我國尾礦固廢處置現(xiàn)狀及建議

蔚美嬌，孔祥云,2，黃勁松，劉俊新，李 軍,2，王光進(jìn)，李曉寧,樊曉一,朱寶龍

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，金屬礦尾礦資源綠色綜合利用國家地方聯(lián)合工程研究中心，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650093；3.浙江智譜工程技術(shù)有限公司，浙江 湖州 313000；4.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；5.西南石油大學(xué) 土木工程與測繪學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

在推進(jìn)社會高質(zhì)量發(fā)展的新形勢下，全面提高礦產(chǎn)資源利用率是時(shí)代給予的緊迫而艱巨的任務(wù)。目前，我國大宗固體廢棄物處置面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，固廢產(chǎn)生速度快、數(shù)量大，雖然有一部分得到了利用，但是效率很低。其中尾礦的堆積量在工業(yè)廢棄物中占比最高，達(dá)45.67%。

礦產(chǎn)資源為社會發(fā)展提供了基礎(chǔ)原料，我國對礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)與利用越來越重視。隨著國家對資源安全重視程度的提升，尾礦固廢資源處置以及利用的需求在逐漸增強(qiáng)。通過調(diào)查評價(jià)尾礦庫的空間分布、數(shù)量、尾礦的毒害性和綜合利用率，可以為土地和空間規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和礦產(chǎn)資源保護(hù)提供有效支持。當(dāng)前，國內(nèi)對尾礦采取的最直接的處理方式是尾礦庫處理法，即將尾礦直接排放至尾礦庫中堆存。如此，不僅浪費(fèi)大量的土地資源，還會對生態(tài)環(huán)境和社會穩(wěn)定造成不利影響。尾礦再選技術(shù)是我國普遍采用的尾礦處理工藝，另外也可將尾礦加入水泥或者建材等產(chǎn)品中，或用作肥料對土壤進(jìn)行改良等。近年來，不少企業(yè)將尾礦應(yīng)用到了一些新的領(lǐng)域，如玻璃制造、建筑中的砌塊以及裝修用墻磚地磚等。雖然在尾礦固廢減量化以及無害化方面取得了一定成果，但利用量十分有限，資源最大化的目標(biāo)以及相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈目標(biāo)仍然沒有實(shí)現(xiàn)。因此，尾礦固廢的處置和利用是我國目前急需解決的重要問題。隨著科技的不斷進(jìn)步，我國對于礦山尾礦固廢的處理途徑日益豐富，治理效果也愈發(fā)顯著。本文對尾礦固廢的處置現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，對其利用前景進(jìn)行了展望，以期為我國的大宗固廢綜合利用提供參考。

1 我國尾礦資源現(xiàn)狀

我國2008-2020年尾礦的產(chǎn)生量以及利用率如圖1所示。從圖1可以看出：2008-2014年我國尾礦產(chǎn)生量一直呈上升趨勢，2014年為16.78億t； 2015-2018年，由于鐵尾礦產(chǎn)生量逐步減少，使得我國尾礦產(chǎn)生量整體呈下降趨勢；2018年開始又呈增長趨勢，但增長速度較之前緩慢；2020年，尾礦的產(chǎn)生量為12.75億t；而我國尾礦的利用率隨著時(shí)間的推移呈增長趨勢，2008年的尾礦利用率約為7.0%，到2020年時(shí)已增長至31.8%左右。

圖1 我國2008-2020年尾礦產(chǎn)生量以及利用率

尾礦的堆積不僅會對環(huán)境造成破壞，還會給周邊居民帶來巨大的安全隱患。在我國，尾礦是工業(yè)固體廢棄物中產(chǎn)出量以及堆積量最高的危險(xiǎn)固廢。2015-2020年我國尾礦堆積量如圖2所示。由圖2可知，2015年底我國尾礦堆積量為173億t，2020年底已達(dá)222.6億t。

圖2 我國2015-2020年尾礦堆積量

2 我國尾礦固廢處置現(xiàn)狀

2.1 尾礦資源回收利用現(xiàn)狀

尾礦中的主要成分有SiO2、CuO、Al2O3、K2O、MnO、Fe2O3、SO3、ZnO以及P2O5等，采用傳統(tǒng)的選礦工藝以及設(shè)備回收其中的有用成分具有一定難度，原因是尾礦粒度較細(xì)、有用組分少且嵌布復(fù)雜。尾礦資源的二次利用包括兩個(gè)方面：一是經(jīng)再選回收尾礦中的有用組分，二是將剩余資源進(jìn)行再利用。

