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澳门地区危险废物等离子体处置技术探讨

2024-08-01 46 上传者：管理员

摘要：近年来，澳门地区危险废物的接收量呈上升趋势，然而相关处理站的处理能力已逐渐饱和。因此，迫切需要扩建设施或采用新技术来处理这些危险废物。本文的重点是分析传统焚烧技术对澳门环境造成的影响，包括焚烧所产生的底灰和飞灰等。同时介绍了热等离子体技术处理危险废物的原理和优势。这种方法可以实现危险废物的减量化、无害化和资源化处理，展现出良好的工业应用前景。对于澳门这样人口众多但地域狭小的地区，此技术具有重要意义。

关键词：
危险废物
垃圾
处置技术
澳门
等离子体
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1、澳门地区危险废物产生与暂存现状

1.1澳门危险废物的来源与种类

在澳门，垃圾按来源分为生活垃圾、工商业垃圾和大件垃圾。工商业垃圾来自酒店、商铺和工业大厦，而大件垃圾主要是弃置的家具和电器。澳门地区产生危险废物的可能来源有工商业垃圾和大件垃圾，其分别占澳门总垃圾产生量的11.5%和5.2%。值得一提的是，由于澳门特别行政区土地资源紧缺，目前垃圾的主要处理形式为焚烧处理，因此产生的危险废物还包括垃圾焚烧后产生的飞灰。

澳门的工业规模不大，生产性的工业企业较少，因此工业垃圾相对较少。根据相关调查，其来源包括：

(1)澳门电力有限公司的工业垃圾，包括油类垃圾；

(2)垃圾焚化炉产生的固化熔渣及炉灰、飞灰和不可燃物等；

(3)澳门好利安化工有限公司产生的垃圾，如包装纸、包装塑料以及玻璃纤维容器等；

(4)少数制衣厂产生的废料[1]。

根据国家危险废物名录，危险废物包括具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性或者感染性等一种或者几种危险特性的，或对人体健康或环境造成有害影响的所有固体和液态废物。中国内地根据腐蚀性、毒性、易燃、反应性或感染性不同，将危险废物分为50类。相比之下，澳门并未对危险废物进行系统分类，而是根据《废物处置条例》直接指定，包括垃圾焚烧后产生的飞灰、医疗废物、废弃轮胎、马匹及犬只等动物尸体及屠场废料、油渣沉淀物、化学废物及费油等[2]。

1.2澳门地区危险废物的处置现状

针对澳门现时所产生的特殊废物，澳门建有一个特殊和危险废物处理站，于2007年5月开始运作[3]，主要采用了高温焚化处理技术，处理垃圾焚化中心不可处理的废料。澳门特殊和危险废物处理站的焚化炉设计处理量为每天24公吨，平均每小时可处理1公吨的特殊和危险废物。处理系统主要包括两个燃烧室，分别为“第一燃烧室(旋转窑)”及“第二燃烧室”，所有可燃废物会在这两个燃烧室内气化及燃烧。废气离开第二燃烧室后，首先进入“热交换器”，利用热交换的作用冷却废气的高温。其后，废气进入反应器，注入碳酸氢钠及活性炭，以中和废气内的酸性气体(如二氧化硫及氯化氢等)及去除重金属及二噁英等有害物质[2]。此外，生活垃圾焚烧及危险废物焚烧产生的废渣和灰尘由澳门清洁专营公司负责，其收集及运输过程皆以密闭方式进行，最后运送到填埋区掩埋[4]。

随着人口持续增长，澳门每年的垃圾产量逐年攀升，给现有垃圾处理设施带来了沉重压力。澳门特别行政区环境保护局统计2010年至2017年特殊和危险废物处理站数据显示，澳门的危险废物接收量有上升的趋势，增量不大，但澳门现有的垃圾焚化炉、堆填区等处理设施大多已运作数十年，技术装备相对陈旧，急需扩建或采用新的技术处理危险废物。

图1澳门2010至2017年特殊与危险废物接收与处理量

2、传统焚烧技术对环境的影响

2.1底灰的影响

有相关研究对澳门城市生活垃圾焚烧底灰进行了分析，假设底灰在填埋后形成渗滤液渗入土壤和地下水，研究中测定了底灰浸出液的重金属含量，并用根尖细胞微核试验法确定浸出液的遗传毒性。研究结果显示，在渗滤液中，铝(Al)、锰(Mn)、钴(Co)、镉(Cd)、汞(Hg)的浓度均小于0.01 mg/L；铁(Fe)、铜(Cu)和钼(Mo)的浓度均小于0.1 mg/L；铬(Cr)、锌(Zn)、锶(Sr)、钡(Ba)、铯(Cs)浓度为0.11 mg/L～2.19 mg/L；而铅(Pb)则高达19.6 mg/L。随着重金属含量的增高，对细胞的毒性也随之增强[5]。经焚烧处理后的垃圾体积缩小到原来的十分之一，这对于土地资源紧缺的澳门具有极为重要的意义，但直至目前，经焚烧后的大约7200 t/y的底灰是直接运往澳门九澳飞灰填埋场填埋处置的[6]，底灰属于危险废物，一旦形成渗滤液下渗到土地、地下水或海域中，将对附近的生态环境及居民健康造成一定的威胁，这需要引起足够的重视。

