第2章 固体废物预处理及资源化技术
2.1 物理法处理技术
2.1.1 固态气爆技术
（1）固态气爆技术原理
主要应用于含纤维固体废物的预处理，原理是物料在气流膨化机中瞬间由高温、高压突然降到常温、常压，原料内部的水分突然气化，气体突然膨胀，发生喷爆，产生爆破效果，固态气爆处理可使物料组织呈海绵状，体积增大，一些结构组织如纤维素等被破坏，内含物暴露，有利于目的物的溶出，也有助于提高原料进一步生物转化的效率。
（2）固态气爆工艺
物料清理除杂后，以适宜粒度采用浸泡或喷洒方式提高物料含水量，沥水后密封，进行一定时间的均湿，使其内部水分均衡，将调整好水分的物料装入气爆设备、密封，采用电加热或直接明火加热，在一定时间升压至预设压强，保压一定时间后瞬间卸压，完成气爆并收集物料。
2.1.2 微波技术
（1）微波提取原理
微波是一种高频率的电磁波，其频率范围在300MHz～300GHz之间（相应的波长为0.1～100cm），它具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大基本特性。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性，微波量子的能量为1.99×10-25～1.99×10-22J，它与生物组织的相互作用主要表现为热效应和非热效应。微波的热效应是指能够透射到生物组织内部使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡引起分子的电磁振荡等作用增加分子的运动导致热量的产生。微波的非热效应是指除热效应外的其他效应如电效应、磁效应及化学效应等。微波提取主要是利用其热效应，由于被提取物细胞内含水和极性有效成分，在微波电磁场作用下，极性分子从原来的热运动状态转向依照电磁场的方向交变而排列取向，产生类似摩擦热，这些物料含水和极性有效成分大量吸收热量，内部产生热效应，导致细胞结构发生破裂，溶剂容易进入细胞内，溶解并释放出细胞内物质，从而可以提高固体废物中某些组分的提取率。
（2）微波提取工艺
固体废物物料经清理除杂和清洗后粉碎，以适宜粒度采用浸泡方式提高物料含溶剂量，使物料更好地吸收微波能，将物料和溶剂放入微波设备中，在微波设备中辐照一定时间后取出，液固分离、浓缩、干燥处理后，得到所需要的产品。
2.1.3 超声波技术
（1）超声波提取原理与特点
超声波是指频率为20kHz～50MHz的电磁波，它是一种机械波，需要能量载体和介质来进行传播。超声波在传递过程中存在正负压强交变周期，在正相位时，对介质分子产生挤压，增加介质原来的密度；负相位时，介质分子稀疏、离散，介质密度减小。超声波并不能使样品内的分子产生极化，而是在溶剂和样品之间产生声波空化作用和搅拌作用，导致溶液内气泡的形成、增长和爆破压缩，从而使固体样品分散，增大物料与提取溶剂之间的接触面积，破坏物料的细胞，使溶剂渗透到细胞中，提高目标物从固相转移到液相的传质速率，缩短提取时间，提高提取率。
超声波提取特点是提取效率高，超声波独具的物理特性能促使植物细胞组织破壁或变形，使有效成分提取更充分；提取时间短，超声波强化中药提取通常在24～40min即可获得最佳提取率，提取时间较传统方法缩短2/3以上，原材料处理量大；提取温度低，超声提取中药材的最佳温度在40～60℃，对遇热不稳定、易水解或氧化的有效成分具有保护作用，同时大大节约能耗；适应性广，超声提取中物料不受成分极性、分子量大小的限制，适用于各类物料有效成分的提取；提取液杂质少，有效成分易于分离、纯化，提取工艺运行成本低，综合经济效益显著。
（2）超声波处理工艺
固体废物物料经清理除杂和清洗后粉碎，与适宜的溶剂混合、浸泡，使物料更好地吸收超声波，将物料放入超声波设备中，超声提取一定时间后取出，液固分离后，浓缩、干燥，得到所需要的产品。
2.1.4 挤压膨化技术
2.1.4.1 挤压膨化原理
生产中最常使用的是单螺杆挤压机和双螺杆挤压机，挤压膨化是借助挤压机螺杆的推动力，将物料向前挤压，物料受到混合、搅拌、摩擦以及高剪切力作用而获得并积累能量达到高温高压，并使物料膨化的过程。连续挤压蒸煮工艺的核心设备是挤压机。挤压机具有压缩、混合、混炼、熔融、膨化、成型等功能。挤压机的腔体可以分成3～5个区，各区可以通过蒸汽或电加热，也可通过挤压摩擦加热，从而达到蒸煮物料的目的。当含有一定水分的原料通过供料器进入套筒后，随着螺杆的转动而向前输送，当物料逐渐受到机头的阻力作用时而被压缩，通过压延效应和吸收机筒外部所加热量，以及物料在螺杆与套筒间的强烈搅拌、混合、剪切等作用下而产生的高温、高压，物料在挤压腔内成熔融状态；在腔体中高温、高压的作用下，物料含有的化学成分内部结构发生变化，在挤压腔体的末端，熔融的物料在高压的作用下通过模板的模孔挤出，由于压力的突然下降、水蒸气的迅速膨胀和散失，产品形成质构疏松多孔的结构，然后膨化的物料被旋转刀切成一定大小的产品。
