重金屬元素物質(zhì)流分析的研究進(jìn)展

閻 麗，范 翹（湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

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重金屬元素物質(zhì)流分析的研究進(jìn)展

閻 麗，范 翹
（湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

重金屬污染已成為事關(guān)群眾身心健康和社會(huì)穩(wěn)定的重大民生問題，文章介紹了物質(zhì)流分析技術(shù)，對(duì)國(guó)內(nèi)外鐵、銅、鉛、鋅、鎘等重金屬元素物質(zhì)流分析的研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)述，指出目前重金屬物質(zhì)流分析存在的主要問題，提出了重金屬元素物質(zhì)流分析研究未來發(fā)展趨勢(shì)。

物質(zhì)流；重金屬；防控；全生命周期

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境在我國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略中，具有越來越重要的地位。人民群眾對(duì)清潔空氣、干凈的水、放心食品的需求日益增長(zhǎng)，重金屬環(huán)境污染問題不容忽視。若重金屬在環(huán)境、食品和生物體中存在的濃度和化學(xué)形態(tài)超出正常范圍，會(huì)造成危害人體健康、導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量惡化的后果。當(dāng)前，重金屬污染已成為事關(guān)群眾身心健康和社會(huì)穩(wěn)定的重大民生問題。2011年4月初，我國(guó)首個(gè)“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃——《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》獲得國(guó)務(wù)院正式批復(fù)，防治規(guī)劃力求控制鉛、砷、鎘、鉻、汞5種重金屬。2013年10月，我國(guó)政府簽署了《關(guān)于汞的水俁公約》，在推動(dòng)我國(guó)汞全生命周期防控的同時(shí)，也將帶動(dòng)我國(guó)“十三五”重金屬污染防治全生命周期戰(zhàn)略思路的建立。

物質(zhì)流分析［1］是追蹤重金屬元素的流動(dòng)情況，分析控制和緩解相應(yīng)環(huán)境問題的可能途徑并提出解決方案的重要工具。在重金屬污染防治方面，迫切需要以重金屬元素物質(zhì)流分析為基礎(chǔ)，對(duì)重金屬元素進(jìn)行工業(yè)代謝研究，揭示重金屬元素的輸入、輸出、貯存等過程的流動(dòng)模式，從而評(píng)估重金屬元素生命周期在不同過程對(duì)工藝、產(chǎn)品和環(huán)境產(chǎn)生的影響與負(fù)擔(dān)，識(shí)別環(huán)境問題產(chǎn)生的原因，并試圖找到降低資源、能源投入量，減少?gòu)U棄物產(chǎn)生量，提高資源利用率和解決環(huán)境問題的途徑，為重金屬污染防治全生命周期優(yōu)化管理奠定基礎(chǔ)。

1 物質(zhì)流分析技術(shù)

物質(zhì)流分析［2］是研究經(jīng)濟(jì)社會(huì)中原料提取、使用、廢棄、處置、再生利用等一系列物質(zhì)流動(dòng)過程中的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力機(jī)制的系統(tǒng)方法，物質(zhì)流分析技術(shù)將質(zhì)量守恒原理進(jìn)一步公式化為：

輸入量＝輸出量+凈累積量

其中：凈累積量＝沉積量-釋放量

物質(zhì)流分析的研究方法分自下而上、自上而下兩類。第一類研究從特定的資源、環(huán)境問題出發(fā)，通過分析相應(yīng)的金屬元素（如鎘、鉛、銅等）、非金屬元素（如碳、氮、氧等）、原材料或產(chǎn)品的社會(huì)代謝模式、結(jié)構(gòu)和通量，為進(jìn)行資源優(yōu)化管理、污染控制提出實(shí)施方案和長(zhǎng)期戰(zhàn)略。第二類研究通過核算原材料與物質(zhì)的投入量、產(chǎn)出量來衡量一定范圍（如企業(yè)、部門、地區(qū)、國(guó)家）的物質(zhì)生產(chǎn)效率及可持續(xù)發(fā)展水平，分析物質(zhì)減量化、集約化、生態(tài)化轉(zhuǎn)型的可能途徑。

2 國(guó)外重金屬元素物質(zhì)流分析研究進(jìn)展

從20世紀(jì)80年代開始，歐美國(guó)家陸續(xù)展開了宏觀層面的重金屬元素流動(dòng)和庫(kù)存的研究。通過追蹤物質(zhì)的流動(dòng)情況，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染的原因，并較早意識(shí)到重金屬的累積庫(kù)存對(duì)環(huán)境問題的重要性。

