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

林錦， 陳云嫩， 陸柳鮮， 劉俊， 王俊峰， 邱廷省

（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)

隨著科技的發(fā)展和社會的進步，人類對礦產(chǎn)資源的需求量迅速增加[1]。2020年我國銅精礦產(chǎn)量達167.32萬t，銅礦資源的大量開采帶來顯著經(jīng)濟效益的同時也導致了一系列的資源環(huán)境問題，銅尾礦排放量愈來愈多[2]。我國目前對銅尾礦的資源化利用非常不足，大量的銅尾礦堆存在尾礦壩里，不僅浪費大量礦產(chǎn)資源、占用有發(fā)展?jié)摿Φ耐恋兀€破壞了周圍環(huán)境以及人體健康[3-4]，需要嚴格控制銅尾礦的保存，否則會產(chǎn)生巨大的環(huán)境風險[5]。近年來，銅尾礦作為二次資源越來越受到人們的關(guān)注[6]。Jamshid Esmeaili等研究評估了銅尾礦作為水泥復合替代材料的再利用潛力，得出銅尾礦在水泥復合材料中對環(huán)境以及原料的可持續(xù)性效益是巨大的[7]；裘國華利用銅尾礦代替黏土制備水泥熟料，并對制造的水泥熟料的性能進行了分析[8]；黃曉燕等采用銅尾礦制備蒸壓加氣混凝土以減少煅燒石灰?guī)淼腃O2排放[9]；張宏泉探討了銅尾礦作為泡沫微晶保溫材料的可行性[10]。

國家為貫徹“生態(tài)文明建設(shè)”新發(fā)展理念，堅決打贏打好污染防治攻堅戰(zhàn)的戰(zhàn)略部署，于2020年新修訂了《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》[11]，把可持續(xù)發(fā)展提升到綠色發(fā)展的高度。江西省的鎢礦與銅礦的儲量非常豐富，據(jù)統(tǒng)計，截至2017年，我國已探明的銅礦資源儲量為10 607.75萬t，江西省儲量為1 174.08萬t，占全國總量的11.7%[12]，江西省鎢礦和銅礦的分布特點形成了“南鎢北銅”特色的礦產(chǎn)工業(yè)體系[13]。工業(yè)發(fā)展使人們對銅的需求越來越大，致使銅尾礦堆積。銅尾礦堆積阻礙江西發(fā)展生態(tài)文明建設(shè)進程，對于銅礦資源是一種嚴重的浪費[14]。因此，為了減少銅尾礦堆積對周遭環(huán)境的影響，加快江西生態(tài)文明建設(shè)的進程，開展銅尾礦資源化利用的相關(guān)研究很有必要。

對于銅尾礦資源化的相關(guān)研究，需詳盡地了解銅尾礦資源化過程對環(huán)境的影響，繼而從源頭上優(yōu)化生產(chǎn)方案，以提高對二次資源銅尾礦的利用效率。作為評價生產(chǎn)系統(tǒng)對環(huán)境影響的有效方法：生命周期評價(life cycle assessment，LCA)是面向產(chǎn)品全過程的環(huán)境管理評價系統(tǒng)[15-16]。為對比銅尾礦利用過程產(chǎn)生的環(huán)境影響差異，本研究選取1種銅尾礦堆存方法以及3種銅尾礦資源化處理方法分別構(gòu)建LCA模型，評估銅尾礦堆存以及3種銅尾礦資源化利用方法的環(huán)境效益，從而為銅尾礦的高附加值利用提供科學依據(jù)[17]。

1 銅尾礦資源化的生命周期影響評價

1.1 系統(tǒng)邊界

以銅尾礦作為研究對象，借助eFootprint軟件量化銅尾礦堆存以及3種銅尾礦資源化方案產(chǎn)生的環(huán)境影響并進行分析[18]。

1）方案1：銅尾礦的常規(guī)堆存處理；

2）方案2：以PO42.5型水泥熟料為研究對象，水泥熟料三率值計算公式如下：

a）石灰飽和系數(shù)（KH）計算公式：

在式（1）中：w（CaO）、w（Al2O3）、w（Fe2O3）以及w（SiO2）分別為相應(yīng)氧化物的質(zhì)量百分數(shù)，KH的范圍是：0.82~0.94。

