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含锌危险废物碱法再生锌的生命周期评价 张承龙 1,2 郭翠香 2 赵由才 1,2 易天晟 2 1.华东理工大学资源与环境工程学院, 上海 200237; 2.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092 摘要 运用生命周期评价 1ife cycle assessment, LCA 方法, 对含锌危险废物碱法再生锌的新工艺的环境负荷进行研究, 并与传统的火法工艺进行对比。 评价结果表明, 与传统火法工艺相比, 碱法再生锌粉工艺的环境协调性好, 能源总需 求、温室效应指数、酸化指数分别是火法的 93. 26、8. 88、0. 85; 且碱法处理渣经清洗后浸出毒性低于浸出毒性鉴 别标准值 GB5085. 3 -1996。 碱法再生锌工艺为含锌危险废物无害化处理及锌二次资源综合利用的清洁生产工艺。 关键词 锌粉 碱法 生命周期评价 环境影响 0 引言 含锌废物是指在冶炼、生产、使用过程中产生的 含锌化合物废物 不包括金属锌废物 。据有关资料 统计, 我国的含锌废物累计已达1 000多万 t , 并还在 以32 万 t a 的速度增长 [ 1] 。由于含锌废物中含有大 量锌 、 铅、镉等重金属元素 ,根据国家危险废物名录 的规定,属于危险废物。这些含锌危险废物处理成本 高,且如不能得到有效处理将对环境造成巨大危害。 同时, 随着锌矿资源的日益缺乏, 研究开发应用含锌 废渣等二次资源的锌冶炼清洁工艺 ,成为锌冶炼工业 的重要任务。 因传统酸法炼锌工艺在处理含锌危险废物时 ,存 在耗酸量大、 浸化困难的问题 , 不宜采用 。所以目前 从含锌危险废物中再生锌的方法主要是火法 ,但火法 具有能耗高污染严重的缺点。 1997年以来 , 同济大学的赵由才等对从氧化锌 矿、 锌浮渣、锌渣 、 锌泥 、 炼钢厂烟尘等原料中碱浸 - 电解生产高纯度锌粉的技术进行了一系列研究 [ 2 -4] , 取得了极大成功 ,在国内外率先实现碱浸- 电解生产 锌粉技术的产业化。 碱浸 - 电解生产高纯度锌粉作为一种再生锌的 新工艺,需要对其进行环境影响分析。生命周期评价 LCA Life cycle assessment ,是评价一个产品或过程在 其整个生命周期的所有投入以及产出对环境所造成 的潜在影响,强调从产品或行为活动的“全生命周期” 来整体分析和评价其对环境的影响, 较为系统和全 面。本研究拟采用生命周期评价方法对碱浸 -电解 再生锌的新工艺的环境负荷进行评价, 并与传统的火 法再生锌工艺进行对比, 对推行锌再生行业清洁生产 提供指导 。 1 锌再生工艺简介 火法炼锌, 即在高温下用焦炭还原锌氧化物生成 锌蒸汽,再经冷凝蒸馏提纯回收金属锌。其中以密闭 鼓风炉炼锌工艺 ISP 为主流 。鼓风炉炼锌以含锌铅 危险废物为原料 ,将原料烧结得到的烧结块与焦炭和 熔剂一起加到密闭鼓风炉中熔炼,一些杂质通过造渣 除去, 熔炼产生的锌蒸汽经冷凝与铅分离得到金属 锌,再经过精炼与深加工得到精锌, 在精馏过程中可 以采用蒸馏法是把从蒸馏炉中挥发出的高纯锌蒸汽 引入密闭的容器内迅速冷凝成锌粉 。 碱浸- 电解工艺 以下简称碱法工艺 是一种全新 的湿法炼锌工艺,因其电解析出为粉状金属锌, 因此可 直接生产高纯度锌粉。主要包括含锌危险废物碱性浸 出、 浸出液净化 、 电解、锌粉烘干加工等生产工序。具 有流程简单、 金属回收率高、 原料适应性强、 产品质量 好、 有利于环境保护和资源综合利用等优越性。 2 目标和范围的确定 本研究主要对比再生锌粉制造工艺的环境负荷, 因此未考虑锌粉制造系统外的电 、焦炭 、煤及锌粉的 使用及回收 、 运输等过程的环境负担 。 再生锌粉生产 LCA 研究对象为碱法工艺和火法 工艺 ISP 系统所有主辅工序 。碱法工艺系统包括浸 出、 净化、 电解、锌粉烘干加工等主体工序 ,及系统内 的原材料及产品运输等辅助工序,并把碱法生产的环 境负荷也归入辅助工序 ; ISP 系统包括熔炼、精馏、锌 粉加工 蒸馏法 等主体工序, 及碳化硅生产 、 热电生 产、 原材料及产品运输、废水处理等辅助工序 [ 5] 。各 工艺系统边界分别如图 1、 图 2 所示 。 3 清单分析 本研究使用的数据主要来源 ①碱法工艺数据来 97 环 境 工 程 2008年 4 月第26 卷第2 期 图 1 碱法工艺再生锌粉系统 LCA 边界 图 2 火法工艺 ISP 再生锌粉系统 LCA 边界 源于已建投产的某厂实际生产统计数据 ; ② 火法工艺 的能耗数据来源于有色金属行业标准锌冶炼企业产 品能耗 YS T 102. 2- 2003 中的一级指标 ; ③火法工 艺中的污染物排放量数据及辅助工序能耗来源于某 冶炼厂的能源平衡表、环境监测年报与工业企业“三 废”排放与处理利用情况报表 [ 5] , 结合原料变化进行 调整; ④ 以上没有的数据来源于中国统计年鉴 、 有色 金属工业年鉴, 同时参考相关文献资料确定 [ 6-8] 。 系统的功能单位定义为吨锌粉 一级锌粉含金属 锌96 ,火法工艺中的锌粉回收率以 95计算 。 对于共产品 , 环境影响分配采用系统扩展和替 换 [ 5] ,即锌产品承担共生产过程及废弃物处理过程的 环境影响 。