1995年，SM Jasinski［3］分析了汞在美國(guó)的流動(dòng)情況。通過研究汞的開采、生產(chǎn)、使用和最終處置，制作了自1989至1990年汞的物質(zhì)流動(dòng)分析圖，通過收集和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，提出環(huán)境中汞排放的來源主要是人為因素，包括化石燃料燃燒、垃圾焚燒、有色金屬采礦作業(yè)等，指出未來通過燃燒排放的汞將成為最大的汞排放源。

1996年，Voet Ester van der［4］在其博士論文中對(duì)物質(zhì)流分析的定義、總體框架、系統(tǒng)界定、應(yīng)用的模型和政策導(dǎo)向進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并基于政策導(dǎo)向?qū)︽k和氮的化合物在歐盟地區(qū)流動(dòng)和庫(kù)存情況進(jìn)行了案例分析。

JB Guinée，J.C.J.M van den Bergh，J Boelens等［5］在荷蘭全國(guó)層面開展了鎘、銅、鉛、鋅等金屬元素流動(dòng)和富集的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，預(yù)計(jì)這些金屬在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境中的累積量自1990年起將出現(xiàn)較大的增幅，分析了產(chǎn)生增長(zhǎng)的主要原因是金屬元素由垃圾填埋場(chǎng)向非農(nóng)用土壤的排放，指出這些金屬元素的積累增長(zhǎng)超過臨界水平時(shí)對(duì)人體、陸地和水生生物的影響，并提出了一些防止超過臨界水平的相關(guān)措施及建議。

2002年，S Spatari，M Bertram，K Fuse等從礦石提取、生產(chǎn)、加工、使用、廢物處理等不同環(huán)節(jié)開展歐洲國(guó)家銅物質(zhì)流的全生命周期分析［6］，利用連續(xù)的質(zhì)量平衡計(jì)算來識(shí)別一定時(shí)間范圍內(nèi)每個(gè)環(huán)節(jié)中金屬元素的流向、流量和庫(kù)存，并開發(fā)了歐洲國(guó)家銅物質(zhì)流模型和數(shù)據(jù)庫(kù)。

2003年，A Kapur，M Bertram，SSpatari等［7］基于物質(zhì)流框架建立了一種國(guó)家層面的工業(yè)金屬的區(qū)域存量和流動(dòng)模型，通過收集不同時(shí)期銅的生產(chǎn)、進(jìn)口和出口的數(shù)據(jù)，對(duì)亞洲地區(qū)銅循環(huán)開展了定性和定量的評(píng)估，指出盡管亞洲地區(qū)是銅的凈進(jìn)口國(guó)，但與歐洲和北美國(guó)家相比，存在銅的使用率、人均廢銅產(chǎn)生量、銅的回收率較低的問題，針對(duì)上述問題提出了亞洲國(guó)家資源政策和環(huán)境管理方面的建議，以解決該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展問題。

S Spatari，M Bertram，K Fuse等［8］采用連續(xù)的質(zhì)量平衡跟蹤了鋅在礦石、產(chǎn)品、二次資源以及廢棄物中的流動(dòng)路徑等，構(gòu)建了鋅的物質(zhì)流模型和數(shù)據(jù)庫(kù)，研究結(jié)果表明：有色金屬初級(jí)鋅產(chǎn)品大多從北美洲、南美洲和大洋洲進(jìn)口，在歐洲進(jìn)行精煉；拆解廢料和廢舊汽車是鋅流進(jìn)廢棄物中的主要方面，只有約34%的廢棄鋅得以回收；鋅在環(huán)境中的損失較大，由此產(chǎn)生的影響應(yīng)在不同時(shí)間和空間尺度上開展全方位的評(píng)估。

2005年，JJohnson，JJirikowic，M Bertram等［9］對(duì)銀在多個(gè)國(guó)家、地區(qū)和全球的多級(jí)循環(huán)流動(dòng)、庫(kù)存、損失情況進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，認(rèn)為在國(guó)家層面上，一個(gè)國(guó)家的發(fā)展水平（國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值）是反映白銀使用量的重要指標(biāo)，墨西哥、美國(guó)、秘魯、中國(guó)是主要礦產(chǎn)開采國(guó)，美國(guó)、日本、印度、德國(guó)和意大利是主要銀產(chǎn)品制造國(guó)；在地區(qū)層面上，北美和歐洲人均使用銀產(chǎn)品超過其他地區(qū)；在全球?qū)用嫔?，約57%的銀進(jìn)入全球廢物回收管理系統(tǒng)（如尾礦庫(kù)），該研究為資源政策及環(huán)境管理提供了依據(jù)。

