金屬尾礦處置及資源化利用技術研究

杜艷強，段文峰，趙 艷

(1.洛陽理工學院，河南 洛陽 471000；2.河南省新型土木工程結構國際聯合實驗室，河南 洛陽 471000)

0 引 言

金屬礦產是我國經濟發展過程中不可或缺的重要原料，尾礦是金屬礦山或非金屬礦山從原礦中提取有用元素后留下的“廢棄”礦渣。我國經濟規模巨大，對礦產資源的需求迫切，相應的尾礦產量也較大。 尾礦排放占用大量土地資源，據統計[1]，2019年金屬尾礦排放量達12.72億t，其中，鐵尾礦5.20億t，占比為40.9%，銅尾礦3.25億t，占比為25.6%，其余為黃金及其他金屬尾礦，尾礦排放量占大宗工業固廢總排放量的34.4%。目前，我國共建有各等級尾礦庫14 219座，尾礦堆存總量高達600億t，占地面積110萬hm2，尾礦庫所占用土地面積與天津市面積相當。尾礦排放也會引發安全及環境事故，如2008年山西襄汾“9·8”尾礦庫潰壩事故[2]造成了281人死亡；2010年紫金礦業錫礦尾礦庫發生潰壩事件[3]導致22人死亡；2019年巴西1·25尾礦庫潰壩事故[4]造成270人死亡或失蹤。鑒于尾礦堆存可能造成的嚴重環境安全問題，安全管理機構將尾礦壩列為安全生產的9個重大災害危險源之一，其危害性甚至大于火災。

由此可見，尾礦堆存引起的安全及環保問題已成為困擾企業和社會的緊迫難題。近年來有學者提出了加強源頭治理，建設“無尾礦山”理念[5]，“無尾礦山”是指通過尾礦資源化利用等手段，達到無尾礦或少尾礦產出目標的礦山，該理念已在政府、企業及社會各界層面形成共識。本文旨在分析掌握我國金屬尾礦的基本特點及綜合利用技術現狀，對尾礦資源化利用的關鍵技術及產業政策進行分析，以期為金屬尾礦固廢的資源化再利用問題提供解決思路。

1 尾礦的基本特點

1.1 尾礦分類及成分

對于金屬礦山而言，尾礦一般是指由選礦廠所排放的礦漿經自重固結后形成的固體廢物，礦漿由尾礦顆粒及水組成，其中尾礦顆粒質量濃度約為20%，其余成分為水，尾礦經管道輸送排入尾礦庫后，固體顆粒沉淀固結，水則可回收利用。依據不同分類標準，尾礦的分類方法也不同。

按照行業類別，尾礦可劃分為四類：黑色金屬尾礦(如鐵、錳、鉻等)、有色金屬尾礦(如銅、鋁、鉛、鋅等)、稀貴金屬尾礦(如金、銀、鉬、鉑族金屬等)和非金屬尾礦(如石墨、磷、硫、螢石、重晶石等)。其中，大多數黑色金屬尾礦成分以硅酸鹽類礦物為主，常含有釩、鈦、稀土金屬及非金屬礦物；有色金屬尾礦一般硫化物含量較高，尾礦中殘余的有色金屬及酸性水是周邊區域的潛在重金屬及酸污染源；稀貴金屬尾礦與有色金屬尾礦具有相近的物質組成，尾礦成分以石英、長石、云母為主；大部分非金屬尾礦屬于硅酸鹽或碳酸鹽類，且不含高濃度有害物質，在堆存過程中也易于土壤化，因此非金屬尾礦通常帶來的環境安全風險相對較小。

按照化學成分對尾礦進行分類，對于尾礦的開發利用更具指導意義，中國地質科學院尾礦利用技術中心將尾礦分為以下七種類型。①高硅型尾礦：二氧化硅含量超過80%，其他任一組分含量均不超過10%；②鈣鎂質尾礦：氧化鈣與氧化鎂總含量超過30%，二氧化硅含量不足30%，其他任一組分含量不超過10%，多見于以碳酸鹽為主的尾礦；③鋁硅質尾礦：氧化鋁含量達15%以上，二氧化硅含量達60%以上，其他任一組分含量不超過10%；④鐵硅質尾礦：氧化鐵和氧化亞鐵總含量達20%以上，二氧化硅含量達60%以上，其他任一組分含量不超過10%；⑤堿鋁硅質尾礦：氧化鉀和氧化鈉總含量達10%以上，氧化鋁含量達10%以上，二氧化硅含量達60%以上，其他任一組分含量均不超過10%；⑥鈣鋁硅質尾礦：氧化鈣含量達10%以上，氧化鋁含量10%以上，二氧化硅含量達40%以上，其他任一組分含量不超過10%；⑦復成分尾礦：二氧化硅含量在40%～60%之間，多種其他組分含量超過10%，該類尾礦分布最為廣泛。

