固废处理与人类社会可持续发展

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

内容导读

工业革命使得人类从农业社会进入工业社会，大机器生产极大地提高了社会生产力，给我们的生活带来许多便利，但是我们需要透过现象看本质，深入思考一下，工业化除了生产大量生活中离不开的工业品之外给我们的生活带来了哪些负面影响，在这个过程中要怎么解决这些负面问题？本文将从钢铁厂固体废弃物处理角度出发探讨其对人类可持续发展的意义。

“To be or not to be, that is a question!” 这是莎士比亚的问题。可持续发展和不可持续发展是我们要回答的问题。人类在18世纪实现工业革命，使得人类社会从农业社会迈向工业社会。工业化的出现极大提高了社会生产力，人类生活水平有了质的飞跃。工业给我们带来便利的同时，也带来严重危害，比如空气污染、水污染、土壤污染等一系列难题，全球气候变化更是当前全人类亟待解决的问题。各种工业产生的许多废弃物以不合理的处理方式堆存富集在自然界中，对环境有着持续性影响，用合适的方法处理这些废弃物是当前科研工作者面临的重大课题。

西方国家工业化污染

自18世纪下半叶起，英国等欧洲国家率先实现工业革命，美国和日本等紧跟其后，如图1所示。工业革命极大提高了社会生产力，科学技术得到空前发展，人类社会生活有了天翻地覆的变化，最终建立了以煤炭、冶金、化工等为基础的工业化体系[1]。第一次工业革命以蒸汽机的改良为基础，大范围推广使用蒸汽机使得地下储备亿万年的煤炭资源得到开发利用。煤作为工业化初期的主要能源，各国煤炭产量大幅度上升，到1900年时，英、美、德、法、日5国煤炭产量总和已达6.641亿t[2]。煤的大规模开采和使用，在提高生产力、降低劳动者工作强度的同时，向大气中排放CO、CO2、NOx、SO2、粉尘等大量污染物。冶金等重工业在排放SO2等污染气体的同时，还会排放铅、锌、镉、铜、砷等重金属，污染大气、土壤和水资源，严重危害人类身体健康。最早实现工业革命的英国在19世纪因空气污染、水污染吞噬了成百上千的英国人的生命，举世闻名的“雾都”伦敦因空气污染而得名。在1873年、1880年和1892年，伦敦相继发生由燃煤造成的毒雾事件，先后夺去了1800人的生命。在1832—1886年间，伦敦因泰晤士河水污染过于严重共有4次霍乱流行，仅1849年一次就死亡14000人[3]。

图1 第一次工业革命

19世纪末20世纪初，第二次工业革命(图2)在全世界多个国家兴起，以后起的资本主义国家美国和德国为中心，在电力、无线电、内燃技术、冶金、化工等多方面技术革新，对人类社会的经济、政治、文化、军事、科技等方面产生了深远的影响[4]。随着工业革命进程推进，美国工业城市芝加哥、匹兹堡、圣·路易斯和辛辛那提等城市空气污染相当严重，德国工业中心的上空也长期被灰黄色的雾霾所笼罩。日本人民因食用锌、铅冶炼厂含镉废水所浇灌的稻米而患上“痛痛病”，长期食用富含甲基汞的工业废水毒害的水产品而导致“水俣病”[1]。由此可知工业革命是把双刃剑，一边是大幅度提高生产效率方便人民生活，一边是给人们生活带来巨大影响乃至于危及生命。

图2 第二次工业革命

电力主要依靠于火力发电，内燃机逐步取代蒸汽机后，推动汽车、航天领域飞速发展，并对冶金等领域提出全新要求。但是这些技术发展大都依靠于消耗煤炭、石油等化石燃料，也就意味着亿万年前植物所固定的非活动状态的碳释放出来，随之而来的就是大气中CO2含量呈现指数形式的升高[5]。如果CO2和其他温室气体的含量持续升高，那么温室效应势必会引起全球变暖和气候变迁，根据联合国政府间气候变化委员会(IPCC)测算：如果大气温度升高2 ℃，地球和人类将面临不可逆的气候灾难。图3为温室效应导致的全球冰雪融化。

图3 温室效应导致全球变暖

到目前为止，虽然有风力发电、水力发电、核能发电、太阳能发电等新的发电方式以及天然气、可燃冰等众多清洁能源，但是由于技术、生产效率、环境风险等条件限制，无法完全代替传统化石燃料。开采煤矿、石油等传统资源的过程又势必要砍伐树木，破坏森林、草地等植被造成生物圈固碳能力的不断削弱。西方各国工业革命以来所造成血的教训都像是大自然给人类的警告，工业革命就像是打开了潘多拉魔盒，而且随着发展中国家追求工业化、城市化、现代化脚步的继续，地球环境无法承载照搬西方国家粗放式发展现代化经验带来的后果。

固体废弃物危害与处理

面对严峻的环境形势与现代化发展的矛盾现状，“我们既要绿水青山，也要金山银山”阐明了经济发展与生态保护的辩证统一关系[6]。我们深知西方国家现代化经验无法照搬，不能走“先污染，再治理”的老路，但是随着我国现代化的进行，各种污染物仍在产生，必须采用有效的、无害的方式进行处理。当我们意识到问题时，是解决问题的开始；当我们提出目标时，更应找出正确路径以实现既定目标。“我们不但要提出任务，而且要解决完成任务的方法问题。我们的任务是过河，但是没有桥或者没有船就不能过。不解决桥或者船的问题，过河就是一句空话。不解决方法问题，任务也只是瞎说一顿”[7]。不能空谈问题而是要能够提出解决问题的方法。

