特色產業固體廢物環境影響與資源化技術研究進展

李 暢，陳云嫩，何彩慶，殷若愚

（江西理工大學江西省礦冶環境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000）

近年來，我國現代工業在世界科學技術的推動下得到飛躍式發展，成為全球最大的工業生產國之一[1]。 礦產資源作為現代工業發展必需的物質基礎，其需求量也急劇增加[2]。雖然我國礦產資源儲量較大、礦種齊全，但由于地質成礦條件不同，礦產分布具有明顯的地域差異，全國各省市均擁有不同類型的地區特色礦產[3-4]。

中部地區（包括山西、河南、安徽、湖北、湖南以及江西六?。┵Y源豐富，是我國重要的礦產資源輸出基地[5]。有色金屬、稀有金屬及非金屬礦產作為中部地區主要的礦產資源，構成了推動中部地區崛起的主要力量[6]。

特色產業的發展給中部地區帶來了巨大經濟效益，同時當地也出現了一系列資源環境問題：礦產資源儲量愈來愈少，工業固體廢物日益增多[7]。這不僅限制了經濟的發展，又對生態環境造成巨大壓力[8]。由于大多數礦產資源品位較低，開采過程中尾礦廢石、冶煉廢渣等固體廢物等產生量較大[9]。資料顯示，開采一個中型礦山，基建過程中產生2×105～5×105m3廢石，井下礦開采出1 t礦石就會產生2～3 t廢石，露天礦開采出1 t礦石就會產生6～ 8 t廢石，生產過程中也會產生6×104～1.5×105m3的廢渣[10]。

我國作為資源消耗大國，每年各種礦產固體廢物排放量非常大[11]。因此，為了降低特色產業固體廢物排放量，提高固體廢物的綜合利用效率，筆者著重對特色產業固體廢物資源化技術進行了分析并討論各自優缺點，積極探索更高效的固體廢物資源化技術[12]。

1 特色產業固體廢物來源情況

近年來，我國大力支持中部地區資源枯竭、產業衰退、結構單一地區加快轉型，雖然在推動工業固體廢物綜合利用方面取得積極的進展，但特色礦產平均利用率依然較低，大量礦山開采廢石和尾礦貯存的現象依然嚴峻，同時礦山開采固體廢物因環境管理不善導致的污染問題也日益突出[13]。我國2000-2015年全國工業固體廢物處理情況如圖1所示。2015年中部地區工業固體廢物分布與處理情況如圖2所示。圖1、圖2相關數據均來源于《中國環境統計年鑒·2016》[14-15]。

由圖1可知，雖然固體廢物年綜合利用量不斷提高，但往年貯存的固體廢物累積量依然龐大。根據《第一次全國污染源普查技術報告》，全國工業固體廢物往年貯存量高達64.4億t，其中中部地區固體廢物往年貯存量為22.6億t，約占全國總量的35%，2015年中部地區工業固體廢物分布與處理情況如圖2所示。大量工業固體廢物的貯存占用了大面積的土地。據統計，2015年我國礦山開采累計占用損壞土地26.2萬hm2，其中中部地區總土地占用損壞量占全國的16.8%[14]。貯存的工業固體廢物占用土地的同時又能通過多種途徑對周圍環境產生 影響。

圖1 2000-2015年全國工業固體廢物處理情況

圖2 2015年中部地區工業固體廢物分布與處理情況

2 特色產業固廢對環境的影響

大量的礦山工業固體廢物堆放在一起，形成了“二次礦山”，其中含有大量未被提取的金屬離子或未被完全去除的有毒有害物質。若處置不當，它會通過環境介質對礦區周圍空氣、土壤和水體環境造成不可逆的影響，而且堆積的廢石容易導致滑坡和泥石流等地質災害，嚴重威脅著周圍生態環境的安全[16]。

2.1 大氣污染

特色產業工業固體廢物對大氣的污染主要表現在：暴露在空氣中的礦山廢石和尾礦經風化作用形成細小顆粒物飄在空氣中，能直接影響空氣能見度，成為大氣PM2.5污染的直接來源；堆積的尾礦和冶煉廢渣中含有的選礦藥劑可能會分解產生有毒有害氣體，也能造成大氣污染[17]。

2.2 水體污染

工業固體廢物對水體的污染主要表現在：尾礦和冶煉廢渣的隨意傾倒堆放，其中的酸性或堿性污染物會將未被提取的重金屬離子（Cu、Pb、Zn、Cd等）和選礦藥劑（氰化物、氟化物及砷化物等）溶解出來，經雨水的淋洗后形成滲濾液，并通過地表徑流或地下滲透的形式污染地表水和地下水，造成水質惡化，危害水體動植物的生存環境，形成“死水”現象[18]。

