白云鄂博氧化礦選礦的環(huán)境影響分析

摘要：多金屬共生礦選礦過程復雜，環(huán)境影響因素多樣。本文采用生命周期評價方法，對白云鄂博氧化礦選礦的環(huán)境影響進行定量分析。其間選取1 t鐵精礦、1 t稀土精礦作為功能單位，研究臭氧損耗、全球氣候變暖、酸化、富營養(yǎng)化等10個方面的環(huán)境影響，并基于結(jié)果識別環(huán)境熱點，分析其關(guān)鍵生產(chǎn)過程及關(guān)鍵物質(zhì)，為白云鄂博氧化礦選礦的綠色生產(chǎn)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：生命周期評價；白云鄂博；選礦；環(huán)境影響

中圖分類號：X322；TD167 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.07.033

Environmental Impact Analysis of Oxidized Ore Beneficiation

in Bayan Obo

CAO Jianzhong， TANG Baiting

（School of Economics and Management， Inner Mongolia University of Science amp; Technology， Baotou 014010， China）

Abstract： The beneficiation process of polymetallic symbiotic ore is complex， and there are various environmental influencing factors. This paper uses the life cycle assessment method to quantitatively analyze the environmental impact of oxidized ore beneficiation in Bayan Obo. During this period， 1 t iron concentrate and 1 t rare earth concentrate are selected as functional units to study the environmental impact of 10 aspects， including ozone depletion， global warming， acidification and eutrophication， and the environmental hotspots are identified based on the results， and their key production processes and substances are analyzed， thus providing theoretical reference for the green production of oxidized ore beneficiation in Bayan Obo.

Keywords： life cycle assessment; Bayan Obo; beneficiation; environmental impact

礦業(yè)是我國重要的資源安全保障和支持產(chǎn)業(yè)。選礦作為整個礦產(chǎn)品生產(chǎn)過程中最重要的環(huán)節(jié)[1]，其生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量廢氣、廢水、廢渣，對生態(tài)環(huán)境及人體健康造成嚴重影響[2]。選礦企業(yè)的綠色生產(chǎn)對礦業(yè)降低能耗及污染排放，恢復綠水青山意義重大。生命周期評價（LCA）作為一種能夠分析全過程總體環(huán)境影響的環(huán)境管理工具，適用于礦業(yè)部門，可以改善環(huán)境影響[3]。

目前，包含稀土的多金屬共生礦選礦環(huán)境影響研究還不多見。白云鄂博礦區(qū)地處內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，是一座大型的鐵、稀土、鈮等多種金屬共生礦床，含礦物175種，是世界上含礦物種類最多的礦山。其中，稀土儲量、鈮儲量等均位于世界前列，它是我國重要的戰(zhàn)略資源寶庫。本文選取白云鄂博礦區(qū)的兩種主要礦產(chǎn)品（鐵精礦和稀土精礦）作為研究對象，運用生命周期評價方法研究白云鄂博氧化礦選礦的環(huán)境負荷，找出最大的環(huán)境影響階段和最大的環(huán)境影響類型，分析其關(guān)鍵物質(zhì)和關(guān)鍵工藝過程，以期為我國多金屬共生礦選礦的綠色生產(chǎn)提供參考。

1 礦業(yè)采選的生命周期評價研究現(xiàn)狀

隨著綠色發(fā)展理念的不斷深化，很多學者利用生命周期評價對礦業(yè)采選生產(chǎn)過程進行研究。目前，單一礦產(chǎn)品采選生產(chǎn)過程的研究較多。