b）硅率（SM）計算公式

在式（2）中：w（SiO2）、w（Al2O3）和w（Fe2O3）分別為相應(yīng)氧化物的質(zhì)量百分數(shù)，SM的范圍是：1.7~2.7。

c）鋁率（IM）計算公式：

在式（3）中：w（Al2O3）和w（Fe2O3）分別為相應(yīng)氧化物的質(zhì)量百分數(shù)，IM的范圍是：0.8~1.7。

將相對應(yīng)的數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2）、式（3）中進行計算，得到方案2中水泥熟料三率值為：KH=0.92，SM=2.6，IM=1.4，換算后得到銅尾礦可代替水泥熟料生產(chǎn)中0.88份的黏土；

3）方案3：計算得銅尾礦蒸壓加氣混凝土原料鈣硅比（w（Ca）/w（Si））=0.56，在合適的范圍內(nèi)[19]。在合適的鈣硅比范圍內(nèi)得出方案3銅尾礦磨碎后可代替蒸壓加氣混凝土生產(chǎn)中35%的砂和10%的水泥；

4）方案4：用銅尾礦磨碎后代替泡沫微晶玻璃中的硅質(zhì)材料[20]。

研究范圍為銅尾礦堆存處理或銅尾礦資源化利用的全過程，所有數(shù)據(jù)均采用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，來源于2019年江西省某些生產(chǎn)銅尾礦資源化產(chǎn)品的企業(yè)。從產(chǎn)品生命周期角度出發(fā)，功能單位為1 t的銅尾礦，銅尾礦堆存處理及銅尾礦資源化利用的系統(tǒng)邊界圖如圖1所示。銅尾礦資源化利用系統(tǒng)以生產(chǎn)銅尾礦資源化產(chǎn)品為終點，除銅尾礦及其替換原料的廠內(nèi)貨車運輸過程，其他原材料的運輸不在系統(tǒng)的邊界內(nèi)，且不再考慮銅尾礦資源化利用產(chǎn)品在生產(chǎn)結(jié)束后會產(chǎn)生的環(huán)境影響[21-22]。

圖1 系統(tǒng)邊界的確定Fig.1 Determination of system boundary

1.2 清單數(shù)據(jù)

清單數(shù)據(jù)分析（life cycle inventory，LCI）對產(chǎn)品、工藝或活動在研究邊界內(nèi)輸入輸出的物質(zhì)進行分析，分析的結(jié)果通常以數(shù)據(jù)清單表格的形式呈現(xiàn)[23－24]。生命周期清單中使用的數(shù)據(jù)主要來自于企業(yè)實地調(diào)研以及eFootprint軟件數(shù)據(jù)庫，部分數(shù)據(jù)借鑒相關(guān)文獻的評估和計算[25－26]。

銅尾礦堆存以1 t銅尾礦為功能單位，其清單數(shù)據(jù)如表1所列，取自2019年江西省某地銅尾礦現(xiàn)場檢測的實際數(shù)據(jù)。研究邊界的范圍是銅尾礦進入尾礦庫到尾礦廢水排入廢水池。銅尾礦資源化方法以1 t銅尾礦為功能單位，對3種銅尾礦資源化方案全過程的消耗和排放情況進行統(tǒng)計記錄，記錄結(jié)果如表2所列，其中運輸數(shù)據(jù)上游數(shù)據(jù)來源均來自eFootprint軟件的CLCD數(shù)據(jù)庫。

表1 銅尾礦堆存過程清單數(shù)據(jù)Table 1 List data of copper tailings stacking

表2 3種銅尾礦資源化方法的生命周期清單Table 2 Life cycle inventory of three tailings recycling methods

表2（續(xù)） 3種銅尾礦資源化方法的生命周期清單Table 2（continued） Life cycle inventory of three tailings recycling methods

運輸中銅尾礦和所替換原料需要用貨車運輸，而鐵粉、石灰石、煤粉等原材料運輸由廠外承擔，不在系統(tǒng)范圍內(nèi)，3種銅尾礦資源化生產(chǎn)過程運輸信息如表3所列，其中運輸數(shù)據(jù)上游數(shù)據(jù)來源均來自eFootprint軟件的CLCD數(shù)據(jù)庫。

表3 3種銅尾礦資源化生產(chǎn)過程運輸信息Table 3 Transportation information table of three resource production processes

