工业固体废物环境管理模式及研究进展

宋小龙, 吴雯杰,, 杨建新,王景伟,杨义晨(.上海第二工业大学上海电子废弃物资源化产学研合作开发中心,上海009; .中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京00085; .上海新金桥环保有限公司,上海00)

工业固体废物环境管理模式及研究进展

宋小龙1, 吴雯杰1,2, 杨建新2,王景伟1,杨义晨3
(1.上海第二工业大学上海电子废弃物资源化产学研合作开发中心,上海201209; 2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085; 3.上海新金桥环保有限公司,上海201201)

摘要:工业固体废物产生量的迅速增长和累积所导致的环境与安全问题,以及其所蕴含的可观再生资源价值,已引起政府部门、产业界、学者和公众的普遍关注。工业固体废物在产生、贮存、运输、再循环和最终处置的全过程中,对水体、土壤、大气和人体健康等多方面都存在潜在环境影响。总结了工业固体废物的基本特征及其管理的主要模式,并针对国内外相关研究进展,分别从现状分析、产量预测、资源化技术、管理方案等4个方面进行了梳理,力求为我国工业固体废物环境管理研究与实践提供参考。

关键词:环境管理;工业固体废物;可持续管理;研究进展

0　引言

工业固体废物是在工业生产活动中产生的所有固态、半固态和除废水以外的高浓度液态废物。随着工业化进程的加快,工业固体废物产生量迅速增长。据2013年中国环境状况公报,2013年我国工业固体废物产生量达到32.77亿吨,综合利用量(含利用往年贮存量)为20.59亿吨,综合利用率为62.3%[1]。综合利用虽已成为我国工业固体废物的主要去向,但目前仍有大量可利用的工业固体废物被贮存或填埋处置,导致资源浪费和环境污染。

工业固体废物来源广泛,种类繁多,成分复杂,在其产生、贮存、运输、再循环和最终处置的各个环节,都可能对水体、土壤、大气和人体健康等多方面造成危害[2]。因此,从全过程的视角开展综合管理,对工业固体废物环境管理工作来说十分必要。本文在总结工业固体废物基本特征的基础上,梳理了工业固体废物管理的主要模式,并对目前国内外工业固体废物管理的研究进展进行综述,以期理清工业固体废物环境管理的基本理论、主要研究领域及其研究现状,为促进我国工业固体废物可持续管理提供理论参考。

1　工业固体废物的基本特征

1.1来源多样,种类复杂

工业固体废物来源于工业生产过程。换言之,产品的生产过程就是工业固体废物的产生过程。因此,所有与工业生产直接相关的活动都可能是工业固体废物的产生源。

工业固体废物种类复杂。按其危害状况,可分为一般工业固体废物和工业危险废物两大类;按产生行业,可分为冶金工业固体废物、石油工业固体废物、化工工业固体废物、建材工业固体废物、机械制造工业废物、造纸工业废物、矿山工业固体废物等;按化学类别,又可分为无机固体废物和有机固体废物。

1.2资源化价值高,综合利用潜力大

工业固体废物兼具“废物”属性和“资源”属性。“资源”属性表明某一工业过程产生的工业固体废物,在技术可行和经济合理的前提下,可以作为其他工业过程的再生资源加以利用。

工业固体废物是在生产过程中利用了矿物等原材料中对特定工艺有用的物质而剩下来的部分,其中仍蕴藏着大量可再生材料。与废水和废气相比,固体废物的资源价值更显著,资源化技术也趋于成熟,资源再生空间和前景十分广阔。在我国,建材行业是工业固体废物综合利用的重点领域。

1.3危险组分多,环境危害大

工业固体废物成分复杂,往往含有多种危险组分。进入环境的工业固体废物是潜在的污染源,在一定条件下会发生化学、物理或生物转化,导致有毒有害物质释放进入环境,污染地表和地下水体、大气和土壤,并可通过食物链对生态系统和人体健康产生多种危害。工业固体废物特别是工业危险废物,若处理处置不当将会导致严重的、不可逆的环境危害。

2　工业固体废物管理的主要模式

2.1“三化”管理

“三化”是指减量化、资源化和无害化。其中,“减量化”是减少固体废物的量,既包括对已经产生的固体废物进行减容减量,也可延伸到产生源头,对废物进行源头削减和控制。“减量化”是对固体废物的数量、体积、种类、有害性质的全面管理,一般认为是防止固体废物污染环境的优先措施。“资源化”是从固体废物中提取或者使其转化为可以利用的资源、能源和其他再生材料。“无害化”目前主要保留其规范固体废物处理处置过程的环境影响控制原则的含义[3],指对已产生又无法或暂时不能综合利用的固体废物,经过物理、化学或生物方法,进行对环境无害或低危害的安全处理处置,达到废物的消毒、解毒或稳定化,以防止并减少污染危害[4]。

