金屬尾礦處置及資源化利用技術(shù)研究

杜艷強(qiáng)，段文峰，趙 艷

(1.洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471000；2.河南省新型土木工程結(jié)構(gòu)國際聯(lián)合實驗室，河南 洛陽 471000)

0 引 言

金屬礦產(chǎn)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)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(jīng)濟(jì)規(guī)模巨大，對礦產(chǎn)資源的需求迫切，相應(yīng)的尾礦產(chǎn)量也較大。 尾礦排放占用大量土地資源，據(jù)統(tǒng)計[1]，2019年金屬尾礦排放量達(dá)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(yè)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(dá)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(dāng)。尾礦排放也會引發(fā)安全及環(huán)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(yè)錫礦尾礦庫發(fā)生潰壩事件[3]導(dǎo)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(yán)重環(huán)境安全問題，安全管理機(jī)構(gòu)將尾礦壩列為安全生產(chǎn)的9個重大災(zāi)害危險源之一，其危害性甚至大于火災(zāi)。

由此可見，尾礦堆存引起的安全及環(huán)保問題已成為困擾企業(yè)和社會的緊迫難題。近年來有學(xué)者提出了加強(qiáng)源頭治理，建設(shè)“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(dá)到無尾礦或少尾礦產(chǎn)出目標(biāo)的礦山，該理念已在政府、企業(yè)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(diǎn)及綜合利用技術(shù)現(xiàn)狀，對尾礦資源化利用的關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)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(diǎn)

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(jīng)自重固結(jié)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(zhì)量濃度約為20%，其余成分為水，尾礦經(jīng)管道輸送排入尾礦庫后，固體顆粒沉淀固結(jié)，水則可回收利用。依據(jù)不同分類標(biāo)準(zhǔn)，尾礦的分類方法也不同。

按照行業(yè)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(shù)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(qū)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(zhì)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(zhì)，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(huán)境安全風(fēng)險相對較小。

按照化學(xué)成分對尾礦進(jìn)行分類，對于尾礦的開發(fā)利用更具指導(dǎo)意義，中國地質(zhì)科學(xué)院尾礦利用技術(shù)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(zhì)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(zhì)尾礦：氧化鋁含量達(dá)15%以上，二氧化硅含量達(dá)60%以上，其他任一組分含量不超過10%；④鐵硅質(zhì)尾礦：氧化鐵和氧化亞鐵總含量達(dá)20%以上，二氧化硅含量達(dá)60%以上，其他任一組分含量不超過10%；⑤堿鋁硅質(zhì)尾礦：氧化鉀和氧化鈉總含量達(dá)10%以上，氧化鋁含量達(dá)10%以上，二氧化硅含量達(dá)60%以上，其他任一組分含量均不超過10%；⑥鈣鋁硅質(zhì)尾礦：氧化鈣含量達(dá)10%以上，氧化鋁含量10%以上，二氧化硅含量達(dá)40%以上，其他任一組分含量不超過10%；⑦復(fù)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(dá)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(chǎn)呈現(xiàn)先增后減的趨勢，2014年達(dá)到峰值18.57億t，后逐年下降，目前產(chǎn)量約為12億t。近年來尾礦產(chǎn)量下降，原因是我國正進(jìn)行供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，不再片面追求經(jīng)濟(jì)增速，而更注重經(jīng)濟(jì)增長質(zhì)量，國家政策和措施加快了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和中小資源型企業(yè)產(chǎn)能的退出。

圖1 2011—2019年我國尾礦生產(chǎn)及利用情況

在經(jīng)濟(jì)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(dá)4.13億t，創(chuàng)歷史新高。但同時國外先進(jìn)水平的尾礦綜合利用率已達(dá)到60%，因此國內(nèi)的尾礦綜合利用行業(yè)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(huán)境風(fēng)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，在服役期內(nèi)，若尾礦庫的管理及維護(hù)工作不到位，加上洪水、地災(zāi)、超載等危險因素的作用，極易引發(fā)尾礦庫的安全事故。據(jù)統(tǒng)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(kuò)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(shù)的不斷進(jìn)步，選礦廠磨礦粒度不斷變細(xì)，尾礦筑壩越來越難，尾礦壩高度不斷增加，細(xì)粒尾礦筑高壩成為難以突破的關(guān)鍵問題[6]。數(shù)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(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重挑戰(zhàn)?；诂F(xiàn)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(shù)尾礦庫新建申請難以獲批。2020年，應(yīng)急管理部正式印發(fā)的《防范化解尾礦庫安全風(fēng)險工作方案》提出“在保證緊缺和戰(zhàn)略性礦山礦產(chǎn)正常建設(shè)開發(fā)的前提下，全國尾礦庫數(shù)量原則上只減不增”的目標(biāo)，因此，尾礦庫用地及庫容情況一直處于緊張狀態(tài)。