Bartzas等[4]對希臘鎳鐵從采礦到最終產(chǎn)品的整個生產(chǎn)鏈進行LCA分析，以評估能源消耗和溫室氣體足跡。劉昱彤等[5]通過生命周期評價，得出高純鎂砂生產(chǎn)過程中最大的環(huán)境影響類型為全球氣候變暖，且貢獻階段從大到小依次為輕燒、重燒、細磨、開采、壓球、運輸。易正明等[6]以某鋼鐵企業(yè)燒結(jié)廠為研究對象，針對鐵礦燒結(jié)工序進行生命周期評價，得到能源消耗、人體毒性和全球變暖為該生產(chǎn)中貢獻最大的環(huán)境影響。相對于單一產(chǎn)品而言，共生礦選礦系統(tǒng)更為復雜，生命周期評價能夠更加全面地分析各個工藝過程與環(huán)境影響的關(guān)系。姜金龍等[7]對鎳銅共生礦石生產(chǎn)電解鎳和銅過程的環(huán)境協(xié)調(diào)性進行研究，發(fā)現(xiàn)鎳的環(huán)境負荷明顯大于銅的環(huán)境負荷。尾礦作為礦山固體廢棄物之一，部分學者對其資源化處理進行生命周期評價研究。林錦等[8]通過構(gòu)建LCA模型，評估銅尾礦堆存以及3種銅尾礦資源化處理方法的環(huán)境影響，得出尾礦利用要選擇合適的資源化方案。

2 生命周期評價過程

2.1 目的與范圍的確定

研究目的是定量計算白云鄂博氧化礦綜合選鐵、稀土精礦過程的環(huán)境影響，找出選礦過程影響最大的階段及關(guān)鍵物質(zhì)，基于結(jié)果分析其工藝改進的方向。根據(jù)選礦流程的特點，對研究系統(tǒng)邊界進行簡化處理，系統(tǒng)邊界設置如圖1所示。功能單位分別選取1 t的鐵精礦和稀土精礦。該研究不考慮后續(xù)生產(chǎn)工藝。

2.2 清單分析

白云鄂博氧化礦選礦生命周期清單數(shù)據(jù)包括前景數(shù)據(jù)與背景數(shù)據(jù)。產(chǎn)品生產(chǎn)活動水平數(shù)據(jù)即為前景數(shù)據(jù)，根據(jù)公開發(fā)表的資料及推算，得到選礦過程的清單。背景數(shù)據(jù)為輸入原料（碳酸鈉、水玻璃、捕收劑、起泡劑）、能源消耗（電、天然氣）以及污染物排放數(shù)據(jù)（廢氣、廢水）。常見輸入物質(zhì)與能源數(shù)據(jù)從SimaPro軟件自帶的數(shù)據(jù)庫中提取。對于捕收劑等特定輸入物質(zhì)，根據(jù)生產(chǎn)工藝在SimaPro軟件中建模得到。根據(jù)數(shù)據(jù)分配原則，采用質(zhì)量分配。

2.3 影響評價

TraCI2.1模型是美國環(huán)境保護署（USEPA）開發(fā)的基于美國實際情況和清單數(shù)據(jù)的LCA模型，它屬于中間點模型，包括分類、特征化和歸一化3個步驟。本研究選擇TraCI2.1模型，它有助于確定具有潛在影響的環(huán)境壓力源，影響類別包括臭氧損耗、全球氣候變暖、酸化、富營養(yǎng)化、光化學煙霧形成、生態(tài)毒性、人體健康顆粒物、人體健康致癌、人體健康非致癌和化石燃料損耗。特征化結(jié)果如表1所示，特征化百分比結(jié)果如圖2、圖3所示。

鐵精礦特征化百分比結(jié)果表明，磨礦階段是主要的環(huán)境影響階段，對全球氣候變暖、光化學煙霧形成、酸化、富營養(yǎng)化、人體健康非致癌及人體健康顆粒物的貢獻率均超過60%。強磁粗選階段的主要環(huán)境影響是臭氧損耗、人體健康致癌、生態(tài)毒性，貢獻率分別為60.2%、16.6%、23.4%。反浮選階段的主要環(huán)境影響是人體健康非致癌、生態(tài)毒性、化石燃料損耗，貢獻率分別為14.6%、14.2%、15.2%。掃選階段的主要環(huán)境影響是臭氧損耗，貢獻率為22.1%。弱磁粗選、弱磁精選及強磁精選三個階段環(huán)境影響貢獻較少，電能和原材料消耗量小，占比不到總環(huán)境影響潛值的10%。