对工业固体废物管理而言,“减量化”往往与清洁生产技术相融合,成为工业企业进行工业过程管理和成本管理的有效工具。“资源化”是一般工业固体废物管理的基本原则,如一般工业固体废物中产生量最大的粉煤灰、锅炉渣和冶炼渣等已经在建材行业得到了综合利用。工业固体废物的“无害化”在管理上首先体现为一般工业固体废物和工业危险废物的分流分类处理。经鉴定认定的工业危险废物不得混入一般工业固体废物中,而必须交由专门的危险废物处理处置体系进行收集、暂存、运输和安全处置等。

2.2等级管理

废物管理等级(Waste Hierarchy)一般是指废物管理在原则上应遵循以下优先顺序:源头避免和减量、再使用、材料回收、能量回收、最终处置(见图1)。“减量化、再使用和再循环”(3R,即reduce,reuse, recycle)作为废物管理等级的简要表达形式,被认为是废物管理的基本原则而被广泛接受[5]。基于3R原则的固体废物综合管理,最早源自对城市固体废物的管理,联合国环境规划署正积极推动它在所有废物产生部门的应用[6]。

图1　废物管理等级制度示意图Fig.1　Sketch ofwaste hierarchy

有学者分析了废物等级制度的局限性,并认为尽管等级制度可作为一般的原则性指导,但其本身是不完善的[7]。废物综合管理的本质是对所有可行方案进行系统评估筛选出资源和环境上均有效的最佳路径,而非简单遵循废物等级制度[8]。一成不变地采用废弃物管理方案的优先顺序有很大的局限性[9]:等级制度无法解决不同废物管理技术方案组合的优劣性的比较;等级制度不能解释废物管理成本的问题;等级制度不适用如小岛、人口稀疏地区、旅游胜地等特定地区的废物管理状况。有效地处理整个废物流需要一整套的废物管理选择方案。因此,没有完全最好或最坏的方案,不同方案适用于不同废物类型或不同地区的废物管理。

2.3全过程管理

全过程管理(Whole ProcessManagement)是指对固体废物的产生、收集、运输、利用、贮存、处理和处置的全过程及各个环节都实行控制管理和开展污染防治[4]。全过程管理包括了固体废物从产生到最终处置的所有过程,故也称为“从摇篮到坟墓”的管理。之所以实施全过程管理,是因为固体废物从其产生到最终处置的全过程中的各个环节都有产生环境危害的可能性,有必要对整个过程及其每一个环节都实施管理。

工业固体废物从产生到处置的全过程可分为5个环节[10]:① 废物产生。在这一环节采用清洁生产技术,通过改变原材料、改进工艺或更新设备,力求减少或避免废物的产生。②系统内的回收利用。对生产过程中产生的废物,推行系统内的回收利用,尽量减少废物向环境排放。③系统外的综合利用。对于从生产过程中排出的废物,通过系统外的废物交换、物质转化、再加工等措施,实现其综合利用。④ 稳定化/无害化处理。对无法避免且难以实现综合利用的废物,通过稳定化、无害化处理,破坏或消除有害成分。⑤ 最终处置与监控。工业固体废物的最终处置必须保证其安全、可靠,确保不对环境和人类造成危害。

2.4综合管理

废物综合管理(IntegratedWasteManagement)的概念首次出现于1991年欧洲经济委员会出版的《废弃物综合管理地区战略草案》。McDougall等[9]提出废物综合管理是为了实现环境有效、经济优化、社会可接受的目标,把废物物流、收集、处理与处置方式结合起来的系统,其主要特征有:全面性的方法;采用一系列的收集和处理方法;处理废物流中的所有物质;环境上有效;经济上可承受;社会可接受。

联合国环境规划署非常重视固体废物综合管理在全球的发展和应用。其编制的《Developing Integrated Solid Waste Management Plan Training Manual》将固体废物综合管理界定为一种战略性创新措施,通过可持续预防和协商方式,使用全面的综合措施,以安全高效的方式对各种处理固体废物的具体实践进行指导,从而实现对固体废物的可持续管理[11]。废物综合管理强调对废物管理的所有方面(技术和非技术方面)进行统筹分析,建议在所有类型的废物流上采取全面的方法,建议采用多种方案选择。

固体废物综合管理是综合而全面地选择和应用合适的技术、工艺和管理程序来达到特定的废弃物管理目标。综合管理思想认为,不存在一个能够成功解决所有问题的万能的固体废物综合管理方案。适宜的废弃物管理方案必须基于有效数据、公众态度和相关的法律条文。固体废物管理领域处于经常变化的状态,因此适宜的管理方法也必须是不断更新的[12]。