2.2飞灰的影响

一般城市生活垃圾焚烧产生的飞灰占进料湿重的1%～3%，含有高浓度可浸出重金属和高毒性的二噁英等[7]。研究表明，飞灰具有较高的孔隙率，这使得铅、汞等挥发性重金属易于在其表面富集[8]。其中，飞灰中的Ca、K、Na、Pb、Zn、Cd、Cu、Sr等元素具有显著的移动性，超过一半的金属可溶且可交换，在温和的条件下可以轻松被提取出来[9]，这些特性促进了重金属从飞灰中浸出，增加了飞灰中可溶性盐对城市生活垃圾的毒性影响。焚烧过程中引发复杂化学反应，导致许多有毒物质仍残留在飞灰中。城市生活垃圾和危险废物焚烧后产生的飞灰在填埋后，其中的重金属和有毒物质将缓慢释放到周围环境中，造成环境污染。

2.3医疗垃圾的影响

医疗垃圾所携带的病菌数量庞大、种类繁多，如果处理方式不当，就会对环境、对人类身体健康造成极大的威胁。利用焚烧法处理医疗垃圾，其中，不可燃物无法减容，例如灰，金属等；不能处理基因毒性物质、放射性物质和汞污染物；不可燃物和燃烧后的飞灰可能造成处理上的问题；需要辅助燃料[10]。

焚烧医疗垃圾不仅会产生高毒性持久性有机污染物，如二噁英、多氯联苯、多环芳烃类等，还会产生无机酸性气体、含重金属底灰和飞灰等副产物。其中二噁英是有机物中毒性最强的物质，能在环境中持久存在，很难自然降解。焚烧过程后留下的残留物需要安全处理，因为它可能含有有毒的持久性有机污染物和重金属，否则可能渗入地表水资源，造成地下水污染[11]。

2.4废弃轮胎的影响

废弃轮胎的主要成分为橡胶，废橡胶是一种难融、难降解的有机高分子弹性体。随着澳门旅游博彩业和经济的发展，废弃轮胎逐渐增多，不仅占用大量土地，堆置的轮胎还会引起积水，容易滋生蚊虫、传播疾病。如果废橡胶不经处理直接填埋，将会在地下数百年不化，污染地下水。而焚烧废弃轮胎也会产生严重的环境影响。这种行为释放出大量有毒气体和烟雾，其中包括二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物和重金属等有害物质。这些排放物不仅会污染空气，还可能导致酸雨的形成，危及生态系统和人类健康。此外，废轮胎焚烧灰，含有有害重金属，如铅和锌，会对环境构成潜在威胁[12]。

2.5动物尸体及屠宰废料的影响

澳门地区危险废物使用焚烧法处理动物尸体，它的局限性在于：焚烧前需要肢解，对防疫要求高；燃烧的过程中会产生大量的污染物，有恶臭产生等[13]。

3、热等离子体处置危险废物的基本原理

等离子体处理固体废弃物/危险废物的技术，包括等离子体热解、等离子体气化、等离子体熔融玻璃化以及它们的组合技术[14]。其基本原理是：给工作施加足够的能量，将电子从中性气体分子和原子中分离，热等离子体中的电子、离子和其他中性粒子具有相近的温度，都超过10000 K，处于局部热平衡状态。当危险废物与等离子体接触，在不同条件下发生气化、热解、熔融等反应，将大部分有机质变为气体物质，不能气化和裂解的物质熔融为高密度的玻璃化物质。

4、利用热等离子体技术处置澳门危险废物的优劣势分析

与一般焚烧技术相比，等离子体处置技术具有以下优点[15-17]:

(1)具有很高的温度和能量密度，反应速率快，极大降低接触时间，使得处理等量固体危险废物时反应器体积和尺寸更小；

(2)加热速率快，高温使反应能在单一反应器内进行，无需分开；

(3)使用电能作为能源，可以在氧化、还原、惰性气氛下操作，减小了气流量，能更好地控制化学反应，比如副产物的产生；

(4)可以处理各种危险或非危险废物，有害物质降解较完全，减容率高，生成产物对环境影响小；

4.1优势分析

针对澳门地区危险废物的种类和特性，在处理特定危险废物上，等离子体技术具有以下优势：

4.1.1减量，对有害物质固化效果明显

热等离子体具有很高的温度和能量密度，垃圾焚烧飞灰经过热等离子体系统处理后，质量为原来的47%左右，体积为原来的29%左右。利用等离子体熔融处理，可以得到玻璃体炉渣和惰性金属炉渣，少量烟气和少量含有氯化物和硫化物的二次飞灰。有研究对中国台北一城市固体垃圾焚烧灰进行熔融处理后，焚烧炉灰平均体积减小率达到6.4%，而平均质量减少率大约为1.7%，飞灰中重金属被固定而降低了浸出率[18]。还有研究通过生命周期评价来评估等离子体玻璃化处理城市生活垃圾飞灰的效果[19]，结果表明，等离子体玻璃化处理可以显著降低城市生活垃圾飞灰对生态系统质量、人类健康以及自然资源的生命周期影响，说明等离子体玻璃化处理是处理城市生活垃圾飞灰的有效方法。