稀土精礦特征化百分比結(jié)果表明，磨礦階段依然是最主要的環(huán)境影響階段，弱磁粗選及強磁精選對環(huán)境影響的貢獻較少。強磁粗選階段的主要環(huán)境影響是臭氧損耗、人體健康致癌、生態(tài)毒性，貢獻率分別為27.2%、12.7%、16.5%。除臭氧損耗外，稀土粗浮選階段對其他各環(huán)境影響的貢獻率在20%左右。稀土精選階段的主要環(huán)境影響是臭氧損耗、人體健康致癌及生態(tài)毒性，貢獻率分別為52.0%、23.8%、31.2%。

標準化結(jié)果可以更好地表示每個指標的相對大小，鐵精礦和稀土精礦生產(chǎn)歸一化結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可以看出，鐵精礦及稀土精礦在生產(chǎn)過程中對環(huán)境產(chǎn)生影響最大的類型均為人體健康致癌，之后依次為生態(tài)毒性、富營養(yǎng)化以及人體健康非致癌，而人體健康顆粒物、臭氧損耗及化石燃料損耗的影響均較小。這主要是因為稀土選礦以強磁中礦為原料，環(huán)境影響程度相似。

2.4 結(jié)果解釋

2.4.1 生產(chǎn)過程環(huán)境影響分析

在選礦工藝中，磨礦對各種環(huán)境影響的貢獻都較大。該磨礦分級部分是一段棒磨開路、兩段球磨、兩分級閉路流程，所用設備棒磨機、球磨機等都是高耗電設備，此環(huán)節(jié)使用電力的占比達73.8%，使用大量電力導致該階段對其環(huán)境影響貢獻最大。燃煤發(fā)電是中國的主要發(fā)電類型，其本身就不是一種清潔能源。從煤電背景來看，硬煤開采的廢渣與煤泥、褐煤開采的廢料都是影響人體健康致癌的關(guān)鍵因素。

除磨礦階段外，強磁粗選、鐵反浮選及稀土浮選階段是選礦對環(huán)境影響較為明顯的三個階段。在強磁粗選階段，強磁尾礦作為最終尾礦排出。強磁尾礦中的重金屬經(jīng)過反應，進入大氣、水體和土壤，對生態(tài)環(huán)境造成破壞，進而通過人類生活環(huán)境破壞人體健康。除此之外，尾礦排出的廢水中物質(zhì)也會產(chǎn)生較大的生態(tài)毒性和人體毒性。

鐵反浮選和稀土浮選階段較復雜，其投入的捕收劑、起泡劑和調(diào)整劑等殘留化學藥劑對生態(tài)環(huán)境的影響非常嚴重。產(chǎn)生的稀土尾礦中，稀土元素存在低放射性，對周邊土壤、大氣造成嚴重污染，導致土地退化、植被破壞。

綜上所述，磨礦、強磁粗選和浮選是對環(huán)境影響最大的關(guān)鍵工藝過程。

2.4.2 關(guān)鍵物質(zhì)分析

標準化結(jié)果顯示，人體健康致癌是最主要的環(huán)境影響類型。對關(guān)鍵資源消耗和污染物排放的貢獻進行分析，如圖6、圖7所示，影響人體健康致癌的主要物質(zhì)是排放水體中的六價鉻，在鐵精礦及稀土精礦生產(chǎn)中分別占48.8%、61.8%。六價鉻是很容易被人體吸收的毒物，它可通過消化道、呼吸道、皮膚及黏膜侵入人體，在體內(nèi)具有致癌作用，還會引起其他健康問題。白云鄂博礦區(qū)礦石性質(zhì)較為復雜，導致選礦廢水中不同程度含有重金屬離子，且重金屬離子具有不可降解性，將長期潛伏在水體中，對人體健康致癌有較大的影響。

