人的生命，舉世聞名的“霧都”倫敦因空氣污染而得名。在1873年、1880年和1892年，倫敦相繼發(fā)生由燃煤造成的毒霧事件，先后奪去了1800人的生命。在1832—1886年間，倫敦因泰晤士河水污染過于嚴重共有4次霍亂流行，僅1849年一次就死亡14000人[3]。

圖1 第一次工業(yè)革命

19世紀末20世紀初，第二次工業(yè)革命(圖2)在全世界多個國家興起，以后起的資本主義國家美國和德國為中心，在電力、無線電、內(nèi)燃技術(shù)、冶金、化工等多方面技術(shù)革新，對人類社會的經(jīng)濟、政治、文化、軍事、科技等方面產(chǎn)生了深遠的影響[4]。隨著工業(yè)革命進程推進，美國工業(yè)城市芝加哥、匹茲堡、圣·路易斯和辛辛那提等城市空氣污染相當嚴重，德國工業(yè)中心的上空也長期被灰黃色的霧霾所籠罩。日本人民因食用鋅、鉛冶煉廠含鎘廢水所澆灌的稻米而患上“痛痛病”，長期食用富含甲基汞的工業(yè)廢水毒害的水產(chǎn)品而導(dǎo)致“水俁病”[1]。由此可知工業(yè)革命是把雙刃劍，一邊是大幅度提高生產(chǎn)效率方便人民生活，一邊是給人們生活帶來巨大影響乃至于危及生命。

圖2 第二次工業(yè)革命

電力主要依靠于火力發(fā)電，內(nèi)燃機逐步取代蒸汽機后，推動汽車、航天領(lǐng)域飛速發(fā)展，并對冶金等領(lǐng)域提出全新要求。但是這些技術(shù)發(fā)展大都依靠于消耗煤炭、石油等化石燃料，也就意味著億萬年前植物所固定的非活動狀態(tài)的碳釋放出來，隨之而來的就是大氣中CO2含量呈現(xiàn)指數(shù)形式的升高[5]。如果CO2和其他溫室氣體的含量持續(xù)升高，那么溫室效應(yīng)勢必會引起全球變暖和氣候變遷，根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化委員會(IPCC)測算：如果大氣溫度升高2 ℃，地球和人類將面臨不可逆的氣候災(zāi)難。圖3為溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球冰雪融化。

圖3 溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球變暖

到目前為止，雖然有風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽能發(fā)電等新的發(fā)電方式以及天然氣、可燃冰等眾多清潔能源，但是由于技術(shù)、生產(chǎn)效率、環(huán)境風(fēng)險等條件限制，無法完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料。開采煤礦、石油等傳統(tǒng)資源的過程又勢必要砍伐樹木，破壞森林、草地等植被造成生物圈固碳能力的不斷削弱。西方各國工業(yè)革命以來所造成血的教訓(xùn)都像是大自然給人類的警告，工業(yè)革命就像是打開了潘多拉魔盒，而且隨著發(fā)展中國家追求工業(yè)化、城市化、現(xiàn)代化腳步的繼續(xù)，地球環(huán)境無法承載照搬西方國家粗放式發(fā)展現(xiàn)代化經(jīng)驗帶來的后果。

固體廢棄物危害與處理

面對嚴峻的環(huán)境形勢與現(xiàn)代化發(fā)展的矛盾現(xiàn)狀，“我們既要綠水青山，也要金山銀山”闡明了經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護的辯證統(tǒng)一關(guān)系[6]。我們深知西方國家現(xiàn)代化經(jīng)驗無法照搬，不能走“先污染，再治理”的老路，但是隨著我國現(xiàn)代化的進行，各種污染物仍在產(chǎn)生，必須采用有效的、無害的方式進行處理。當我們意識到問題時，是解決問題的開始；當我們提出目標時，更應(yīng)找出正確路徑以實現(xiàn)既定目標?！拔覀儾坏岢鋈蝿?wù)，而且要解決完成任務(wù)的方法問題。我們的任務(wù)是過河，但是沒有橋或者沒有船就不能過。不解決橋或者船的問題，過河就是一句空話。不解決方法問題，任務(wù)也只是瞎說一頓”[7]。不能空談問題而是要能夠提出解決問題的方法。

以固體廢棄物為例，固體廢棄物一般包含城市固廢和工業(yè)固廢，城市固廢每年以8%～9%的速度在增長，城市人均年生活垃圾產(chǎn)生量約為450～500 kg[8]。隨著人口總數(shù)增長和城市化進行，城市垃圾處理壓力逐步增加。目前我國仍有80%的城市垃圾通過填埋處理，城市建設(shè)垃圾資源化綜合利用率不到30%，遠低于日韓和歐盟的90%[9]。而且早期垃圾填埋只是簡單的填埋，沒有考慮過垃圾中氣、液污染問題，造成嚴重環(huán)境污染。21世紀以來，隨著我國相關(guān)技術(shù)進步，有效解決填埋防滲問題，廣州、深圳等許多新建的垃圾衛(wèi)生填埋場采用了先進的HDPE膜防滲技術(shù)[10]。除了填埋處理，另一項主要處理措施是焚燒。城市固廢焚燒可有效減容減重，但是焚燒過程中產(chǎn)生的二噁英會對人體產(chǎn)生不可逆的危害。隨著焚燒技術(shù)發(fā)展和焚燒設(shè)備完善，二噁英排放已被有效控制。任何單一處理工藝都無法使得城市固廢完全達標，但多工藝協(xié)同處理由于成本限制導(dǎo)致直到2011年還有相當數(shù)量的垃圾填埋廠防滲達不到要求。近年來隨著對環(huán)保的重視和技術(shù)的提高，以及推行垃圾分類試點等措施有望解決我國城市固廢處理難題。圖4為城市固體廢棄物現(xiàn)狀。

