“城市矿产”开发利用过程的环境问题与污染防控措施.pdf

d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．2 0 9 5 - 1 7 4 4 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 1 2 “城市矿产“开发利用过程的环境问题与 污染防控措施 圜李赋屏1 柴祯2 1 ．广西有色金属集团有限公司南宁 5 3 0 0 0 0 2 ．中国矿业大学 北京化学与环境工程学院北京 1 0 0 0 8 3 摘要蕴藏于废旧家电、汽车、电线电缆、电子产品等材料中的可再生利用的金属、塑料、橡胶等“城市矿产”，因 其品位高、开采成本低、能源消耗少等优点，具有巨大的开采利用潜力。然而由于技术水平低、管理体系不完善等 原因，目前“城市矿产”的开采利用过程产生了很多不可忽视的环境问题。对开采利用过程中产生污染的环节进行 分析，提出可行的污染防控措施．对于“城市矿产”的合理、绿色开采，提高资源利用率，降低环境污染具有重要意义。 关键词“城市矿产”；环境污染；综述；开发利用；污染防控 中图分类号X 7 5 1文献标志码A文章编号2 0 9 5 1 7 4 4 2 0 1 3 0 1 0 0 5 3 - 0 5 1 “城市矿产”资源的开发利用 随着生产生活对矿物资源消费的不断增长，代表一 次资源的矿山储量逐渐减少，矿山开采成本越来越高，技 术难度越来越大，作为二次资源的可再生资源不断增长， 引起了越来越广泛的关注。 “城市矿产”的概念，首次出现于1 9 8 8 年，把含有金、 铂等贵金属以及钯、铟等稀有金属的废弃电子产品形象地 比喻为“矿产叫”。一般认为，“城市矿产”是对废弃资源再 生利用规模化发展的形象比喻，是指工业化和城镇化过程 中产生和蕴藏于废旧机电设备、电线电缆、通讯工具、汽车、 家电、电子产品、金属和塑料包装物以及废料中的可循环 利用的钢铁、有色金属、贵金属、塑料、橡胶等资源[ 2 - 4 ] o 我国正处于城镇化、工业化、现代化的加速发展期， 资源消耗快速增长，也加速了“城市矿产”的产生量忙1 。目 前，电视机、冰箱、洗衣机等家电在我国具有巨大的社会 保有量，且随着计算机行业的飞速发展，我国的手机、电 脑等电子产品保有量也相当惊人，这些电子产品中的很大 一部分已处于淘汰期，而且，新技术和新产品的出现，也 造成电子产品寿命缩短和报废率提高。据估计，2 0 0 9 年我 国报废的电视机、冰箱、空调等家电产品接近90 0 0 万台， 手机2 亿多部，这些不断更新换代的家电及电子产品和汽 车等构成了我国现代城市中快速增长的“城市矿产”。 相关数据表明，在电子废弃物中，黄金储量占天然矿 山的1 4 ％，银储量占天然矿山的8 ％，而铟、铅、锂等的储 量均占天然矿山储量的2 0 ％以上。从lt 废旧手机中可以 提炼3 0 0 - 4 0 0g 黄金、2 ．3 埏银、1 7 2g 铜，而l t 废旧个人电 脑则可回收3 0 0g 黄金、1k g 银、1 5 0g 铜等近2 蚝有色及稀 有贵金属[ 6 - 7 ] o 另外，废旧电子垃圾中还可以提炼出少量高新技术 产品生产必需的钯、锑、铅、锌等金属，而与之相对应的 天然矿石而言，1t 天然金矿石平均仅能提炼出5g 黄金瞄1 。 另外，1 t 废钢铁可炼好钢8 5 0k g ，节约铁矿石3t ，节约石 灰石3 0 0k g ，节约标准煤1t ，少采各种矿石2 0t ，减少水 污染7 6 ％，减少固体垃圾9 7 ％，降低生产成本2 0 0 元。1t 废纸可造8 0 0k g 再生纸，节电5 1 2k W h ，节约木材4m 3 ， 基金项目广西壮族自冶区科技攻关项目 桂科攻1 0 1 9 1 0 0 1 1 2 收稿日期2 0 1 2 1 2 0 4 作者简介李赋屏 1 9 6 3 一 ．男，湖南娄底市人，教授级高工， 博士，主要从事矿业循环经济与产业化等方面的研究。 有色金属工程2 0 1 3 年第1 期5 3 万方数据 I 看么企屈工程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G l N E E R I N G 节约纯碱4 0 蚝，节约水4 7m 3 ，减少大气污染7 4 ％，减少 水污染3 5 ％，降低生产成本3 0 0 元。