2 結(jié)果分析

2.1 環(huán)境影響評價結(jié)果

在方案1中，主要選擇生態(tài)毒性（Ecological Toxicity）和人體毒性（Human Toxicity）這2種環(huán)境影響類型指標進行評價，其環(huán)境影響生命周期評價結(jié)果如表4所列。

表4 銅尾礦堆存的環(huán)境影響生命周期評價結(jié)果Table 4 Results of LCA of environmental impact of copper tailings

由表4可以得到，1t的銅尾礦堆存于環(huán)境中會產(chǎn)生較大的ET及HT，造成這些影響的主要原因是該銅尾礦中含有重金屬離子，會污染水環(huán)境以及土壤環(huán)境，對周遭環(huán)境以及生活在其附近的人類造成一定毒害。

根據(jù)3種銅尾礦資源化生產(chǎn)過程的資源消耗以及污染排放特點，選擇與銅尾礦資源化過程關(guān)系密切的10種環(huán)境影響類型指標來進行評價，其中能源消耗（PED）、非生物資源消耗（ADP）、水資源消耗（WU）、全球變暖潛值（GWP）、生態(tài)毒性（ET）、人體毒性（HT）較有代表性[27]。

將表2數(shù)據(jù)輸入eFootprint軟件，可以得到3種銅尾礦資源化過程的環(huán)境影響類型指標結(jié)果，其中正值代表的是產(chǎn)生的環(huán)境影響，負值代表的是產(chǎn)生的環(huán)境效益[28]。表5是3種銅尾礦資源化方案的環(huán)境影響類型指標結(jié)果。

表5 3種銅尾礦資源化環(huán)境影響類型結(jié)果Table 5 Results of three environmental impact types of copper tailings resource utilization

從表5可以看出，3個方案的10種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響均為負值，3種銅尾礦資源化方案均產(chǎn)生環(huán)境效益。

在方案2中PED降低幅度最高，達到10.25%。降幅的主要原因是在水泥熟料生產(chǎn)中銅尾礦代替黏土減少ADP的消耗，且銅尾礦本身顆粒較細，降低了磨碎過程對電力資源的消耗以及煅燒過程中燃料的消耗。

方案3中因為銅尾礦替代了砂和水泥，降低了ADP的消耗量，且因為銅尾礦顆粒比較細，比表面積較大，因此減少了磨碎過程電力的消耗以及蒸壓過程蒸汽的使用量。減少的消耗和使用量使得各類環(huán)境影響類型值均有不同程度的降低。在各類環(huán)境影響類型值中降低幅度最大的是GWP，降低了19.51%，原因是銅尾礦的替代減少了蒸壓加氣混凝土生產(chǎn)中砂和水泥會產(chǎn)生大量的溫室氣體[29]。

方案4中因為銅尾礦替代石英砂和鋁土礦，減少了ADP的消耗量，并且銅尾礦顆粒較細，可以降低磨碎過程對電力資源的消耗和煅燒過程中對燃料的消耗量，故各環(huán)境影響類型值均減少。WU降低70.35%的原因是銅尾礦替代石英砂減少了傳統(tǒng)泡沫微晶保溫材料的生產(chǎn)過程中石英砂消耗大量的水資源。

2.2 生態(tài)環(huán)境影響結(jié)果

銅尾礦堆存過程對生態(tài)環(huán)境的主要影響類型指標為ET和HT。故在方案2中將銅尾礦堆存和黏土，在方案3中將銅尾礦堆存、砂、水泥，方案4中將銅尾礦堆存、石英砂、鋁土礦對ET和HT的生態(tài)環(huán)境影響LCA結(jié)果進行對比，比較結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 黏土和銅尾礦對生態(tài)環(huán)境影響的LCA結(jié)果Fig.2 LCA results of ecological environment impact of clay and copper tailings

圖3 銅尾礦、砂和水泥生態(tài)環(huán)境影響LCA結(jié)果Fig.3 LCA results of environmental impact of copper tailings,sand and cement

圖4 銅尾礦、石英砂和鋁土礦對生態(tài)環(huán)境影響的LCA結(jié)果Fig.4 LCA results of environmental impact of copper tailings,quartz sand and bauxite