3) 對尾礦的資源屬性認(rèn)識不足，制約尾礦資源利用。目前國內(nèi)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(shù)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(xiàn)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(chǎn)砂石已成為礦山尾礦源頭減量的重要手段，但只有少數(shù)礦山企業(yè)配套了砂石選別項目，對尾礦資源屬性認(rèn)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(wù)院高度重視資源及環(huán)境保護(hù)工作，提出了“美麗中國”的發(fā)展目標(biāo)，在尾礦再利用方面，從中央到國務(wù)院各部委到各級地方政府均出臺了相關(guān)法律、法規(guī)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(huán)境防治法》明確固體廢物污染環(huán)境防治堅持減量化、資源化和無害化原則，強(qiáng)化了資源綜合利用評價等制度。國家發(fā)展和改革委員會等部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)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(dá)到60%。2018年實施的《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》對固廢排放征收環(huán)保稅，排放每噸尾礦需繳納15元環(huán)保稅。2019年國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)大宗固體廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展的通知》鼓勵固廢綜合利用基地廢棄物綜合利用率達(dá)75%以上，形成固廢多途徑、綜合利用的發(fā)展格局?！豆I(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》和《工業(yè)固體廢物綜合利用規(guī)劃》都提出“將解決尾礦大宗整體利用的瓶頸問題，加強(qiáng)尾礦生產(chǎn)建筑材料”作為尾礦綜合利用的優(yōu)先方向。工業(yè)和信息化部制定《京津冀及周邊地區(qū)工業(yè)資源綜合利用產(chǎn)業(yè)協(xié)同轉(zhuǎn)型提升計劃(2020—2022年)》提出加快推進(jìn)京津冀及周邊地區(qū)工業(yè)資源綜合利用產(chǎn)業(yè)協(xié)同轉(zhuǎn)型升級，提升區(qū)域資源利用效率?！丁盁o廢城市”建設(shè)試點(diǎn)工作方案的通知》提出城市固廢產(chǎn)量最小化、資源化利用充分，處置安全的目標(biāo)。《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》提出系統(tǒng)治理、源頭治理，改善黃河流域生態(tài)環(huán)境的發(fā)展目標(biāo)。2018年國家發(fā)展和改革委員會提出用3 000億元支持八大領(lǐng)域發(fā)展，包括礦產(chǎn)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(huán)境保護(hù)部等部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快建設(shè)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(shè)進(jìn)程。2018年以來，科學(xué)技術(shù)部每年設(shè)定“固廢資源化”重點(diǎn)專項資金，支持尾礦、建材等大宗固廢的資源化利用技術(shù)及裝備的研發(fā)。這些政策的發(fā)布和實施，將持續(xù)加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，全面推進(jìn)礦山企業(yè)的綠色發(fā)展，長期利好尾礦綜合利用產(chǎn)業(yè)。

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(guān)鍵因素是尾礦中的礦物成分及有害元素的組成，依據(jù)物質(zhì)組成的差異，尾礦既可以用以生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品[8-9]，也可以實現(xiàn)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(chǎn)量大、成分復(fù)雜的特點(diǎn)，尾礦的利用存在多種途徑，相關(guān)學(xué)者及機(jī)構(gòu)針對尾礦成分開展典型尾礦的綜合利用技術(shù)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(fù)雜，目標(biāo)金屬元素絕大多數(shù)以多種有價元素共伴生的狀態(tài)存在，如中國西南地區(qū)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(shè)計通常以主要元素為目標(biāo)，但由于選礦工藝及技術(shù)相對落后，主要目標(biāo)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(chǎn)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(yè)的重視。從企業(yè)角度來說，進(jìn)行尾礦中有價元素提取，必然要考慮建設(shè)周期、建設(shè)成本、工藝復(fù)雜性、經(jīng)濟(jì)效益等問題。目前，應(yīng)用較為成熟的技術(shù)有：①反浮選法提鐵降硅技術(shù)，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(shù)，可減少尾礦占地面積，延長尾礦庫服務(wù)年限；③尾礦回收弱磁性礦技術(shù)，應(yīng)用范圍廣，可最大限度回收有用礦物，延長尾礦庫服務(wù)年限。尾礦有價元素回收利用需因地制宜，進(jìn)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(jìn)行定向研發(fā)，突破技術(shù)瓶頸，降低成本是尾礦中有價元素回收利用的關(guān)鍵問題。

2.2 尾礦生產(chǎn)建材

城鎮(zhèn)化建設(shè)對建筑材料的需求量很大，近年來，我國推行的“美麗中國”戰(zhàn)略對環(huán)保要求較高，政府對砂石材料開采行業(yè)的政策不斷收緊，國內(nèi)砂石骨料價格始終處于高位狀態(tài)。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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)建筑用砂石料；尾礦制備燒結(jié)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(yè)固廢，以尾礦為原料生產(chǎn)建筑材料，具有市場廣闊、尾礦原料消耗量大的獨(dú)特優(yōu)勢，因此應(yīng)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(qū)充填