2006年，JJeremiah，S Laura，TE Graedel等［10］在54個(gè)國(guó)家、9個(gè)地區(qū)以及全球三個(gè)層面上對(duì)鉻開展了詳盡的物質(zhì)流定量分析，研究認(rèn)為：2000年，78%鉻流進(jìn)最終消耗，非洲和獨(dú)聯(lián)體國(guó)家是主要采礦國(guó)，而亞洲、歐洲和北美洲是主要最終用戶和產(chǎn)生含鉻廢水最多的地區(qū)；全球鉻的損耗主要在尾礦、廢料及消費(fèi)損耗等方面。最后提出通過開展使用存量和制成品貿(mào)易有關(guān)的調(diào)研，可以更準(zhǔn)確地規(guī)劃未來廢棄物的源頭削減、再利用、資源化等戰(zhàn)略。

2007年，Konstantine Drakonakis，Katherine Rostkowski，Jason Rauch等［11］從城市基礎(chǔ)設(shè)施、建筑、運(yùn)輸系統(tǒng)、設(shè)備等方面對(duì)紐黑文市鋼鐵庫(kù)存狀況和銅庫(kù)存狀況進(jìn)行了分析，指出該市28%鋼鐵庫(kù)存在汽車、鐵路和船舶等流動(dòng)貿(mào)易方面，22%鋼鐵庫(kù)存用于傳輸石油燃料的城市基礎(chǔ)設(shè)施方面，銅主要用于城市中電力和水管道的分布，指出造成庫(kù)存量低于全國(guó)平均水平的原因是缺乏重工業(yè)和大型建筑。

美國(guó)礦產(chǎn)局（U.S.Bureau of Mines，USBM）運(yùn)用物質(zhì)流分析方法，完成了1994年至2010年鐵、鉭、鉛、砷、鎘等十幾種金屬物質(zhì)在全國(guó)范圍內(nèi)的物質(zhì)流研究［12，13］，并在此基礎(chǔ)上提出了降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和提高資源利用效率的主要途徑和措施，其成果直接服務(wù)于政府的礦產(chǎn)資源政策制訂過程，是國(guó)家水平上物質(zhì)流分析技術(shù)與決策過程相結(jié)合的典型案例。

3 國(guó)內(nèi)重金屬元素物質(zhì)流分析研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)應(yīng)用物質(zhì)流分析的研究出現(xiàn)在2000年以后，由于重金屬的環(huán)境毒性，被視為應(yīng)跟蹤其全生命周期代謝過程的重點(diǎn)，重金屬物質(zhì)流分析的研究尺度可以分為全球、國(guó)家、地區(qū)、生產(chǎn)部門等，研究對(duì)象主要為鐵、銅、鉛、鋅等具有資源戰(zhàn)略性的元素。

3.1 鐵元素物質(zhì)流分析

陸鐘武［14］在分析了有時(shí)間概念的鋼鐵產(chǎn)品生命周期鐵流圖與鐵流詳圖之間異同的基礎(chǔ)上，研究了鋼鐵產(chǎn)品生命周期的基準(zhǔn)鐵流圖和鋼鐵產(chǎn)品產(chǎn)量在保持不變、按線性方程增長(zhǎng)、按指數(shù)方程增長(zhǎng)、以及下降四種情況下的鐵流圖，明確了鋼鐵產(chǎn)品生命周期源頭上天然鐵資源的消耗量與其末端鐵排放量之間的關(guān)系，從鐵資源消耗量和鐵排放量?jī)蓚€(gè)方面，提出了對(duì)鋼鐵產(chǎn)品生命周期鐵流圖進(jìn)行評(píng)分的方法，為開展相關(guān)資源、環(huán)境問題的研究提供了思路和方法。

樓俞、石磊［15］采用自下而上方法對(duì)邯鄲市鋼鐵和鋁的存量進(jìn)行了調(diào)查研究，計(jì)算了鋼鐵和鋁的使用規(guī)模、強(qiáng)度和總存量及其分布情況。截至2005年底，邯鄲市使用中的鋼鐵存量為1 333 kg／人，建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、交通系統(tǒng)的鋼鐵存量分別占總鋼鐵存量的66.6%，19.7%和7.9%；使用中的鋁存量為19.6 kg／人，建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、交通系統(tǒng)的鋁存量分別占總鋁存量的61.5%，4.1%和24.4%。該研究彌補(bǔ)了我國(guó)在城市尺度上元素庫(kù)存分析的空白，為制定產(chǎn)業(yè)政策、環(huán)境政策和資源戰(zhàn)略提供了科學(xué)和數(shù)據(jù)支持。