据张璐等的研究[20]，利用等离子体装置熔融处理医疗废物，其中各重金属的固化率在68.0%～89.4%以上，并且Cd、Ni、Cr、Zn、Cu和Pb在熔渣中浸出浓度均远远低于国家规定的毒性浸出标准。因此，采用等离子体处置技术处理危险废物，能够很好固化来自飞灰、医疗废物、废气轮胎等的重金属，绝大部分重金属能被固化在熔渣中，极大减小二次污染的可能。

4.1.2有效降低二噁英的产生量

与传统焚烧法相比，热等离子体既能分解已有二噁英，又能避免产生新的二噁英。一般的焚烧法温度在800℃左右，会产生强致癌物二噁英，这主要是因为燃烧的温度不高和不完全燃烧引起的。而利用等离子体技术处理危险废物，中心火焰能达到上万度，平均操作温度能有2000℃～5000℃，被处理的物料能够在瞬间达到高温，处理效率高，因而能有效降低二噁英的产生量。

4.1.3杀灭病菌，能处理放射性物质

热等离子体因其高温高能量的特征，除了能杀死危险废物中的病菌之外，还能处理低中放射性废弃物。澳门地区危险废物中放射性废物应该来源于医工科等单位在利用放射性同位素或者使用放射源所产生的放射性废物。用热等离子体处理放射性废物时，可以将废物中的无机物熔融成稳定的玻璃体固化放射性核素，有机物被高温分解为小分子而达到更高减容比，达到废物减容和放射性核素稳定化的效果[21]。

4.1.4资源化利用

等离子体处理采用等离子体技术热解废弃轮胎的产物包括可燃气、固体产物两部分。可燃气包括CO、H2、C2H2、C2H4、CH4、H2S等，固体产物主要是由轮胎的配料炭黑和一些附体碳氢化合物及金属氧化物组成[22-23]。除了可燃物可提纯后作为燃料外，热解炭黑可能用作半加强炭黑的替代物用于橡胶工业，如鞋类、传送带等对橡胶加强要求不是很高的材料。热解炭黑经过进一步处理，应该可以使其等级提高，或经过活化处理作为活性炭使用[24]。另外澳门危险废物中的有机物化合物，也可在等离子体热解中分解成简单的小分子化合物，如合成气等。

还有研究用热等离子体对危险废物进行共处理来产生催化剂，如通过调整医疗废弃物与粉煤灰共处理比例，回收等离子气化渣作为对一氧化氮的催化剂。结果表明在250℃条件下，共处理炉渣的一氧化氮去除率为64.4%[25]。熔融玻璃化产物可以作为建筑材料、运用于岩石工程、土壤修复、污泥调节等[26]，从而可以减少处理后副产物的填埋量，并创造一定的经济价值。

4.2劣势分析

等离子处理方法最大的不足是其以昂贵的电力作为能源。热等离子体技术耗能大，投资、运行费用较高，这从一定程度上限制了它的推广使用。但是，从长期投资的角度来看，等离子体处理危险垃圾仍然经济可行。虽然电耗很昂贵，但是等离子体设备可以高效率利用电能，不像其他热处理方法。为了保证燃烧，它不得不同时加热空气中含量很高却毫无用途的氮气[27]。同时，随着技术的进步，等离子体技术耗能的降低，等离子体处理技术在危险废物处理领域将有很好的发展前景。

5、结束语

针对澳门地区危险废物的现状及类型，本文对等离子体处置澳门地区危险废物进行了可行性分析。利用热等离子体技术，可以将有害物质转变为无害物质，甚至转化成可再利用的资源，这对于澳门这一人口密集地区具有重大意义。

参考文献:

[1]曹静,林国良.澳门垃圾处置及特征分析[J].环境卫生工程,2010(02):23-25.

[2]澳门特别行政区环境保护局.澳门特殊和危险废物处理站[EB/OL]./2014-06-13.

[3]澳门环境状况报告2016[R].澳门特别行政区政府环境保护局,2017.

[4]澳门废弃物的管理[J].环境卫生工程,2002(01).

[10]韩俊淑,王政,吴丽华,等.医疗废弃物处理技术[J].医疗卫生装备,2006(01):43-45.

基金资助:国家自然科学基金(61871409);

文章来源:陈彦凯,张豪,杜长明.澳门地区危险废物等离子体处置技术探讨[J].广东化工,2024,51(14):99-101.