生態(tài)毒性和富營養(yǎng)化是僅次于人體健康致癌的兩種環(huán)境影響類型。對于生態(tài)毒性來說，影響物質(zhì)種類較為復雜，除六價鉻之外，還有排放到空氣、水體中的銻、排放到空氣中的釩等，若處理不當，都會對生態(tài)環(huán)境造成極大危害。影響富營養(yǎng)化的主要物質(zhì)是氮氧化物及磷酸鹽，其排放量相對三價鉻和六價鉻較少，所以其造成的環(huán)境影響要遠低于人體健康致癌。

二氧化碳和甲烷是全球氣候變暖的主要物質(zhì)來源。對于人體健康非致癌來說，排放到空氣中的汞、鋅、鉛排在前三位；氮氧化物對光化學煙霧形成、富營養(yǎng)化、酸化3種環(huán)境影響類型均有明顯貢獻；排放到空氣中二氧化硫?qū)θ梭w健康顆粒物、酸化兩種環(huán)境影響類型均貢獻較為明顯；硬煤和天然氣是化石資源損耗的主要物質(zhì)；在臭氧損耗中，排放到空氣中的一氯甲烷、三氟溴甲烷、四氯甲烷排在前三位。

綜上可知，對于最主要的環(huán)境影響類型人體健康致癌及生態(tài)毒性來說，排放到水體的六價鉻是主要的物質(zhì)來源，氮氧化物排放對3種影響類別具有明顯貢獻，二氧化硫?qū)煞N影響類別具有明顯貢獻，故三者是環(huán)境影響的關(guān)鍵物質(zhì)。

3 結(jié)論

白云鄂博氧化礦選礦生產(chǎn)鐵精礦及稀土精礦，其最主要的環(huán)境影響類型為人體健康致癌，其次是生態(tài)毒性、富營養(yǎng)化及人體健康非致癌。選礦過程中，磨礦為最大的環(huán)境影響階段，因此要做好礦物的破碎和磨礦技術(shù)的處理，這會很大程度提高整體礦物處理的工作效率和利用率。強磁粗選、浮選精礦階段產(chǎn)生選礦廢水及尾礦，會對生態(tài)環(huán)境及人體健康造成嚴重影響，因此加強廢水處理，增加廢水回用能夠有效降低環(huán)境負荷。

參考文獻

1 余良暉.構(gòu)建礦產(chǎn)資源國內(nèi)國際雙循環(huán)思考[J].中國國土資源經(jīng)濟，2020（11）：65-71.

2 王永龍，李寧鈞.淺談選礦和環(huán)境保護的關(guān)系[J].大眾科技，2014（9）：89-90.

3 BERKEL V R，徐曙光.礦業(yè)生產(chǎn)環(huán)境改善的生命周期評價[J].國土資源情報，2005（5）：17-23.

4 Bartzas G，Komnitsas K.Life cycle assessment of ferronickel production in Greece[J].Resources Conservation amp; Recycling，2015（105）：113-122.

5 劉昱彤，張 蕓，侯昊晨，等.高純鎂砂生產(chǎn)生命周期評價[J].環(huán)境工程，2021（6）：187-191.

6 易正明，陳 卓，覃佳卓，等.基于LCA方法的鐵礦燒結(jié)過程環(huán)境影響評價[J].燒結(jié)球團，2022（2）：88-95.

7 姜金龍，徐金城，侯尚林，等.共生礦石生產(chǎn)電解鎳/銅的生命周期評價研究[J].環(huán)境科學學報，2005（11）：142-146.

8 林 錦，陳云嫩，陸柳鮮，等.基于生命周期評價法的銅尾礦資源化利用的環(huán)境效益分析[J].有色金屬科學與工程，2021（3）：106-112.