3.2 銅元素物質(zhì)流分析

岳強(qiáng)、陸鐘武［16，17］研究了涵蓋銅生產(chǎn)、銅制品加工制造和使用、廢雜銅回收等四個(gè)方面銅循環(huán)的“STAF”模型，介紹了“具有時(shí)間概念的銅產(chǎn)品生命周期銅流分析方法”，分析了中國(guó)銅的社會(huì)存量變化及其流動(dòng)狀況，得到了2002年的銅流圖，計(jì)算了銅工業(yè)的原料自給率、使用廢雜銅的比例、礦石指數(shù)、銅資源效率和廢銅指數(shù)等指標(biāo)。針對(duì)我國(guó)銅循環(huán)現(xiàn)狀，從促進(jìn)銅礦山發(fā)展、提高銅再生資源利用率、擴(kuò)大進(jìn)口、加強(qiáng)對(duì)尾礦和熔渣的回收利用等四個(gè)方面提出促進(jìn)銅工業(yè)健康發(fā)展的建議。

郭學(xué)益、宋瑜、王勇等［18］從銅的生產(chǎn)、加工制造、使用和廢銅處理4個(gè)階段詳細(xì)闡述了銅循環(huán)的“STAF”物質(zhì)流分析模型，并以此模型分析了2004年我國(guó)銅的流動(dòng)狀況和社會(huì)存量變化，指出1998～2004年我國(guó)銅工業(yè)生產(chǎn)階段的原料自給率和使用廢雜銅的比例、加工制造階段的原料自給率和使用廢雜銅的比例平均值分別為49.08%、25.98%、57.14%和21.45%，遠(yuǎn)低于歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家水平。指出今后我國(guó)銅工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的工作重點(diǎn)是加強(qiáng)政策引導(dǎo)與科研投入力度、大力提高一次銅的資源生產(chǎn)率和二次銅的再資源化效率。

3.3 鉛元素物質(zhì)流分析

毛建素、楊志峰、陸鐘武等［19］在構(gòu)建鉛酸電池生命周期鉛流圖基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的聯(lián)系，獲得了鉛酸電池系統(tǒng)鉛流基本規(guī)律。通過與瑞典某鉛酸電池系統(tǒng)中鉛流進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)中國(guó)鉛酸電池系統(tǒng)中鉛的生態(tài)效率低下的原因是鉛的循環(huán)率低下、鉛的排放率偏高、鉛酸電池年產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)等，認(rèn)為提高生態(tài)效率將有利于資源節(jié)約和環(huán)境改善，并提出了提高生態(tài)效益的相關(guān)對(duì)策。

郭學(xué)益、鐘菊芽、宋瑜等［20］研究了鉛循環(huán)的“STAF”物質(zhì)流分析模型，分析了2006年我國(guó)鉛的社會(huì)存量變化及其流動(dòng)狀況，計(jì)算出生產(chǎn)階段的原料自給率PZ和使用廢雜鉛的比例PS、加工制造階段的原料自給率MZ和使用廢雜鉛的比例MS分別為79.28%、19.08%、148.91%、30.25%，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了我國(guó)在鉛資源循環(huán)利用方面的不足，并對(duì)鉛工業(yè)的發(fā)展和資源的循環(huán)利用提出了建議。

鐘琴道、喬琦、李艷萍等［21］以液態(tài)高鉛渣直接還原工藝為研究對(duì)象，針對(duì)粗鉛冶煉生產(chǎn)過程中鉛金屬環(huán)境污染問題，建立了粗鉛冶煉過程鉛元素流分析框架。指出我國(guó)粗鉛冶煉生產(chǎn)過程中存在的問題，提出了優(yōu)先提高鉛直收率、降低煙塵率、減少無組織粉塵散逸、采用高效脫硫除塵協(xié)同防治技術(shù)等建議。

3.4 鋅元素物質(zhì)流分析

姜文英、柴立元、何德文等［22］針對(duì)鉛鋅冶煉企業(yè)物質(zhì)流動(dòng)情況，從分析方法的內(nèi)容與步驟兩方面進(jìn)行了詳盡的研究，認(rèn)為對(duì)鉛鋅冶煉主流程各工序的物質(zhì)流分析采用生命周期評(píng)價(jià)方法，鉛鋅伴生元素回收過程的輸入輸出分析采用化合物物質(zhì)流分析方法，得到了適用于鉛鋅冶煉企業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)模式下的物質(zhì)流分析方法。