具体到碱法工艺系统, 除硫化铅生产工序 外的其他主辅工序的环境影响都由锌产品承担; 火法 工艺系统 ,除粗铅生产及硫酸生产工序外的其他主辅 工序的环境影响都由锌产品承担。 碱法锌粉生产工艺以及传统火法工艺的生产过 程各工序的能耗数据清单见表 1、表2; 生产过程污染 物排放清单见表 3、表 4。 表 1 碱法再生金属锌粉生产过程的能耗清单GJ t 浸出净化电解锌粉烘干加工辅助工序合计 8. 0636 . 101 . 529. 2854. 96 表 2 ISP 工艺再生金属锌粉生产过程的能耗清单 GJ t 熔炼精馏锌粉加工辅助工序合计 44 . 408 . 880 . 385. 2758. 93 表 3 碱法再生金属锌粉生产过程的排放物清单 CO2 tt- 1SO2 kgt - 1 固体废弃物 tt- 1 1. 0210 . 0150 . 88 表 4 ISP工艺再生金属锌粉生产过程的排放物清单 废气废水 kgt-1 CO2 tt- 1SO2 kg t- 1Hg kgt- 1PbCdAsHg 固体废弃 物 t t- 1 11. 0352. 6960. 0350. 1390. 008 0. 00190. 00070. 9 由于碱法工艺中氢氧化钠浸出液可以循环重复利 用,浸出渣及锌粉清洗的废水可以回用作为浸出液,整 个工艺的水量可以平衡,所以没有废水产生; 碱法工艺 中的废气排放主要来自于蒸汽锅炉的燃煤排放。 4 影响评价 本研究分别用能源总需求 GER 、 温室效应指数 GWP 、 酸化指数 AP 、 重金属当量 HME 及固体废弃 物负担 SWB 等 5个环境指数表征其影响大小。采用 目前广泛使用的生态指数体系 Eco-Indicator99 中的特 征化指数计算方法来进行量化,计算结果见表 5。 表 5 再生金属锌粉生产过程 LCA的环境影响指数 原料 工艺 GER GJt- 1 1 GWP tt- 1 2 AP tt- 3 HME kgt- 1 4 SWB tt- 1 5 含锌危 险废物 原矿 碱法54 . 960 . 9800 . 0150 . 0000 . 88 火法58 . 9311 . 0352 . 6960 . 2040 . 90 碱法58 . 321 . 0210 . 0150 . 0003 . 89 注 1 生产 1 t 锌能源总需求; 2 生产 1 t 锌产生 CO2的量; 3 生产 1 t 锌产生 SO2的量; 4 生产 1 t 锌相当于产铅的量; 5 生产 1 t 锌产生固体废物的量。 从表 5 比较分析可以看出, 碱法工艺再生锌粉的 GER、 GWP 、AP 比传统的火法工艺都低 , 分别是火法 的93. 26、8. 88、0. 85; 因碱法工艺无废水和含 重金属废气排放 ,所以HME 为 0; 碱法浸取渣经清洗 后浸出毒性低于浸出毒性鉴别标准值 GB5085. 3- 1996 ,可以作为一般废渣处置 [ 9] , 在回收金属锌的同 时实现含锌危险废物的无害化处理 。 将以含锌危险废物和原矿为原料的碱法炼锌工 艺的研究数据进行比较 见表 5 , 可看出由于使用含 锌危险废物为原料 ,实现了资源的二次利用 ,没有矿 石采选过程 ,所以能耗为以原矿为原料的 94. 24,固 体废物产生量也比其少之甚多 。 5 结论 碱法再生金属锌粉新工艺由于其工艺流程简单、 原料适应性强、能耗和废气废水排放少 , 环境协调性 明显好于传统的火法工艺 ; 经碱法处理后废渣可以作 为一般废渣处置 ,在回收金属锌的同时实现了含锌危 险废物的无害化处理 。 下转第 57 页 98 环 境 工 程 2008年 4 月第26 卷第2 期 省。另外 ,根据潜在中水用户的分布情况把污水处理 厂建在城镇的排水下游和方便用户的地方,以减少中 水的运送成本, 并且预留中水用地 。 3. 3 加强管理 ,降低成本 管理是降低运行成本的基础, 污水处理厂要制订 各种规章制度 , 不断提高管理水平, 严格控制各项 支出 。 3. 4 定期保养设备 ,降低维修费用 定期对设备进行保养和维护、定期巡视设备运行 状况, 要做到润滑油及时添加和更换, 小毛病及时修 理,避免出现由保养不及时造成比较大的故障 。 3. 5 改进运行方式 ,降耗节能 根据进水水量 、 水质不断调整运行模式 ,使各段 工序处于最佳运行状态, 对于大功率的设备如 泵 、 曝 气设备要调整好运行状态 ,并且要配备变频器或软启 动器 ,曝气设备对生化池的充氧要适量 。污水处理厂 要尽可能满负荷运行, 至少运行满负荷的 1 2 ,使污水 处理厂 1 2 的设备满负荷运行, 提高设备的利用率和效 率,降低能耗和设备维护费用 。 3. 6 选择性能优良的设备 选择性能优良的设备, 最初虽增加了设备费用, 但从长远来看, 选择性价比较高的设备减少了设备维 修费用 ,设备的使用年限大大提高, 从而使设备总费 用降低。 4 结语 通过对污水处理厂的处理成本分析 ,可以得出处 理成本和很多因素有关 , 主要由折旧 、人员费 、动力 费、 维修费和药剂费决定 ,其中动力费和维修费占到 处理成本的 55. 7。为了降低处理成本, 首先做好 建设污水处理厂的前期工作, 其次围绕降低动力费和 维修费这 2 个因素开展 。降低运行成本的根本措施 有 定期保养设备, 减少维修费用 ; 改进运行方式, 降 耗节能。 参考文献 [ 1] 范建宏. 紫外线消毒在污水处理中的应用. 山西建筑, 2006, 32 3 190 -191 [ 2] 周海川, 林玉娣, 马玉林. 