以固体废弃物为例，固体废弃物一般包含城市固废和工业固废，城市固废每年以8%～9%的速度在增长，城市人均年生活垃圾产生量约为450～500 kg[8]。随着人口总数增长和城市化进行，城市垃圾处理压力逐步增加。目前我国仍有80%的城市垃圾通过填埋处理，城市建设垃圾资源化综合利用率不到30%，远低于日韩和欧盟的90%[9]。而且早期垃圾填埋只是简单的填埋，没有考虑过垃圾中气、液污染问题，造成严重环境污染。21世纪以来，随着我国相关技术进步，有效解决填埋防渗问题，广州、深圳等许多新建的垃圾卫生填埋场采用了先进的HDPE膜防渗技术[10]。除了填埋处理，另一项主要处理措施是焚烧。城市固废焚烧可有效减容减重，但是焚烧过程中产生的二噁英会对人体产生不可逆的危害。随着焚烧技术发展和焚烧设备完善，二噁英排放已被有效控制。任何单一处理工艺都无法使得城市固废完全达标，但多工艺协同处理由于成本限制导致直到2011年还有相当数量的垃圾填埋厂防渗达不到要求。近年来随着对环保的重视和技术的提高，以及推行垃圾分类试点等措施有望解决我国城市固废处理难题。图4为城市固体废弃物现状。

图4 城市固体废弃物

相对于城市固废来说，工业固废产生量更大，污染性更强，含有诸多重金属元素，如果处理不当将造成更加深远的负面影响。工业固废主要由工业生产中产生的粉尘、炉渣、废料等废弃物组成，主要来源于采矿、化工、非金属矿物加工、电力煤气生产、黑色和有色冶金等行业[11]。单就黑色冶金行业来说，2020年我国粗钢产量达10.53亿t，钢铁产量稳居全球第一。随着钢铁产量逐年上升，由此带来的各种废弃物对环境的污染也日益加深，一般钢铁企业粉尘的产生量为钢产量的8%～15%[12]，以此计算，我国钢铁企业每年的粉尘产生量在1亿t左右，冶金粉尘的处理的必要性和紧迫性给科研人员提出高质量要求。钢铁企业粉尘主要成分如表1所示。

表1 钢铁企业粉尘主要成分(质量分数，%)

目前粉尘的利用率还不足20%。由于冶金粉尘粒度较小、表面积大、加湿比较困难[13]，大多钢铁企业将这些粉尘作为高炉炼铁或者烧结原料，但是不加处理的冶金粉尘直接加入烧结机或高炉因为锌或碱金属的存在，直接影响烧结矿质量，或者造成高炉结厚、结瘤，破坏炉衬，风口上翘煤气分布不均造成冷却壁损坏影响冶金进程和高炉寿命，减损企业效益[14]。冶金粉尘主要处理方式有填埋法、物理法、火法、湿法和联合法。直接填埋会造成严重污染，并且会占用大量土地，填埋前高温固化处理可减少污染，但是其中有价值元素不能再次回收利用。填埋相当于将有价值元素全部封存，此方法本身属于资源浪费；物理法处理能力有限，只作为湿法或火法工艺的预处理工艺；火法工艺存在流程复杂、工序多、能耗高、回收率低的缺点，且回收得到的元素混杂，实际操作中无法精准分离回收；湿法工艺一般只能处理中锌和高锌粉尘，低锌粉尘需要在湿法工艺前增加富集工艺。相比之下火法-湿法联合处理工艺应用前景较广，综合回收效益好、环境污染小，回收单用火法或湿法不能回收的金属元素。火法-湿法联合梯级分离回收技术可将冶金粉尘中有价值元素尽可能的回收，且回收过程所使用的原料循环利用，不向外界造成二次环境污染，并且可以保证生产效率，将各种元素分离提纯，实现企业效益最大化目标。具体回收过程如图5所示。

图5 火法-湿法联合处理工艺示意图

火法-湿法联合处理工艺有效克服了火法处理能耗高、回收率低、不能精准分离元素等缺点。通过火法富集可以使得湿法应用范围更广，不仅仅局限于处理中、高锌粉尘，同时将已填埋粉尘赋予新的价值。冶金粉尘元素梯级回收就像处理城市固废垃圾分类一样，将不同的有价值元素采用合适工艺收得，有效解决冶金粉尘堆存污染问题。

固废处理的未来展望

“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”[15]。中国作为全世界惟一拥有联合国产业分类中所列全部工业门类的国家，拥有41个工业大类、207个工业中类、666个工业小类，形成了独立完整的现代工业体系[16]。中国正在运用智慧和努力走出一条不同于西方国家“先污染、后治理”的工业化道路，作为发展中国家，“碳中和、碳达峰”的目标处处体现着大国责任与担当。

基于目前每年都在增长的钢产量的现状，冶金粉尘等固体废弃物逐年增加，火法-湿法联合处理工艺对于改善当前现状提供了一种可行技术方案，有望解决或缓解冶金粉尘堆存污染问题。冶金粉尘处理仅仅是固废处理的一部分内容，本着“垃圾是放错地方的资源”的理念，城市固废和工业固废等固体废弃物如果全部回收利用，将极大地减少环境污染的影响，而固废处理也只是环境保护的一小步，在一定程度上可以降低工业化、城市化进程中的负面影响，服务于国家“生态文明”战略，同时有助于建设美丽的现代化国家。我国作为最大的发展中国家，依靠经济发展与生态保护辩证统一的理论，人类社会可持续还是不可持续或许已经不是问题。随着国家对于环境保护的重视，科研投入不断增加，人民环保意识不断增强，科学技术水平不断提高，空气污染物已显著降低，水污染得到有效遏制。