張江徽、陸鐘武［23］研究了2004年中國(guó)鋅循環(huán)的狀況，指出存在的主要問題是原料對(duì)外依存度、再生鋅指數(shù)很低，礦石指數(shù)較高。同時(shí)分析了中國(guó)鋅工業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策現(xiàn)狀，指出尚未建立完整的鋅工業(yè)可持續(xù)發(fā)展政策體系，再生增值稅政策不合理，經(jīng)濟(jì)適用的技術(shù)創(chuàng)新及推廣支持力度不夠，鋅礦資源的開發(fā)和合理使用政策相對(duì)滯后等是制約鋅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素。提出了建立完整的推進(jìn)鋅循環(huán)的政策體系、實(shí)施鋅工業(yè)原料結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略調(diào)整、加快重點(diǎn)技術(shù)研發(fā)及推廣、制定科學(xué)合理的經(jīng)濟(jì)政策、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)重組若干政策建議。

4 重金屬元素物質(zhì)流分析研究展望

重金屬元素物質(zhì)流分析對(duì)識(shí)別某一環(huán)境污染問題的根源、發(fā)現(xiàn)特定資源利用中的效率問題具有重要作用，未來的研究重點(diǎn)是開展多種重金屬污染協(xié)同防控、加強(qiáng)重金屬元素全生命周期研究、加快構(gòu)建重金屬元素物質(zhì)流分析的數(shù)據(jù)庫(kù)、開展中小尺度重金屬元素代謝狀況的研究等方面。

1.開展多種重金屬污染協(xié)同防控的研究。目前的研究多集中在具有資源戰(zhàn)略性的重金屬元素上，對(duì)砷、鉻、汞等易對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染、對(duì)人體造成嚴(yán)重危害的重金屬元素物質(zhì)流分析較少。今后的研究應(yīng)在主要金屬資源的投入和流向及物質(zhì)流的使用總量和使用強(qiáng)度方面延伸，還要涵蓋其它重金屬污染物的排放情況及有價(jià)元素的流動(dòng)情況。

2.加強(qiáng)重金屬元素全生命周期的研究。在企業(yè)層面的重金屬元素物質(zhì)流分析研究多集中在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，未來的研究應(yīng)由生產(chǎn)環(huán)節(jié)重金屬防控向源頭物質(zhì)防控和后端的流通、消費(fèi)、運(yùn)輸、廢棄處置環(huán)節(jié)進(jìn)行延伸，評(píng)估產(chǎn)品或工藝從“搖籃到墳?zāi)埂比^程的物質(zhì)輸入輸出及其環(huán)境影響的生命周期評(píng)價(jià)體系。

3.加快構(gòu)建重金屬元素物質(zhì)流分析的數(shù)據(jù)庫(kù)。重金屬元素物質(zhì)流分析研究很大程度上受限于數(shù)據(jù)的可得性和可信度，因而，針對(duì)不同的研究目的、研究對(duì)象和研究區(qū)域，構(gòu)建具有針對(duì)性的重金屬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)非常重要。目前不少科研工作者提倡物料衡算和監(jiān)測(cè)相結(jié)合方法確定各生產(chǎn)過程的排污狀況，建立重金屬污染防治管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和重金屬的生產(chǎn)、使用、排放等全生命周期的物質(zhì)流向管理成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。

4.開展中小尺度重金屬元素代謝狀況的研究。目前針對(duì)重金屬元素的物質(zhì)流研究多為全球?qū)用?、?guó)家層面、地區(qū)層面等大尺度分析，加強(qiáng)城市、工業(yè)園、企業(yè)等物質(zhì)代謝過程的研究，也將成為未來研究的一個(gè)方向。

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Research Progress on Substance Flow Analysis of Heavy Metal Element

YAN Li，F(xiàn)AN Qiao
（Hunan Research Academy of Environmental Sciences，Changsha 410004，China）

Heavy metal pollution has become a major livelihood issues related to physical and mental health and social stability.This paper introduces the technology of substance flow analysis，and makes a detailed review on the domestic and foreign research progress of the substance flow analysis of iron，copper，lead，zinc，cadmium and other heavymetals，points out that themain problems existing in the current substance flow analysis of heavymetalelement and the future development trend of substance flow analysis of heavymetal elements.

substance flow；heavymetal element；prevent and control；life cycle

X822.5

A

1003-5540（2016）01-0063-05

2015-10-09

閻 麗（1984-），女，工程師，主要從事環(huán)境規(guī)劃與政策研究，重金屬污染防治、含重金屬固廢處理與資源化利用等方面的研究工作。