3　工业固体废物管理的研究进展

3.1现状分析与评价

与城市固体废物相比,工业固体废物管理相关的研究比较分散。目前大部分研究主要集中在对各地区工业固体废物管理现状的分析和评价上。如, Grodzi´nska-Jurczak[13]对波兰的工业固体废物产生和管理情况进行研究后发现,废物主要来源于煤炭和矿石开采、电力和冶金3大部门。在对工业固体废物的利用方式、国家管理战略等进行评述的基础上,研究者还提出了改进废物管理的任务:在废物管理立法上与欧盟标准保持一致;采用可行的方案替代末端处置;增加废物管理计划的资金投入;鼓励地方政府贯彻实施废物可持续管理计划。Mbuligwe 等[14]对坦桑尼亚Dares Salaam市的工业固体废物管理及其资源回收实践进行了分析,研究范围包括废物产生、贮存、收集、运输、处理和最终处置的所有环节。Saif[15]则从经济地理学的角度对迪拜工业固体废物的处置情况进行了分析,主要是对废物类型、废物收集运输和处置情况、废物处置设施的地理分布、政府发挥的作用等进行了梳理。

不少有关工业固体废物的研究是在园区或开发区的层次上开展的。这类研究对象涉及西班牙ASEGRA工业区[16]、伊朗PARS专属经济能源区[17]、上海莘庄工业园区和外高桥保税区[18]、天津经济技术开发区[19-20]、宁东能源化工基地[21]等,研究内容主要是对园区企业的工业固体废物产生情况、废物种类、废物源、废物流向、处理处置方式、管理措施等进行分析,进而从废物交换、废物最小化俱乐部、园区规划设计等方面提出工业固体废物管理的对策。

此外,国内有学者对国家[22-24]和城市[25-26]层面的工业固体废物管理现状进行研究。另有研究基于数据包络分析模型,构建了“投入-期望产出-非期望产出”效率评价模型,对我国30个省、自治区及直辖市的工业固体废物管理效率进行综合评价,并提出了相应的政策建议[27]。

3.2产生量预测

固体废物产生量的预测方法包括时间序列分析法、多元回归分析法、比率推算法和灰色预测法等。文献研究显示,用于工业固体废物产生量预测的方法主要有灰色预测法[28-30]、时间序列分析法[31]、BP神经网络[26]、回归分析法[26]、最优组合预测模型等[32]。既有单个预测方法的应用,也有基于多种预测方法的组合应用对预测结果进行校正和调整。

工业固体废物的产生量与产业结构、工艺水平、原料性质和产品产量等有密切关系。在建立工业固体废物产生量与上述有关因素相互关系的基础上,可以通过经济发展趋势来定量预测工业固体废物的产量。可采用单位产品产废系数或万元产值产废系数进行估算,或直接利用调查的统计数据乘以修正系数后按固体废物年平均增长率进行测算[33]。一般来说,为尽量获得较为准确的预测值,应采用多种预测方法,再结合经济发展趋势和实际情况,进行综合分析判断,最后得出优化的预测结果。

3.3资源化技术研究

工业固体废物,尤其是一般工业固体废物,具有巨大的资源化价值。不同种类工业固体废物的资源化途径和方式略有不同。总体而言,主要集中在以下几个方面:① 回收有用组分。如利用尾矿、冶炼渣、烟尘等,回收其中的有价金属。② 生产建材或用于筑路、筑坝与回填等。大部分工业固体废物可作为生产水泥、混凝土、墙体材料等建材产品的原材料,目前已经广泛应用的废物种类有煤矸石、粉煤灰、矿渣、脱硫石膏等。③ 生产农肥或用于土壤改良。许多工业固体废物含有较高的硅、钙及各种微量元素,可作为农业肥料使用。如利用粉煤灰、炉渣、钢渣等制作硅钙肥,利用铬渣制作钙镁磷肥等,施于农田均具有较好的肥效,但必须严格检验这些固体废物是否有毒有害,以防止二次污染。

围绕工业固体废物的资源化,相关研究主要集中在3个方面:资源化技术的研发,资源化技术的梳理和总结,资源化技术的评价和筛选。其中,资源化技术的研发是围绕不同行业不同固体废物类型来开展的,涉及有色金属行业[34]、钢铁行业[35]、化工行业[36]和矿业[37-39]等。在资源化技术的梳理和总结方面,大部分研究是围绕目前资源化技术相对成熟的冶炼渣[40]等开展的。至于资源化技术的评价和筛选,多采用层次分析法,从经济、技术和环境等方面建立指标体系,通过综合评估以实现废物资源化技术和途径的优化[41-45]。