2.3 土壤污染

工業固體廢物對土壤的污染主要表現在：尾礦和冶煉廢渣中的有害物質經雨水淋洗后以滲濾液的形式向地下滲透，導致土壤中有毒有害物質含量過高，超過了土壤的自凈能力，破壞了土壤中微生物種群結構，使土壤環境惡化，形成土壤污染[19]。

2.4 地質災害

礦產開采過程產生的大量尾礦廢石堆放在礦區周邊，由于沒有加固防護措施，一旦遇到長期陰雨天氣，極容易發生尾礦庫潰壩，甚至造成滑坡和泥石流等災害，危及當地居民生命安全[20]。

由此可見，礦業固體廢物的貯存對人類健康和生態環境的威脅相當嚴重。因此，從環保角度考慮，對礦業固體廢物進行合理處置就顯得尤為重要。作為一種放錯位置的資源，固體廢物具有既是“廢物”又是“資源”的二重性，只要通過合理的技術手段對其進行資源化處理，就可以將廢物變成資源。

3 特色產業固體廢物資源化方法

綜合利用技術是處置工業固體廢物的最有效手段，也是實現其資源化、減量化的重要途徑。在工業固體廢物進入環境之前，先對其進行綜合利用，可以大幅度降低后續處置負荷，減輕環境壓力[21]。近年來，我國工業固體廢物的綜合利用率保持在60%左右，還有很大的提升空間。目前常采用的工業固體廢物綜合利用方法主要有以下幾種。

3.1 作為生產原料

由于技術水平不成熟，原料中部分資源未能被完全利用，使產生的部分工業固體廢物如尾礦、礦渣、冶煉渣等中含有大量的可用資源。隨著科技的進步，生產技術水平不斷提高，貯存的工業固體廢物可以作為原材料回歸到生產中[22]。

Liuqing Huang等以鈉鎂工業廢渣為生產原料，通過鎂熱還原法合成了介孔硅[23]。結果表明，Mg2Si、MgSiO3、MgO等含鎂相作為中間體，有利于納米硅的制備。計算得到的BET表面積證實了所制備的硅粉具有介孔結構。此外，介孔硅對N2有較大的吸收容量。Yi Su等以工業廢渣（C&D廢渣、CFA、FNS、RS和SS）為原料，制備了一系列新型防火材料（WFMs）[24]。結果表明，得到的WFMs表現出卓越的空氣密閉性能且價格低廉。

將工業固體廢物作為生產原料，具有節約礦產資源、降低生產成本和保護環境等優點。但在回用過程中，固體廢物的資源含量較低，可能造成部分能源浪費，并且需要花費較多的投入對可利用部分的含量進行測定，增加了生產成本，限制了此方法的應用。因此，未來的研究方向應注重提高固體廢物的資源回收率，或選擇成本較低的技術。

3.2 生產建筑材料

部分工業固體廢物如有色金屬冶煉底泥、非金屬礦尾礦等組分中含有大量硅酸鹽、鋁酸鹽、碳酸鹽等物質。因此，人們可以利用科學技術，使大部分工業固體廢物具備生產建筑材料的條件。非金屬礦尾礦、冶煉渣可以與石灰結合燒制磚塊來代替傳統黏土磚，尾礦可以生產硅酸鹽水泥和墻體材料[25]。

N Toniolo等以鋁冶煉產生的赤泥和回收的廢玻璃為原材料來生產硅鋁酸鹽建筑材料[26]。結果表明，與普通硅酸鹽水泥相比，硅鋁酸鹽建筑材料具有較高的抗壓強度值。雖然赤泥中含有大量的重金屬離子，但是通過檢測，得到的硅鋁酸鹽建筑材料中重金屬的浸出量能夠達到環保要求。E Vejmelkova等用陶瓷固體廢物代替水泥，結果表明，20余種陶瓷廢料的摻入降低了水泥的抗壓強度，但其耐久性能較好[27]。

將工業固體廢物用于生產建筑材料，具有操作過程簡單、條件易控制，可以顯著降低其貯存量等優點，也是未來資源化發展的一個主要方向。但工業固體廢物中含有的重金屬可能會對環境造成重大危害，因此在利用工業固體廢物生產建筑材料時應注意對降低重金屬含量進行研究或選擇非金屬礦固體廢物作為生產原料。