1t 废塑料可生产再生 塑料8 0 0k g ，节约能源8 0 ％，节省加工费7 0 ％一8 0 ％，节 约煤2t ，节电5 0 0k W h ，节省石油1 1 7 桶，节省增塑剂 3 0 0k g 【9 】o 由此可见，相比于天然矿石，“城市矿产”具有品位 高、开采成本低、能源消耗少、可有效降低环境污染等优 势，成为发展循环经济、实现社会可持续发展的有效途径。 为鼓励“城市矿产”资源开发，推动资源循环利用产业发展， 国家发改委、财政部组织开展“城市矿产”示范基地建设。 目前已公布了两批共2 2 个国家“城市矿产”示范基地，如 表1 所示。 表1 类别序号 国家“城市矿产”示范基地名单⋯ 示范基地名称 “城市矿产”的开采利用主要经过回收、分拣、拆解、 破碎分选、提炼、深加工等过程，如图1 所示。由于原料种 类多样，具体开发利用方法存在不同。近年来，虽然“城市 矿产”的开发利用得到了社会与政府的大力支持，越来越 多的相关法律法规相继出台，但由于某些“城市矿产”的开 发技术难度较高，资金投入相对不足，技术开发能力较弱， 导致我国废旧物资加工处理工艺落后，技术及装备水平低， 使；导“城市矿产”开采利用过程中产生了不容忽视的环境 污染，与循环经济下的资源综合利用要求及环境保护的要 求相差甚远。 2 废旧物资回收过程环境问题与污 染防控措施 城市是资源的集中消耗地，又是资源的产生地，对‘城 市矿产”的利用首先应将城市生活产生的再生资源加以回 收。目前，我国大宗工业废弃物的回收利用情况较为规范， 但废旧电子产品、废旧家电等广泛分布与家庭的废旧商品 的回收则相对混乱，大部分回收渠道被游商小贩等个人占 据。回收网点分散，缺乏大型的回收集散处理场所，零散 回收的废品大部分直接露天堆放，或堆存于简易棚内⋯1 。 回收的废旧物资中多含有油污、废塑料、橡胶及表面 油漆等有机材料，在运输和存放过程中，若未采取合理措 施，在雨水或地表水的冲刷下会淋溶进入水体，造成严重 的环境污染。另外，部分回收企业或个人对价值较低的废 旧资源随意丢弃，也造成了二次污染。因此，废旧物资回 收过程中的环境污染主要来自运输、堆存或处置不当而造 成的水污染和固体废弃物污染。 作为“城市矿产”开发利用的首要步骤，废旧物资回 收过程中可能产生的环境污染的防控主要依赖于制度和 体系的完善等管理措施。应制定出台完善的再生资源回收 管理办法，建立健全再生资源回收体系，强化对再生资源 回收企业、站点规范经营的管理，实行统一标识、统一管 理，对回收物实行统一集中处理等。应对废旧物资的运输 和堆存进行合理的污染防范措施，如建立具有“三防”功 能的废旧物资堆存场等。 3 废旧物资拆解分选过程环境问题 与污染防控措施 对“城市矿产”开采的过程中，通过分拣拆解等预处 理可将其进行初步分类，废旧金属制品、塑料包装物、玻 璃及废料等有用物质可直接作为原料进行生产利用，而废 旧机电设备、电线电缆、家电及电子产品等则需要进一步 拆解。对于“城市矿产”的分拣与拆解可以最大限度地去 除夹杂物，进行合理分类使回收物资组成更为单一，避免 后续工序的混杂，进一步简化“城市矿产”开发利用流程， 提高回收利用效率，降低生产成本，同时有效避免大量污 染物进入后续生产环节，降低产生环境污染的可能性。 废旧机电设备主要采用手工拆解得到可以回收利用 的金属，但其中含有绝缘材料的电线、电机绕组等部分则 需要采用焚烧炉或热洁炉等去除其表面的有机物”2 1 。绝 缘材料等有机物在焚烧炉内加热或燃烧分解为简单组分， 图1 “城市矿产”开发利用原则流程 5 4 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 得以去除。此过程若温度等操作条件控制不当，有机物未 完全燃烧，会产生诸如持久性有机污染物P O P s 等的化学 污染物，排入大气造成环境污染。 废电线电缆的拆解主要采用手工与机械结合的方式 进行，易于剥线的粗线一般由手工完成，铜芯比较粗的电 线电缆采用剥线机进行剥皮，较细、较软的电线电缆则一 般采用剥皮机和铜米机完成””。此拆解过程将铜等金属 与塑料分开，铜米机运行中会有粉尘逸出，造成环境污染。 