3.4管理方案与策略

固体废物管理系统及其方案的优选方法主要有多目标决策、生命周期评价、系统动力学、复杂适应系统等。在相关研究中,生命周期分析方法在工业固体废物管理方案中多有采用,如从生命周期的视角对污泥处置工艺的能耗及温室气体排放进行分析,以识别不同处置方案的环境表现[46];通过情景分析比较尾矿不同管理方案从尾矿库建设、尾矿堆存到回填等全过程的环境影响[47];对铜炉渣作为选矿原料生产铜精矿[48]以及钢渣在钢铁企业内部综合利用[49-50]等过程的生命周期环境表现进行评价,并与相应的替代方案进行比较。围绕危险废物的处理处置过程,有学者对不同铬渣资源化方案[51]和工业危险废物异地处置方案中的运输问题[52-53]开展了相关的生命周期评价研究。另外,有研究提出了涵盖源头削减过程的工业固体废物全过程管理生命周期评价方法和框架,并选择铜渣开展了案例分析[54]。

在实际环境管理中,我国对工业固体废物是按一般工业固体废物和工业危险废物进行分类管理的。工业危险废物由于具有爆炸性、易燃性、腐蚀性、毒性或易传染性疾病等危险特性,环境主管部门对其收集、贮存、运输、利用、处置的全过程均有严格的特别规定,同时要求设立专门的危险废物处置中心对其实施统一管理,并实行资质许可制度。而对一般工业固体废物的管理,则多采用原则指导和政策鼓励等方法,如鼓励企业开展清洁生产以减少固体废物产生量,支持工业固体废物的回收和合理利用。

4　结语

在工业固体废物的管理实践上,相比国外注重源头预防和生命周期全过程管理的做法,我国对工业固体废物的关注还主要停留在危险废物污染控制与无害化处置以及大宗工业固体废物处置设施(如尾矿库等)的安全管理上,环境管理的思路及所处阶段还不能满足现实需求。当前我国的工业固体废物管理,一方面亟需在模式上有所创新,另一方面也需要定量化的研究作为科学决策的依据。

在工业固体废物环境管理的研究方面,基于全过程的生命周期思想,开发科学、适用的生命周期方法和工具,构建本地化的废物管理清单数据库,控制生命周期方法在废物管理决策应用中的不确定性,将是下一步研究需要重点突破的地方。此外,完善工业固体废物生命周期管理的理论框架和方法论体系,根据不同废物种类及其特征,对生命周期管理模型和评价方法进行适时改进,也是一个动态的不断修正的过程。

从宏观环境来看,未来将迎来工业固体废物快速产业化的机遇期。我国确立了循环经济发展和生态文明建设的总体目标,就工业固体废物综合利用率等指标提出了明确要求,这为工业固体废物资源化产业的快速发展提供了政策保障。此外,随着国内外矿产资源价格的快速上涨,新增固体废物处置场地的进一步受限,基础设施建设规模增长扩大了工业固体废物资源化利用的市场空间等,都将带动原生资源高效综合利用和工业固体废物的源头减量,以及对已产生的工业固体废物进行资源化并降低处置成本,从而实现工业固体废物在其生命周期各环节的有效控制和综合管理。

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中图分类号:X32

文献标志码:A

文章编号:1001-4543(2015)01-0012-07

收稿日期:2014-11-26

通讯作者:宋小龙(1986–),男,安徽宿松人,讲师,博士,主要研究方向为废弃物生命周期评价与管理。电子邮箱songxiaolong@sspu.edu.cn。

基金项目:上海第二工业大学科研启动基金项目(No.EGD14XQD 05)、上海高校青年教师培养资助计划(No.ZZegd14008)、上海高校知识服务平台项目(No.ZF1224)资助

A Review of Environmental Management Modeland Research Progresson Industrial Solid Waste

SONG Xiao-long1,WUWen-jie1,2,YANG Jian-xin2,WANG Jing-wei1,YANG Yi-chen3
(1.ShanghaiCooperative Centre forWEEERecycling,ShanghaiSecond Polytechnic University,Shanghai201209, P.R.China;2.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology,Research Center for Eco-Environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085,P.R.China;3.ShanghaiXin Jinqiao Environmental Protection Co.Ltd.,Shanghai201201,P.R.China)

Abstract:Industrialsolidwaste(ISW),on theonehand,may lead to environmental risk and safety problem due to the increasing generation and storage;on the other hand,contains valuable recyclable resources.Atpresent,the environmental issuesw ith ISW have drawn much attention of the government,industry,researchers and public.ISW has potential impacts on soil,water and air quality,aswell as human health w ithin itswhole life stages(i.e.,from generation,storage,transportation,recycling to final disposal).The essential featuresand environmentalmanagementmodels of ISW havebeen concluded.Meanwhile,the research progressof ISW management has also discussed from fouraspects:currentsituation analysis,generation estimation,recycling technology andmanagementsolution, in order to provide reference for scientific research and practiceof ISW management.

Keywords:environmentalmanagement;industrial solid waste;sustainablemanagement;research progress