3.3 提取有價元素

有色金屬礦產往往含有多種金屬離子，冶煉后的礦渣可作為回收其他金屬離子的原料，部分含有稀有金屬礦渣的回收價值甚至可能會超過主金屬[28]。

Janúbia等從工業冶煉廢渣中回收鈾、釷、稀土元素等，結果表明，在固體含量為10%、pH值接近1.0的情況下，使用HCL作為浸出劑時，釷、鈾和稀土元素在溶液中的溶解率高達94.3%、99.0%和97.4%[29]。Alok Prasad Das等利用生物浸出技術從采礦廢料和貧礦廢石中提取錳元素。結果表明，在最佳溫度300℃、pH值為6和紙漿密度2%（w/v）的條件下，在20 d內最大回收率為76%[30]。

從工業固體廢物中提取有價金屬，不僅可以降低部分重金屬的環境危害，而且投資小、效益高，具有很大的經濟價值。但所需周期較長、提取率低，容易產生二次污染等問題。因此，在提取有價金屬的研究過程中，人們應注重提高有價金屬的提取效率。

3.4 筑基建與回填

我國工業固體廢物中礦山開采廢石和尾礦量占有很大比例。體積大、儲量多、品位低是這些礦山固體廢物的主要特點，大塊的廢石可以修筑堤壩、回填礦坑等，部分顆粒較小的尾礦可以修筑路基、房建地基等[31]。

Hongjian Lu等通過采用有限元法和三區理論確定露天礦的最小回填高度、級配和分層高度以及水泥尾礦比等工藝參數[32]。結果表明，尾礦均可以作為水泥漿料回填劑循環利用，該方法可以有效地解決尾礦殘留問題。江海民對利用高鈦重礦渣集料制備高性能混凝土進行了研究[33]。實踐證明，這種混凝土在修筑路基的過程中表現出較好的性能，并且不會對周圍環境產生不利影響。

筑基建與回填能消耗大量工業固體廢物，具有操作簡便、施工方便、投資小和節約資源等優點，但部分尾礦中含有的重金屬會對周圍環境造成嚴重威脅。因此，采用此方法時應先對尾礦中的重金屬含量進行評估，并做好防滲措施避免出現環境事故。

3.5 改良土壤

部分工業固體廢物如非金屬礦產固體廢物中含有較高的鈣、磷、硅及其他微量礦質元素，這些都是農田土壤所需營養元素。因此，可以將部分工業固體廢物作為肥料用于農田或者林地，這不僅可以為植物提供所需的養分，還可以改善土壤環境[34]。

趙文廷等通過配制礦山固體廢棄物種植混合土，進行盆栽和地栽試驗研究[35]。結果顯示，利用礦山固體廢棄物種植混合土進行礦山廢棄地復墾與生態修復，不僅可以大量消耗與處置礦山固體廢物，而且能夠快速地實現礦區生態恢復，改善礦區環境，具有較高的生態、社會和經濟效益。

工業固體廢物可以用于生產農用肥料，具有工藝簡便、投資較小和環境影響較小等優點。但部分固體廢物含鹽量高、重金屬超標以及不易被微生物分解利用等缺點，這是造成土壤板結和重金屬污染的主要原因。因此，未來研究應著重于開發低含鹽量、不含有毒有害物質及易生物降解的固體廢物作為土壤改良肥料。

4 結論

工業固體廢物具有數量龐大、成分復雜及處理困難等特點，對其進行資源化利用是減少固體廢物排放的最有效方法。但是目前綜合利用率依然較低，主要是由于利用技術仍不成熟，處理能力達不到要求。今后，人們要從如下幾個方面加強工業固體廢物的資源化研究。

一是進一步拓展綜合利用方法?，F有的資源化處理方法有限，遠不能滿足各種工業固體廢物的資源化需求。人們要根據工業固體廢物成分特點探索并選擇合適的資源化處理技術，使得各行各業固體廢物都有獨特的資源化方法。二是對工業固體廢物的處理進行深入研究，探索高效節能的固體廢物資源化方法。國內固體廢物資源化研究起步較晚，現有技術雖然能進行部分工業固體廢物的資源化處理，但存在能源消耗大，過程復雜、資源化利用率低等問題。三是對工業固體廢物資源化過程進行生命周期評價。部分工業固體廢物在資源化過程中出現嚴重的二次污染，違背了資源化發展的理念。人們要通過定量化研究，確定能源利用和污染物環境排放的關系，評估資源化過程造成的潛在環境影響，并提出相應的環境整改方案。