废旧物资拆解分选中产生的废弃物主要是废塑料、 废橡胶、油污等。废塑料、废橡胶等固体废弃物，目前一 般采用填埋的方式进行处理，将对填埋场周围的土壤和 水体造成有机物和重金属污染。油污则一般用水进行冲 洗，产生含油污的有机废水，若不经有效处理外排，将污 染水体。对于绝缘材料等有机物的去除，若采用焚烧加热 处理，易产生含有有机污染物的废气。另外，拆解原料及 产品不规范堆存，也会造成环境污染。对某拆解场周围的 环境进行检测发现，底泥中矿物油含量为4 1 7m g ／k g 。重 金属检测结果为[ ／ m g ‘k 9 1 ] Z n8 1 ．0 - 8 5 ．4 ，P b3 0 ．0 - 1 0 1 ．0 ， C u2 8 ．0 - 4 4 3 ．0 。地表水含油量为O ．1 - 0 ．6 7m g ／L ，地下水含 油0 ．0 5 - 0 ．0 6m g ／L ，Z n1 1 - 1 5m g ／L ，P b 2m g ／L ”⋯。我国目 前废旧物资拆解分选造成严重的环境污染，成为“城市矿 产”开发过程中不容忽视并必须加以解决的问题。 废旧物资分拣拆解过程中产生的污染主要有对含 有绝缘材料的物资进行加热除去其表面有机物时产生的 废气，对物资表面油污进行清洗时产生的含油废水，以 及分拣拆解废弃物的不合理处置造成的固体废弃物污染。 为防止造成严重的环境污染，应采取合理的污染防控措 施拆解所用的焚烧炉系统应控制焚烧温度，一般应控制 在8 5 0 。C 以上，使有机物充分完全燃烧，防止有机污染物 废气的产生，并在焚烧炉后配备性能优良的除尘设施，高 效截留有机物等污染物；清洗油污或车间冲洗产生的含 油废水应进行收集，设置隔油池等除油设施，隔离去除水 中油污等污染；分拣拆解产生的废弃物应进行集中收集， 采取安全的填埋方式。另外，应研发和提高拆解和分选技 术，推行分类作业机械化，提高再生资源回收率。 4 再生资源提炼与利用过程环境问 题与污染防控措施 经过拆解分选之后的废有色金属一般采用火法熔炼 提纯，生产过程一般是将拆解打包好的原料进行火法熔 炼，除去杂质，若需进一步精炼，则一般将熔炼后的金属 铸造成阳极板，再电解精炼生产出电解金属。废有色金属 原料成分复杂，含有多种金属元素，火法熔炼中易挥发的 金属元素主要以金属氧化物和非金属氧化物的形式进入 烟气，与熔炼中产生的碳粒和灰分混合以颗粒物的形态存 在，产生含重金属的废气污染。另外，虽经分拣、拆解等 预处理过程，废杂铜原料中还是不可避免地存在油脂、涂 料、电线电缆皮等有机物和含氯化合物，熔炼过程中，在 2 5 0 - 5 0 0 ℃条件下，燃烧不充分的有机物与原料中的无机 和有机氯化物反应产生P C D D ／P C D F 【l ⋯。相关研究表明， 原料中的金属铜、铁等金属会对这一反应起催化作用，而 氯的存在也使得金属元素易与其反应生成氯化物，降低了 沸点，加剧了熔炼过程中金属的损失““。因此，废杂铜熔 炼过程可能产生含有二嗯英等持久性有机污染物及重金 属的烟气，若排人大气则造成严重的环境问题。 目前，一般采取设置二次燃烧室促进完全燃烧，并 设置多种除尘设施等措施以净化熔炼过程中产生的废气。 二次燃烧室产生的飞灰及收尘设施所收集的烟尘含有重 金属及有机污染物等多种污染物质，处置不当会对环境产 生严重的污染。另外，多种废有色金属的熔炼过程需要加 入硅、锰等各种添加剂，脱除铁、镁、锌等金属杂质，产生 含多种重金属元素的冶炼废渣。 阳极板电解过程主要的环境污染来自电解液的无组 织逸散、多次循环中产生的废电解液、阳极泥等。目前，阳 极泥一般用于提炼稀贵金属。 综上所述，再生资源提炼过程中产生的废气主要是 废有色金属火法熔炼中产生的含重金属和二嗯英等可持 续有机污染物的废气、电解过程电解液无组织排放的酸 雾等，废水主要来自电解液净化、生产车间冲洗废水等环 节，固体污染物主要是冶炼废渣，包括熔炼废渣、收尘设 施所收烟尘、电解阳极泥等。 对于再生资源提炼过程中产生的废气污染，首先应 从源头控制，对回收的“城市矿产”分拣拆解后进行严格 分类，最大限度减少油脂、油漆、涂料、塑料及橡胶等含 氯有机物进入熔炼等环节。其次应严格控制熔炼温度，一 般认为，当熔炼温度保持在8 5 0 ℃以上时，可以避免二嗯 英等有机污染物气体的产生。