濕式排放、干式堆存[10]和尾礦充填是尾礦大規(guī)模處置的三種方式，其中尾礦濕式排放和干式堆存均需設(shè)置尾礦庫，不僅占地而且存在安全隱患，尾礦庫的管理及運(yùn)行成本也較高。尾礦充填[11]不需設(shè)置尾礦庫，且可對尾礦進(jìn)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(jié)劑、水混合后填入地下，不僅可以提升礦產(chǎn)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(qū)垮落而引起的地面塌陷災(zāi)害。

2.4 尾礦用于農(nóng)林業(yè)

尾礦在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用主要包括尾礦復(fù)墾和尾礦用作土壤改良劑。尾礦復(fù)墾是指在尾礦庫上復(fù)墾或利用尾礦在適宜地點(diǎn)進(jìn)行充填造地等與尾礦有關(guān)的土地復(fù)墾工作，主要方法有生物法和微生物法，其目的是實現(xiàn)重金屬的穩(wěn)定。尾礦復(fù)墾的利用途徑主要包括尾礦復(fù)墾為農(nóng)業(yè)用地、林業(yè)用地、建筑用地或直接復(fù)墾種植。國外的尾礦復(fù)墾率可高達(dá)80%，國內(nèi)關(guān)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(jié)構(gòu)改良和化學(xué)改良兩方面作用，土壤中摻入特定尾礦可疏松土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)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(zhì)發(fā)生反應(yīng)的組分，通過反應(yīng)可以阻止土壤中有害物質(zhì)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(fù)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(xiàn)實問題仍然較多。國內(nèi)大多數(shù)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(jìn)技術(shù)相比仍具有較大差距，且隨著環(huán)境管理越來越嚴(yán)，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(xiàn)少排甚至不排尾礦的目標(biāo)，成為礦山企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然途徑。

1) 開展對金屬尾礦固體廢物的全面摸底調(diào)查工作。尾礦的管理需要從尾礦的產(chǎn)生、收集、儲存、運(yùn)輸、利用、處置全過程進(jìn)行監(jiān)控，部分礦山企業(yè)未建立起完善的尾礦臺賬，甚至分不清尾礦和廢石的區(qū)別，因此摸清尾礦家底要從管理上進(jìn)行落實，尤其是要從制度上完善尾礦固廢的摸底調(diào)查工作機(jī)制。摸清尾礦的產(chǎn)生數(shù)量、尾礦的賦存狀態(tài)和利用現(xiàn)狀是嚴(yán)格監(jiān)管、合理利用、科學(xué)制定產(chǎn)業(yè)政策和布局區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的先決條件。

2) 充分考慮不同尾礦的差異，加強(qiáng)相關(guān)方向的技術(shù)投入和成果轉(zhuǎn)化。很多礦山企業(yè)希望將其他企業(yè)尾礦利用的成功經(jīng)驗?zāi)脕碇苯討?yīng)用，但不同尾礦的成礦環(huán)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(chǎn)生直接影響。如高硅尾礦中的硫元素不經(jīng)處理無法制備加氣磚，鈣鎂及高鋁型尾礦無法制備機(jī)制砂。尾礦的綜合利用技術(shù)不是單純的選礦工藝，而是涉及到多學(xué)科的交叉性研究，需加強(qiáng)在設(shè)備、技術(shù)、人才方面的研發(fā)投入，建立典型尾礦開發(fā)利用示范性項目，發(fā)揮大型示范工程的引領(lǐng)作用。

3) 加強(qiáng)對尾礦綜合利用產(chǎn)業(yè)的政策引導(dǎo)和財政支持。從中央政府到地方部門，應(yīng)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(fèi)，配套尾礦開發(fā)利用的相關(guān)資金，鼓勵引導(dǎo)企業(yè)及社會資金加入到尾礦開發(fā)利用項目中去。通過嚴(yán)格尾礦庫的新批新建，倒逼企業(yè)更加重視尾礦的處置問題，加大對尾礦綜合利用技術(shù)的研發(fā)和投入，對符合條件的尾礦產(chǎn)品列入國家環(huán)保標(biāo)志目錄，加大政府采購力度，擴(kuò)大合格尾礦產(chǎn)品的消費(fèi)需求。

4 展 望

金屬尾礦資源綜合利用是涉及開采、選礦、環(huán)境、巖土、化學(xué)、材料等眾多學(xué)科的系統(tǒng)工程，隨著高品位礦產(chǎn)的持續(xù)開發(fā)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(guān)乎我國資源與環(huán)境安全的一項戰(zhàn)略性課題?，F(xiàn)階段，應(yīng)將開展尾礦的全面摸底調(diào)查及相關(guān)技術(shù)的科技攻關(guān)及推廣應(yīng)用作為工作的重點(diǎn)?；诘V山企業(yè)尾礦產(chǎn)量大、污染重、隱患多的現(xiàn)實問題，大宗尾礦的整體資源化、無害化利用技術(shù)應(yīng)作為尾礦綜合利用的重點(diǎn)方向，該方向也符合國家產(chǎn)業(yè)政策的要求。