由圖2可以看出來，黏土的開采與使用對ET有著比較大的影響，對HT的影響比較小。與被替換方案的生產(chǎn)過程相比，ET和HT的值均有不同程度的減少，且銅尾礦在水泥熟料生產(chǎn)中代替黏土，既避免了銅尾礦堆存產(chǎn)生的ET、HT，既不占用土地也減少了對周圍環(huán)境的影響。

由圖3可知，在蒸壓加氣混凝土中砂和水泥的使用對ET有著比較大的影響。與被替換的生產(chǎn)過程相比，方案3的ET和HT值有不同程度的減少，其中ET減少54.5%，HT減少5.6%。銅尾礦代替蒸壓加氣混凝土的生產(chǎn)中35%的砂和10%的水泥，不僅避免了銅尾礦堆存可能產(chǎn)生的ET、HT，也減少了對周遭環(huán)境的影響。

由圖4可知，在泡沫微晶玻璃材料的生產(chǎn)中，石英砂和鋁土礦的使用對于ET的影響比較大。同時與被替換的生產(chǎn)過程相比，ET和HT有不同程度的減少，其中HT減少了29.3%，HT減少了25.85%。銅尾礦代替泡沫微晶保溫材料生產(chǎn)的硅質(zhì)材料，既避免了銅尾礦堆存于尾礦壩可能產(chǎn)生的ET、HT，也減少了對周遭環(huán)境的影響。

3 討 論

1）方案2中造成的主要環(huán)境影響類型為PED>WU>GWP，在水泥熟料的生產(chǎn)階段中，煤粉制備過程對PED值的貢獻最大，鐵粉制備和自來水過程對WU值的貢獻較大，熟料煅燒階段對GWP值的貢獻最大。所以可以選擇生態(tài)環(huán)境影響較小的綠色生產(chǎn)物料減少PED和WU的影響，提高熟料煅燒階段的熱利用效率來減少PED和GWP的影響，以及提高生產(chǎn)用水的循環(huán)利用率來減少WU的影響。

2）方案3中造成的主要環(huán)境影響類型為PED>WU>GWP，在蒸壓加氣混凝土生產(chǎn)階段中蒸壓養(yǎng)護過程對資源環(huán)境的影響最大。為減少蒸壓養(yǎng)護過程對環(huán)境的影響，可以提高燃料的利用效率、利用清潔的循環(huán)水作為蒸汽的來源以及采用生態(tài)環(huán)境影響較小的綠色生產(chǎn)物料。

3）方案4中造成的主要環(huán)境影響類型為WU>PED>GWP，在泡沫微晶玻璃保溫材料生產(chǎn)中硼砂的上游生產(chǎn)過程對資源環(huán)境的影響最大。為實現(xiàn)泡沫微晶保溫材料的清潔生產(chǎn)，可以采用合適的生態(tài)環(huán)境影響較小的綠色生產(chǎn)物料、提高燒結(jié)發(fā)泡過程中燃料的利用效率以及提高生產(chǎn)用水的循環(huán)利用率。

通過整理大量的資料可知，剛興起的尾礦資源化有著廣闊的發(fā)展前景，但是國內(nèi)研究學者對銅尾礦資源化利用的研究相對來說比較少。本文通過eFootprint軟件分析得到銅尾礦資源化過程對自然資源和生態(tài)環(huán)境的影響程度，希望為國內(nèi)銅尾礦資源化利用技術(shù)的發(fā)展提供科學的數(shù)據(jù)支持和合理化建議。但是此方法有許多不足，考慮的范圍不夠全面，尾礦利用仍需根據(jù)相對應(yīng)的情況來選擇合適的資源方案。

4 結(jié) 論

將銅尾礦資源化利用于生產(chǎn)水泥熟料、蒸壓加氣混凝土和泡沫微晶保溫材料的3種方案利用eFootprint軟件對整個生產(chǎn)過程進行生命周期評價，通過量化資源化過程輸入輸出，分析生產(chǎn)過程中環(huán)境影響指標值，確定生產(chǎn)過程中對生態(tài)環(huán)境影響最嚴重的階段和環(huán)境類別，得出相應(yīng)的減少環(huán)境影響的方法。此方法便于環(huán)境管理者來提高銅尾礦利用的效率，只有對銅尾礦資源化過程進行深入的研究，明確資源化過程的資源、能源以及環(huán)境排放量情況，才能通過優(yōu)化機構(gòu)以及升級技術(shù)對銅尾礦資源化過程達到較優(yōu)的環(huán)境效益。