熔炼炉产生的烟气进入二次 燃烧室，可以促进有机化合物的完全燃烧””。虽经二次燃 烧，但烟气中依然存在含有大量重金属污染物及有机污染 物的颗粒物，可以采用高效除尘设备进行脱除。目前的烟 气除尘设备中，一般采用除尘效率高、运行稳定 1 5 0 - 1 7 0 ℃ 的布袋除尘器，提高了对含重金属及有机污染物的脱 除效率，而且避免了二嗯英类污染物的再合成。对于电解 过程中酸雾的无组织排放，一般采用侧向收集或表面覆盖 等措施，降低其排放量。 电解过程中废电解液一般经过重结晶、电积等方式 对其进行净化后重复循环利用。熔炼产生的废渣、除尘器 所收烟尘等固体污染物，属于危险废弃物，应建立合理的 堆场进行妥善堆存，防止造成周围环境土壤及水体的重 金属等污染。 5 “城市矿产”深加工过程环境问 题与污染防控措施 经过预处理、提炼等工序后，“城市矿产”一般可转 有色金属工程2 0 1 3 年第1 期5 5 万方数据 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G l N E E R I N G 化为可直接利用的产品，如精炼金属、电解金属、塑料等， 这些产品进入深加工企业进行进一步加工成为附加值更 高的深加工制品。 有色金属的深加工一般根据市场需要添加其他元素 制成新型合金材料，或经拉伸、压延等制成各种型号的电 线电缆等产品。以铜的深加工为例，熔炼产生的精炼金属 等铜材料进入深加工企业，传统深加工方法一般采用合金 熔炼与铸造一热加工一冷加工三段式加工工序”⋯。首先 在熔化炉内调整组分得到所需的锡青铜、紫铜、黄铜、白 铜等合金，经铸造机铸造、锯床锯切等工序后成为符合挤 压工序要求的铜锭。铜锭经加热炉加热至所需温度，之后 进行挤压、拉伸、酸洗、精整、退火、除油等流程后，得到 用于生产生活的线、棒、管、线等产品。 有色金属深加工过程中，可能产生环境污染的污染 物涉及废气、废水及废渣等方面，见表2 。废气主要有熔 铸车间熔炼过程中产生的含有多种金属的烟气、轧制过程 喷涂的轧制油挥发产生的油雾、进行轧制油脱除和表面氧 化层去除时进行酸洗时产生的酸雾等；来自酸洗过程的 酸洗废水和除油废水；废渣则主要是熔化炉炉渣、挤压 过程中产生的几何残料、残屑等。这些污染物中含有多种 重金属及有机污染物，若不经妥善处置排入环境，将造成 严重的环境污染。加工过程污染物防控措施见表3 。 表2 “城市矿产”开发利用过程中产生的主要污染物 废旧物资回收 拆解分选 再生资源提纯 深加工 以再生铜为例 堆存场 热洁炉 油污清洗及车间冲洗 拆解废物填埋 熔炼炉烟气 电解酸雾 电解废液 熔炼炉废渣 熔炼收尘器烟尘 熔化炉烟气 轧制油雾 酸洗酸雾 统一规范管理，建合理堆场 控制炉温、加高效除尘设施 设隔油池等除油设施 采取安全填埋方式 控制温度、设二次燃烧室、加高效除尘设施 侧向收集、表面覆盖 重结晶、电积后重复利用 建合理堆场 建合理堆场或外售 加高效除尘设施 设集烟罩收集 设酸雾净化塔 深加工过程中产生的熔化炉废气应设置布袋收尘器 等烟气处理设施，轧制过程产生的油雾可通过集烟罩进 行收集，而酸洗过程产生的酸雾则通过侧向收集等方式 进行收集，进入酸雾净化塔进行净化后外排。酸洗废水 和除油废水由于产生量较小，应收集后统一进行处理。熔 化炉炉渣和挤压过程中产生的几何残料、残屑等固体废物， 可作为中间物料返回熔化炉。 6 结语 对于‘‘城市矿产”的合理开发利用，不仅可以缓解对 不断减少的原生资源消耗的压力，也可以对城市中的再 生资源进行循环利用，提高资源利用率，减少城市废弃物 的排放，是实现节能减排、推进循环经济发展的有效途径。 5 6 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 然而，“城市矿产”开采利用过程中可能造成的环境污染问 题也不容忽视，应积极采取合理的防控措施，真正实现对 “城市矿产”的绿色开采，促进我国经济的健康快速发展。 参考文献 【1 ] 刘兴利．积极开发“城市矿山”全面协调发展循环经济【J ] _ 再生资源与循环经济，2 0 0 9 ，2 9 3 - 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