1.2 尾礦的排放及利用情況

2019年我國尾礦總量達12.72億t，其中，非金屬尾礦1.1億t，金屬尾礦11.62億t。金屬尾礦以鐵尾礦、銅尾礦、黃金尾礦為主，約占金屬尾礦總量的90%。2011—2019年我國尾礦排放及利用情況如圖1所示[1]。由圖1可知，近年來我國尾礦生產呈現先增后減的趨勢，2014年達到峰值18.57億t，后逐年下降，目前產量約為12億t。近年來尾礦產量下降，原因是我國正進行供給側結構性改革，不再片面追求經濟增速，而更注重經濟增長質量，國家政策和措施加快了傳統產業轉型升級和中小資源型企業產能的退出。

圖1 2011—2019年我國尾礦生產及利用情況

在經濟及政策兩方面因素的共同影響下，我國的尾礦綜合利用率呈逐年上漲趨勢，從2011年的17.0%增至2019年的32.5%，尤其是2019年尾礦利用量較2018年增加0.78億t(增速為23.3%)，達4.13億t，創歷史新高。但同時國外先進水平的尾礦綜合利用率已達到60%，因此國內的尾礦綜合利用行業仍存在很大潛力。

1.3 尾礦堆存面臨的主要問題

1) 尾礦堆存的安全、環境風險高。尾礦庫是我國尾礦處置的主要途徑，尾礦庫的使用年限一般為50年，但受歷史及成本影響，尾礦庫的建設標準較低，在服役期內，若尾礦庫的管理及維護工作不到位，加上洪水、地災、超載等危險因素的作用，極易引發尾礦庫的安全事故。據統計，目前我國尚存病庫、尾庫、險庫總計超過1 200座。

2) 尾礦庫新批、新建、擴容難。隨著開采力度的加大，高品位礦石逐年減少，低品位礦石占比升高。隨著選礦技術的不斷進步，選礦廠磨礦粒度不斷變細，尾礦筑壩越來越難，尾礦壩高度不斷增加，細粒尾礦筑高壩成為難以突破的關鍵問題[6]。數以百億噸的尾礦堆存于地面不僅占用大量土地資源，也給生態環境帶來了嚴重挑戰。基于現實問題，我國多地雖未正式出臺停止新批新建尾礦庫的管理辦法，但實際多數尾礦庫新建申請難以獲批。2020年，應急管理部正式印發的《防范化解尾礦庫安全風險工作方案》提出“在保證緊缺和戰略性礦山礦產正常建設開發的前提下，全國尾礦庫數量原則上只減不增”的目標，因此，尾礦庫用地及庫容情況一直處于緊張狀態。

3) 對尾礦的資源屬性認識不足，制約尾礦資源利用。目前國內開采的金屬礦石以共伴生為主[7]，約占原礦總量的80%，共伴生礦石選別難度較大，加之選礦技術較為落后，不少有價值成分被作為尾礦廢物堆存在尾礦庫中，如我國現存鐵尾礦的平均含鐵量為10%左右，黃金尾礦按目前堆存量來計算，則20億t僅可提煉出1 200 t黃金。另外，尾礦生產砂石已成為礦山尾礦源頭減量的重要手段，但只有少數礦山企業配套了砂石選別項目，對尾礦資源屬性認識不足，制約了尾礦資源的再利用。