2.1.4.2 挤压膨化工艺
根据膨化过程的不同，挤压膨化工艺分为直接挤压膨化和间接挤压膨化2种。
（1）直接挤压膨化工艺
具有一定水分含量的物料，在挤压机的套筒内受到螺杆的推动作用和卸料模具（或套筒内的节流装置）的反向阻滞作用，以及受到来自外部的加热或物料与螺杆、物料与物料、物料与套筒内部的摩擦热的加热作用，使物料处于高达3～8MPa的高压和200℃左右的高温状态。压力超过了挤压温度下的饱和蒸汽压，因而物料在挤出机套筒内水分不会沸腾蒸发，在高温下，物料呈现熔融状态。物料一旦经模具口挤出，压力骤然降低，水分急剧蒸发，产品随之膨胀。水分的散失带走大量热量，使物料的温度在瞬间骤降到80℃左右，从而使产品固化定型，得到直接挤压膨化产品。
（2）间接挤压膨化工艺
原料在挤压机内蒸煮，并在温度低于100℃时推进通过模板，原料在低温时成型，这样可防止物料中水分瞬间变为蒸汽而产生膨化。产品的膨化工艺主要靠挤出之后的烘烤等加热方式来完成。间接挤压膨化物料一般具有较均匀的组织结构，膨化度较易控制。
2.1.5 热解技术
2.1.5.1 热解原理
热解法是利用废物中有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下对物料进行加热，使有机物产生裂解，通过热化学反应将大分子物质（木质素、纤维素和半纤维素等）分解成较小分子的燃料物质（固态炭、可燃气、生物油）的热化学转化技术方法。
2.1.5.2 热解工艺分类
热解工艺按供热方式分为直接加热、间接加热；按热解温度不同分为高温热解、中温热解、低温热解；按热解炉结构不同分为固定床、移动床、流化床和旋转炉；按产物物理形态不同分为气化方式、液化方式、炭化方式；按热解燃烧位置不同分为单塔式和双塔式；按是否生成炉渣分为造渣型和非渣造型。
2.1.5.3 热解工艺与设备
一个完整的热解工艺包括进料系统、反应器、回收净化系统、控制系统几个部分。其中反应器是整个工艺的核心，热解过程就在反应器内发生，不同的反应器类型决定了整个热解反应的方式以及热解产物的成分。
（1）立式炉热解法
反应器结构相对简单，由于热气体通过整个燃烧床，其显热对物料有导热和干燥作用，气体离开反应器时温度较低，热损失小，系统热效率高，但气体中易夹带挥发性物质。
（2）双塔循环流态化热解法
燃烧的废气不进入产品气体中，可得高热值燃料气，在燃烧炉内热媒体向上流动，可防止热媒体结块，流化床内温度均一，可以避免局部过热，燃烧温度低，产生的氮氧化物少。
（3）回转窑热解法
采用间接加热，主设备为一个略微倾斜、可以旋转的滚筒，通过滚筒的转动，使物料从进料端通过蒸馏容器段慢慢向卸料端移动，并在此过程中发生分解反应。分解反应产生的气体，一部分被引导到蒸馏容器外壁与燃烧器内壁之间的空间燃烧，用以加热物料，为分解反应提供热量，另一部分则被导出以作他用。
2.1.6 超临界技术
2.1.6.1 超临界技术原理
根据温度和压力的不同，单组分体系呈现出液体、气体、固体等状态变化，如果提高温度和压力，观察状态的变化，当体系达到特定的温度、压力点时，会出现液体与气体界面消失的现象，该点被称为临界点。超临界流体指的是处于临界点以上温度和压力区域下的流体，它具有十分独特的物理化学性质，密度接近于液体，黏度接近于气体，扩散系数大、黏度小、介电常数大。因此，在提取、精制、反应等方面，可以用作代替化学溶剂的新型溶剂使用，提取分离物料组分。
2.1.6.2 超临界提取工艺与设备
（1）超临界提取工艺
将需要提取的物料经除杂及粉碎，称取300～700g装入提取器中，用CO2反复冲洗设备以排除空气。操作时先打开阀及气瓶阀门进气，再启动高压阀升压，当压力升到预定压力时再调节减压阀，调整好分离器内的分离压力，然后打开放空阀接转子流量计测的通过各个调节阀门流量，使萃取压力、分离压力及提取过程中通过的CO2流量均稳定在所需操作条件，半闭阀门；打开阀门进行全循环流程操作，萃取过程中从放油阀把提取液提出。
（2）超临界提取设备
超临界萃取装置可以分为两种类型：一是研究分析型，主要应用于小量物质的分析，或为生产提供数据；二是制备生产型，主要是应用于批量或大量生产。超临界萃取装置从功能上大体可分为萃取剂供应系统、低温系统、高压系统、萃取系统、分离系统、改性剂供应系统、循环系统和计算机8部分控制系统，具体包括二氧化碳注入泵、萃取器、分离器、压缩机、二氧化碳储罐、冷水机等设备。
2.1.6.3 超临界技术的特点
①可以在接近室温（35～40℃）及CO2气体笼罩下进行提取，有效地防止了热敏性物质的氧化和逸散。
②由于全过程不用有机溶剂，因此萃取物绝无残留溶媒，同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染，安全性好。
③传热速率快，提取效率高，能耗较少，温度易控制；适于挥发性物质、固态物质的分离提取。
④CO2价格便宜，纯度高，容易取得，且在生产过程中循环使用，从而降低成本。