特色產(chǎn)業(yè)固體廢物環(huán)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(huán)境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000）

近年來，我國現(xiàn)代工業(yè)在世界科學技術的推動下得到飛躍式發(fā)展，成為全球最大的工業(yè)生產(chǎn)國之一[1]。 礦產(chǎn)資源作為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展必需的物質(zhì)基礎，其需求量也急劇增加[2]。雖然我國礦產(chǎn)資源儲量較大、礦種齊全，但由于地質(zhì)成礦條件不同，礦產(chǎn)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(qū)特色礦產(chǎn)[3-4]。

中部地區(qū)（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(chǎn)資源輸出基地[5]。有色金屬、稀有金屬及非金屬礦產(chǎn)作為中部地區(qū)主要的礦產(chǎn)資源，構成了推動中部地區(qū)崛起的主要力量[6]。

特色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給中部地區(qū)帶來了巨大經(jīng)濟效益，同時當?shù)匾渤霈F(xiàn)了一系列資源環(huán)境問題：礦產(chǎn)資源儲量愈來愈少，工業(yè)固體廢物日益增多[7]。這不僅限制了經(jīng)濟的發(fā)展，又對生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力[8]。由于大多數(shù)礦產(chǎn)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(chǎn)生量較大[9]。資料顯示，開采一個中型礦山，基建過程中產(chǎn)生2×105～5×105m3廢石，井下礦開采出1 t礦石就會產(chǎn)生2～3 t廢石，露天礦開采出1 t礦石就會產(chǎn)生6～ 8 t廢石，生產(chǎn)過程中也會產(chǎn)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(chǎn)固體廢物排放量非常大[11]。因此，為了降低特色產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)固體廢物資源化技術進行了分析并討論各自優(yōu)缺點，積極探索更高效的固體廢物資源化技術[12]。

1 特色產(chǎn)業(yè)固體廢物來源情況

近年來，我國大力支持中部地區(qū)資源枯竭、產(chǎn)業(yè)衰退、結構單一地區(qū)加快轉(zhuǎn)型，雖然在推動工業(yè)固體廢物綜合利用方面取得積極的進展，但特色礦產(chǎn)平均利用率依然較低，大量礦山開采廢石和尾礦貯存的現(xiàn)象依然嚴峻，同時礦山開采固體廢物因環(huán)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(yè)固體廢物處理情況如圖1所示。2015年中部地區(qū)工業(yè)固體廢物分布與處理情況如圖2所示。圖1、圖2相關數(shù)據(jù)均來源于《中國環(huán)境統(tǒng)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(jù)《第一次全國污染源普查技術報告》，全國工業(yè)固體廢物往年貯存量高達64.4億t，其中中部地區(qū)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(qū)工業(yè)固體廢物分布與處理情況如圖2所示。大量工業(yè)固體廢物的貯存占用了大面積的土地。據(jù)統(tǒng)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(qū)總土地占用損壞量占全國的16.8%[14]。貯存的工業(yè)固體廢物占用土地的同時又能通過多種途徑對周圍環(huán)境產(chǎn)生 影響。

圖1 2000-2015年全國工業(yè)固體廢物處理情況

圖2 2015年中部地區(qū)工業(yè)固體廢物分布與處理情況

2 特色產(chǎn)業(yè)固廢對環(huán)境的影響

大量的礦山工業(yè)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(zhì)。若處置不當，它會通過環(huán)境介質(zhì)對礦區(qū)周圍空氣、土壤和水體環(huán)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(zhì)災害，嚴重威脅著周圍生態(tài)環(huán)境的安全[16]。

2.1 大氣污染

特色產(chǎn)業(yè)工業(yè)固體廢物對大氣的污染主要表現(xiàn)在：暴露在空氣中的礦山廢石和尾礦經(jīng)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(chǎn)生有毒有害氣體，也能造成大氣污染[17]。

2.2 水體污染

工業(yè)固體廢物對水體的污染主要表現(xiàn)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(jīng)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(zhì)惡化，危害水體動植物的生存環(huán)境，形成“死水”現(xiàn)象[18]。

2.3 土壤污染

工業(yè)固體廢物對土壤的污染主要表現(xiàn)在：尾礦和冶煉廢渣中的有害物質(zhì)經(jīng)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(zhì)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(huán)境惡化，形成土壤污染[19]。

2.4 地質(zhì)災害

礦產(chǎn)開采過程產(chǎn)生的大量尾礦廢石堆放在礦區(qū)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(fā)生尾礦庫潰壩，甚至造成滑坡和泥石流等災害，危及當?shù)鼐用裆踩玔20]。