城市综合污水处理厂出水消毒成本 - 效益分析. 环境科学研究, 2002, 15 5 55 -57 [ 3] 荆新, 王化成. 财务管理学. 北京 中国人民大学出版社, 2003 作者通信处 原培胜 056027 河北省邯郸市中国船舶重工集团公 司七一八研究所 电话 0310 7189370 E -mail yuanpsh vip. sina. 2007- 08-06 收稿 上接第 98页 参考文献 [ 1] 铅锌冶金学编委会. 铅锌冶金学. 长沙 中南工业大学出版社, 2003 1 -25 [ 2] Zhao Youcai, Robert Stanforth. Production of Zn powder by alkaline treatment of smithsonite Zn -Pb ores. Hydromtallurgy , 2000,56 237 -249 [ 3] Zhao Youcai,Robert Stanforth. Selectiveseparation of lead from alkaline zinc solution by sulfide precipitation. 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Keywords high salinity sewage, A O process, sludge domestication and microorganisms VARIATION CHARACTERISTICS OF NH 4-N AND TN IN LEACHATE FROM QUASI-AEROBIC LANDFILLWang Xiaolong Hu Shibin Huang Qifei et al 89 Abstract The variation law of NH 4-N and TN indifferent layers leachateswas studied. The results showed that, the NH 4-N concentrations in leachates of three landfilling layers of quasi-aerobic installation declined rapidly and reduced to 45. 6, 329 and 820 mg L, and the decreasing rateswere 86. 5, 81. 7 and 72. 8 respectively. TN concentrations in leachate of three layers were decreased to 313, 240 and 1 228 mg L respectively from 2 207, 3 511 and 5 751 mg L. According to the test results, the quasi -aerobic landfill had better removal rate of NH 4-N and TN. Keywords quasi-aerobic landfill, leachate and N -bearing pollutant INFLUENCE OF MEDIA PROPORTIONING UPON REMEDIAL EFFICIENCY OF PRB Li Li Wang Yeyao Meng Fansheng 91 Abstract The influence of proportioning by weight on efficiency of PRB, which was designed with Fe0and active carbon ACwas tested and studied. Cr Ⅵ was deoxidized by Fe0and adsorbed by AC. Different proportion of Fe0to AC strongly affected the removal rate of CrⅥ. The best results were made when the mass fraction of Fe0andAC were 40, 30. Cr Ⅵ could be reduced to 0. 05mg L when Voutput96. 5 L, which met the requirement of water quality standard for drinking water.pH was rising during the treatment. Keywords groundwater, PRB, chromium, zero -valent iron and active carbon WHEAT STRAW AS CARBON SOURCES OF AEROBIC DENITRIFICATION Liu Jiangxia Luo Zejiao Jin Menggui et al 94 Abstract The aerobic denitrification of groundwater was studied in laboratory columns packed with wheat straw as the sole substrate for microbial population. The resultsshowed that the reactor withwheat straw as carbon source started up fast, andtemperature andhydraulic retention time HRT markedly affected the denitrificationprocess. The N removal at28 ℃was approximately 3 times higher than that at 33 ℃. When the initial concentration was 50 mg L, 94 . 