1.4 尾礦綜合利用國家政策

黨中央國務院高度重視資源及環境保護工作，提出了“美麗中國”的發展目標，在尾礦再利用方面，從中央到國務院各部委到各級地方政府均出臺了相關法律、法規及條例，支持和鼓勵尾礦、煤矸石、建筑垃圾等大宗固廢的資源化利用。2020年新修訂的《固體廢物污染環境防治法》明確固體廢物污染環境防治堅持減量化、資源化和無害化原則，強化了資源綜合利用評價等制度。國家發展和改革委員會等部門聯合印發的《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》提出，到2025年煤矸石、尾礦(共伴生礦)等大宗固廢的綜合利用能力顯著提升，新增大宗固廢綜合利用率達到60%。2018年實施的《中華人民共和國環境保護稅法》對固廢排放征收環保稅，排放每噸尾礦需繳納15元環保稅。2019年國家發展和改革委員會、工業和信息化部聯合印發的《關于推進大宗固體廢棄物綜合利用產業集聚發展的通知》鼓勵固廢綜合利用基地廢棄物綜合利用率達75%以上，形成固廢多途徑、綜合利用的發展格局。《工業綠色發展規劃(2016—2020年)》和《工業固體廢物綜合利用規劃》都提出“將解決尾礦大宗整體利用的瓶頸問題，加強尾礦生產建筑材料”作為尾礦綜合利用的優先方向。工業和信息化部制定《京津冀及周邊地區工業資源綜合利用產業協同轉型提升計劃(2020—2022年)》提出加快推進京津冀及周邊地區工業資源綜合利用產業協同轉型升級，提升區域資源利用效率。《“無廢城市”建設試點工作方案的通知》提出城市固廢產量最小化、資源化利用充分，處置安全的目標。《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》提出系統治理、源頭治理，改善黃河流域生態環境的發展目標。2018年國家發展和改革委員會提出用3 000億元支持八大領域發展，包括礦產資源綜合利用、固體廢物綜合利用、建筑廢棄物資源化利用等方面。2017年原國土資源部、財政部、環境保護部等部門聯合印發《關于加快建設綠色礦山的實施意見》，要求加大政策支持力度，加快綠色礦山建設進程。2018年以來，科學技術部每年設定“固廢資源化”重點專項資金，支持尾礦、建材等大宗固廢的資源化利用技術及裝備的研發。這些政策的發布和實施，將持續加大生態環境保護力度，全面推進礦山企業的綠色發展，長期利好尾礦綜合利用產業。

2 尾礦綜合利用的主要方向

尾礦的利用途徑較多，影響尾礦利用的關鍵因素是尾礦中的礦物成分及有害元素的組成，依據物質組成的差異，尾礦既可以用以生產高附加值產品[8-9]，也可以實現尾礦的低附加值高效綜合利用。我國金屬尾礦具有品種多、分布廣、產量大、成分復雜的特點，尾礦的利用存在多種途徑，相關學者及機構針對尾礦成分開展典型尾礦的綜合利用技術研究，已取得一定成果。

2.1 尾礦中有價元素回收

我國礦石品類多樣、成分復雜，目標金屬元素絕大多數以多種有價元素共伴生的狀態存在，如中國西南地區鐵礦石伴生有Cu、Co、S、Ni、Au、Ag、Se等元素；白云鄂博鐵礦石伴生有8.6%的稀土礦物，鉬礦石原礦中常含黃鐵礦、磁鐵礦，黃金礦石中常含有銀、銅、鉛、鋅等。選礦工藝的設計通常以主要元素為目標，但由于選礦工藝及技術相對落后，主要目標元素的提取尚不完全，共伴生元素更是被忽視，大量資源被視為廢物隨尾礦一起排放。

近年來，由于礦產資源短缺，價格上漲，尾礦再選及尾礦中有價元素回收得到行業的重視。從企業角度來說，進行尾礦中有價元素提取，必然要考慮建設周期、建設成本、工藝復雜性、經濟效益等問題。目前，應用較為成熟的技術有：①反浮選法提鐵降硅技術，可將鐵尾礦品位從11.0%提高至67.2%；②釩鈦磁鐵礦尾礦回收鈦鐵技術，可減少尾礦占地面積，延長尾礦庫服務年限；③尾礦回收弱磁性礦技術，應用范圍廣，可最大限度回收有用礦物，延長尾礦庫服務年限。尾礦有價元素回收利用需因地制宜，進行針對性研究，目前尾礦中有價元素回收仍存在效率低、效益差等問題，對不同類別尾礦進行定向研發，突破技術瓶頸，降低成本是尾礦中有價元素回收利用的關鍵問題。

2.2 尾礦生產建材

城鎮化建設對建筑材料的需求量很大，近年來，我國推行的“美麗中國”戰略對環保要求較高，政府對砂石材料開采行業的政策不斷收緊，國內砂石骨料價格始終處于高位狀態。砂石骨料主要成分為二氧化硅，而尾礦成分中二氧化硅含量較高，經一定工序處理，適合作為砂石骨料的替代成分。目前，尾礦生產建材的途徑主要包括：尾礦配置水泥生料作為水泥熟料；尾礦廢石生產建筑用砂石料；尾礦制備燒結磚；尾礦制泡沫混凝土、空心混凝土；尾礦制備蒸壓加氣混凝土；尾礦制備透水磚；尾礦制備微晶玻璃、泡沫玻璃等。