由此可見，礦業(yè)固體廢物的貯存對人類健康和生態(tài)環(huán)境的威脅相當嚴重。因此，從環(huán)保角度考慮，對礦業(yè)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(chǎn)業(yè)固體廢物資源化方法

綜合利用技術是處置工業(yè)固體廢物的最有效手段，也是實現(xiàn)其資源化、減量化的重要途徑。在工業(yè)固體廢物進入環(huán)境之前，先對其進行綜合利用，可以大幅度降低后續(xù)處置負荷，減輕環(huán)境壓力[21]。近年來，我國工業(yè)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(yè)固體廢物綜合利用方法主要有以下幾種。

3.1 作為生產(chǎn)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(chǎn)生的部分工業(yè)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(chǎn)技術水平不斷提高，貯存的工業(yè)固體廢物可以作為原材料回歸到生產(chǎn)中[22]。

Liuqing Huang等以鈉鎂工業(yè)廢渣為生產(chǎn)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(yè)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(xiàn)出卓越的空氣密閉性能且價格低廉。

將工業(yè)固體廢物作為生產(chǎn)原料，具有節(jié)約礦產(chǎn)資源、降低生產(chǎn)成本和保護環(huán)境等優(yōu)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(chǎn)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(chǎn)建筑材料

部分工業(yè)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(zhì)。因此，人們可以利用科學技術，使大部分工業(yè)固體廢物具備生產(chǎn)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?zhèn)鹘y(tǒng)黏土磚，尾礦可以生產(chǎn)硅酸鹽水泥和墻體材料[25]。

N Toniolo等以鋁冶煉產(chǎn)生的赤泥和回收的廢玻璃為原材料來生產(chǎn)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(huán)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(yè)固體廢物用于生產(chǎn)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(yōu)點，也是未來資源化發(fā)展的一個主要方向。但工業(yè)固體廢物中含有的重金屬可能會對環(huán)境造成重大危害，因此在利用工業(yè)固體廢物生產(chǎn)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(chǎn)原料。

3.3 提取有價元素

有色金屬礦產(chǎn)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(yè)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(nèi)最大回收率為76%[30]。

從工業(yè)固體廢物中提取有價金屬，不僅可以降低部分重金屬的環(huán)境危害，而且投資小、效益高，具有很大的經(jīng)濟價值。但所需周期較長、提取率低，容易產(chǎn)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(yè)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(qū)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(shù)[32]。結果表明，尾礦均可以作為水泥漿料回填劑循環(huán)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(xiàn)出較好的性能，并且不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

筑基建與回填能消耗大量工業(yè)固體廢物，具有操作簡便、施工方便、投資小和節(jié)約資源等優(yōu)點，但部分尾礦中含有的重金屬會對周圍環(huán)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(xiàn)環(huán)境事故。

3.5 改良土壤

部分工業(yè)固體廢物如非金屬礦產(chǎn)固體廢物中含有較高的鈣、磷、硅及其他微量礦質(zhì)元素，這些都是農(nóng)田土壤所需營養(yǎng)元素。因此，可以將部分工業(yè)固體廢物作為肥料用于農(nóng)田或者林地，這不僅可以為植物提供所需的養(yǎng)分，還可以改善土壤環(huán)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(tài)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(xiàn)礦區(qū)生態(tài)恢復，改善礦區(qū)環(huán)境，具有較高的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益。

工業(yè)固體廢物可以用于生產(chǎn)農(nóng)用肥料，具有工藝簡便、投資較小和環(huán)境影響較小等優(yōu)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(fā)低含鹽量、不含有毒有害物質(zhì)及易生物降解的固體廢物作為土壤改良肥料。

4 結論

工業(yè)固體廢物具有數(shù)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(yè)固體廢物的資源化研究。

一是進一步拓展綜合利用方法?，F(xiàn)有的資源化處理方法有限，遠不能滿足各種工業(yè)固體廢物的資源化需求。人們要根據(jù)工業(yè)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(yè)固體廢物都有獨特的資源化方法。二是對工業(yè)固體廢物的處理進行深入研究，探索高效節(jié)能的固體廢物資源化方法。國內(nèi)固體廢物資源化研究起步較晚，現(xiàn)有技術雖然能進行部分工業(yè)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(yè)固體廢物資源化過程進行生命周期評價。部分工業(yè)固體廢物在資源化過程中出現(xiàn)嚴重的二次污染，違背了資源化發(fā)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(huán)境排放的關系，評估資源化過程造成的潛在環(huán)境影響，并提出相應的環(huán)境整改方案。