圖4 城市固體廢棄物

相對于城市固廢來說，工業(yè)固廢產(chǎn)生量更大，污染性更強，含有諸多重金屬元素，如果處理不當將造成更加深遠的負面影響。工業(yè)固廢主要由工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵、爐渣、廢料等廢棄物組成，主要來源于采礦、化工、非金屬礦物加工、電力煤氣生產(chǎn)、黑色和有色冶金等行業(yè)[11]。單就黑色冶金行業(yè)來說，2020年我國粗鋼產(chǎn)量達10.53億t，鋼鐵產(chǎn)量穩(wěn)居全球第一。隨著鋼鐵產(chǎn)量逐年上升，由此帶來的各種廢棄物對環(huán)境的污染也日益加深，一般鋼鐵企業(yè)粉塵的產(chǎn)生量為鋼產(chǎn)量的8%～15%[12]，以此計算，我國鋼鐵企業(yè)每年的粉塵產(chǎn)生量在1億t左右，冶金粉塵的處理的必要性和緊迫性給科研人員提出高質(zhì)量要求。鋼鐵企業(yè)粉塵主要成分如表1所示。

表1 鋼鐵企業(yè)粉塵主要成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

目前粉塵的利用率還不足20%。由于冶金粉塵粒度較小、表面積大、加濕比較困難[13]，大多鋼鐵企業(yè)將這些粉塵作為高爐煉鐵或者燒結(jié)原料，但是不加處理的冶金粉塵直接加入燒結(jié)機或高爐因為鋅或堿金屬的存在，直接影響燒結(jié)礦質(zhì)量，或者造成高爐結(jié)厚、結(jié)瘤，破壞爐襯，風(fēng)口上翹煤氣分布不均造成冷卻壁損壞影響冶金進程和高爐壽命，減損企業(yè)效益[14]。冶金粉塵主要處理方式有填埋法、物理法、火法、濕法和聯(lián)合法。直接填埋會造成嚴重污染，并且會占用大量土地，填埋前高溫固化處理可減少污染，但是其中有價值元素不能再次回收利用。填埋相當于將有價值元素全部封存，此方法本身屬于資源浪費；物理法處理能力有限，只作為濕法或火法工藝的預(yù)處理工藝；火法工藝存在流程復(fù)雜、工序多、能耗高、回收率低的缺點，且回收得到的元素混雜，實際操作中無法精準分離回收；濕法工藝一般只能處理中鋅和高鋅粉塵，低鋅粉塵需要在濕法工藝前增加富集工藝。相比之下火法-濕法聯(lián)合處理工藝應(yīng)用前景較廣，綜合回收效益好、環(huán)境污染小，回收單用火法或濕法不能回收的金屬元素?；鸱?濕法聯(lián)合梯級分離回收技術(shù)可將冶金粉塵中有價值元素盡可能的回收，且回收過程所使用的原料循環(huán)利用，不向外界造成二次環(huán)境污染，并且可以保證生產(chǎn)效率，將各種元素分離提純，實現(xiàn)企業(yè)效益最大化目標。具體回收過程如圖5所示。

圖5 火法-濕法聯(lián)合處理工藝示意圖

火法-濕法聯(lián)合處理工藝有效克服了火法處理能耗高、回收率低、不能精準分離元素等缺點。通過火法富集可以使得濕法應(yīng)用范圍更廣，不僅僅局限于處理中、高鋅粉塵，同時將已填埋粉塵賦予新的價值。冶金粉塵元素梯級回收就像處理城市固廢垃圾分類一樣，將不同的有價值元素采用合適工藝收得，有效解決冶金粉塵堆存污染問題。

固廢處理的未來展望

“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”[15]。中國作為全世界惟一擁有聯(lián)合國產(chǎn)業(yè)分類中所列全部工業(yè)門類的國家，擁有41個工業(yè)大類、207個工業(yè)中類、666個工業(yè)小類，形成了獨立完整的現(xiàn)代工業(yè)體系[16]。中國正在運用智慧和努力走出一條不同于西方國家“先污染、后治理”的工業(yè)化道路，作為發(fā)展中國家，“碳中和、碳達峰”的目標處處體現(xiàn)著大國責任與擔當。

基于目前每年都在增長的鋼產(chǎn)量的現(xiàn)狀，冶金粉塵等固體廢棄物逐年增加，火法-濕法聯(lián)合處理工藝對于改善當前現(xiàn)狀提供了一種可行技術(shù)方案，有望解決或緩解冶金粉塵堆存污染問題。冶金粉塵處理僅僅是固廢處理的一部分內(nèi)容，本著“垃圾是放錯地方的資源”的理念，城市固廢和工業(yè)固廢等固體廢棄物如果全部回收利用，將極大地減少環(huán)境污染的影響，而固廢處理也只是環(huán)境保護的一小步，在一定程度上可以降低工業(yè)化、城市化進程中的負面影響，服務(wù)于國家“生態(tài)文明”戰(zhàn)略，同時有助于建設(shè)美麗的現(xiàn)代化國家。我國作為最大的發(fā)展中國家，依靠經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護辯證統(tǒng)一的理論，人類社會可持續(xù)還是不可持續(xù)或許已經(jīng)不是問題。隨著國家對于環(huán)境保護的重視，科研投入不斷增加，人民環(huán)保意識不斷增強，科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，空氣污染物已顯著降低，水污染得到有效遏制。