64 of nitrate nitrite was not detectedcould be removed after 56. 85 h at 271 ℃.The nitrogen removal rate was less 50when HRT was 12 h.pH and NO - 3-N concentration of influent had also effect on denitrification, and the nitrogen removal rate arrived 90when pH was 6. 7. The relation is linearity between nitrate removal rate and nitrate concentration of influent. Keywords wheat straw, carbon sources aerobic denitrification, biological treatment, groundwater and nitrate LIFE CYCLE ASSESSMENT ON ALKALINE PROCESS OF PRODUCING SECONDARY Zn POWDER FROM HAZARDOUS WASTE BEARING Zn Zhang Chenglong Guo Cuixiang ZhaoYoucai et al 97 Abstract The life cycle assessment was used to investigate the environmental impacts of alkaline process of producing secondary Zn powder. The results indicate that environmental impacts of the new technology is less than the conventional pyrometallurgical process. The energy consumption, greenhouse effect, acidification of the new process are 93. 26, 8. 88 and 0 . 85 of those by the conventional pyrometallurgical process. The residuesof alkaline process can be disposed as non -hazardous waste. It is a cleaner technology for extracting zinc from the hazardous waste bearing Zn. Keywords Zn powder, alkaline process, LCA and environmental impact Manager China Iron and Steel Association SponsorCentral Research Institute of Building and Construction of MCC Group PublisherIndustrial Construction Magazine Agency EditorThe Editorial Department of Environmental Engineering 33,Xitucheng Road,Haidian District, Beijing 100088,China Telephone 01082227638 82227678 Chief EditorBai Yun Vice Chief EditorShen Guiqiu Domestic All Local Posts DistributorChina International Book Trading Corporation P . O . Box 399, Beijing China China Standard Serial Numbering ISSN1000-8942 CN11-2097 X E -mailhjgcpublic . yj. cn. net hjgctg 163. com http www. hjgc . com. cn http www. hjgc . net . cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 2,Apr. ,2008