尾礦是一類大宗工業固廢，以尾礦為原料生產建筑材料，具有市場廣闊、尾礦原料消耗量大的獨特優勢，因此應以尾礦制備建材作為尾礦綜合利用的主要方向。

2.3 尾礦用于采空區充填

濕式排放、干式堆存[10]和尾礦充填是尾礦大規模處置的三種方式，其中尾礦濕式排放和干式堆存均需設置尾礦庫，不僅占地而且存在安全隱患，尾礦庫的管理及運行成本也較高。尾礦充填[11]不需設置尾礦庫，且可對尾礦進行整體化利用，是消除尾礦堆存影響的有效方法。該方法是將骨料、尾礦顆粒、膠結劑、水混合后填入地下，不僅可以提升礦產資源回采率，還可以增加開采安全程度，減輕或消除因采空區垮落而引起的地面塌陷災害。

2.4 尾礦用于農林業

尾礦在農林業中的應用主要包括尾礦復墾和尾礦用作土壤改良劑。尾礦復墾是指在尾礦庫上復墾或利用尾礦在適宜地點進行充填造地等與尾礦有關的土地復墾工作，主要方法有生物法和微生物法，其目的是實現重金屬的穩定。尾礦復墾的利用途徑主要包括尾礦復墾為農業用地、林業用地、建筑用地或直接復墾種植。國外的尾礦復墾率可高達80%，國內關于植被或其他成分對尾礦中重金屬有害成分的吸收及改良作用研究較多，已取得一定成果[12-14]。

尾礦作為土壤改良劑包含土壤結構改良和化學改良兩方面作用，土壤中摻入特定尾礦可疏松土壤結構，增強土壤的透水透氣性，摻礦渣效果好于摻河沙。部分尾礦中含有可與土壤中有害物質發生反應的組分，通過反應可以阻止土壤中有害物質的遷移，如由銅尾礦制備而來的硅鐵土壤改良劑可用于修復Cd、Cr及Pb等重金屬元素污染的土壤。

3 尾礦資源化利用的建議

我國的尾礦綜合利用率已從2011年的17.0%提高至2019年的32.5%，但現實問題仍然較多。國內大多數礦山均面臨尾礦庫庫容不足的問題，我國尾礦綜合利用水平與國外先進技術相比仍具有較大差距，且隨著環境管理越來越嚴，通過征地來新建尾礦庫已基本不可能，因此解決尾礦的綜合利用問題，實現少排甚至不排尾礦的目標，成為礦山企業可持續發展的必然途徑。

1) 開展對金屬尾礦固體廢物的全面摸底調查工作。尾礦的管理需要從尾礦的產生、收集、儲存、運輸、利用、處置全過程進行監控，部分礦山企業未建立起完善的尾礦臺賬，甚至分不清尾礦和廢石的區別，因此摸清尾礦家底要從管理上進行落實，尤其是要從制度上完善尾礦固廢的摸底調查工作機制。摸清尾礦的產生數量、尾礦的賦存狀態和利用現狀是嚴格監管、合理利用、科學制定產業政策和布局區域產業結構的先決條件。

2) 充分考慮不同尾礦的差異，加強相關方向的技術投入和成果轉化。很多礦山企業希望將其他企業尾礦利用的成功經驗拿來直接應用，但不同尾礦的成礦環境、選礦方法、尾礦粒度及成分都存在一定差異，這些因素對尾礦的綜合利用產生直接影響。如高硅尾礦中的硫元素不經處理無法制備加氣磚，鈣鎂及高鋁型尾礦無法制備機制砂。尾礦的綜合利用技術不是單純的選礦工藝，而是涉及到多學科的交叉性研究，需加強在設備、技術、人才方面的研發投入，建立典型尾礦開發利用示范性項目，發揮大型示范工程的引領作用。

3) 加強對尾礦綜合利用產業的政策引導和財政支持。從中央政府到地方部門，應加大對金屬尾礦資源綜合利用的政策支持力度，完善政策空白和漏洞，通過減免各種稅費，配套尾礦開發利用的相關資金，鼓勵引導企業及社會資金加入到尾礦開發利用項目中去。通過嚴格尾礦庫的新批新建，倒逼企業更加重視尾礦的處置問題，加大對尾礦綜合利用技術的研發和投入，對符合條件的尾礦產品列入國家環保標志目錄，加大政府采購力度，擴大合格尾礦產品的消費需求。

4 展 望

金屬尾礦資源綜合利用是涉及開采、選礦、環境、巖土、化學、材料等眾多學科的系統工程，隨著高品位礦產的持續開發利用，金屬原礦資源日益枯竭與貧化，因此尾礦的資源化利用是關乎我國資源與環境安全的一項戰略性課題。現階段，應將開展尾礦的全面摸底調查及相關技術的科技攻關及推廣應用作為工作的重點。基于礦山企業尾礦產量大、污染重、隱患多的現實問題，大宗尾礦的整體資源化、無害化利用技術應作為尾礦綜合利用的重點方向，該方向也符合國家產業政策的要求。