以鐵尾礦為例，對其回收利用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。陳祿政[1]采用連續(xù)離心分離的方式回收鐵尾礦中的鐵，該技術(shù)的核心在于連續(xù)離心分離裝置，并提出了利用往復(fù)移動水束流沖擊卸落富集層完成連續(xù)離心分離的流程；李奕然等[2]以云南上廠鐵尾礦為研究對象，提出了一種再選新工藝，即選擇性分散絮凝-磁選技術(shù)；楊合等[3]以某低品位鐵尾礦為研究對象，提出了一種回收鐵的新工藝，即直接還原-磁選技術(shù)；劉紅召等[4]采用還原焙燒-弱磁選工藝對江西七寶山鐵尾礦中的鐵進(jìn)行了高效回收；朱敏聰?shù)萚5]以低品位鐵尾礦為研究對象，通過弱磁場、強(qiáng)磁場分選實(shí)驗(yàn)，得到了鐵生成量15.33%、品位62%的鐵精礦。王書文[6]對釩鈦磁鐵礦型尾礦進(jìn)行了高效分離，回收了其中的釩、鈦、鐵及其他有價(jià)金屬元素；秦玉芳等[7]從白云鄂博型鐵尾礦中回收了稀土、鈮和其他伴生金屬元素；霍松洋等[8]以承德某鐵尾礦為研究對象，經(jīng)過1次粗選、3次精選，最終得到P2O5品位32.74%、P2O5回收率86.11%的磷精礦，然后通過磁選-重選工藝獲得了TiO2品位23.00%、TiO2回收率91.24%的鈦精礦；于漢晟等[9]以嵐縣田野鐵礦選礦廠中的綜合尾礦為研究對象進(jìn)行了回收試驗(yàn)，得到了3.6萬t鐵品位為62.15%的混合精礦；盧寬[10]以某鐵尾礦為研究對象，分析發(fā)現(xiàn)鐵尾礦中主要成分是K2O和云母，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.18%、27.25%，采用脫泥浮選的方法得到了質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)97.28%、回收率為52.71%、產(chǎn)率為11.32%的云母。李繼福等[11]利用粗精礦加工技術(shù)對某鐵尾礦開展了“1粗7精3掃”工藝流程，得到了鉬回收率67.49%的鉬精礦；王歡[12]對白象山鐵礦進(jìn)行磁選作業(yè)后，發(fā)現(xiàn)尾礦和精礦中均存在鎵、鈷，隨后開展了鈷、鎵回收試驗(yàn)，最后獲得了鈷品位為0.46%、鈷回收率為54.41%的浮選精礦；蔡海立[13]以廣東某鐵尾礦為研究對象，提出了一種氯化-焙燒技術(shù)，采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重金屬的分離以及回收；南楠等[14]針對目前磷回收工藝相對落后的現(xiàn)狀，提出了一種新的回收工藝，該工藝的關(guān)鍵在于使用了磷灰石新型常溫捕收劑DJX-6。

2.2 回填礦山采空區(qū)

用尾礦回填礦山采空區(qū)是直接利用尾礦的有效途徑之一。尾礦充填主要有2種方式：水砂充填和膠結(jié)充填。尾礦回填采空區(qū)可以消耗大量的尾礦，是一種非常有效的尾礦處理方式，也是尾礦減量化利用的關(guān)鍵，尤其是對于不具備建設(shè)尾礦庫的條件的礦山企業(yè)而言，該方式不僅節(jié)約了尾礦庫的建設(shè)成本，而且還避免了對環(huán)境的污染，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益兼得。我國目前普遍使用的尾礦充填技術(shù)是膠結(jié)充填，該技術(shù)所需的原材料包括惰性材料、凝膠材料以及水，按照一定的比例混合便可制成充填料漿。與其他技術(shù)相比，膠結(jié)充填技術(shù)可以在一定程度上提高礦石回采率(可達(dá)95%)。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，一些工業(yè)廢棄物(如冶煉渣等)具有一定的活性，將其與尾礦混合制成膠砂，既可以滿足全尾膠結(jié)充填的要求，還有效利用了工業(yè)廢棄物，具有廣闊的發(fā)展前景。此外，尾礦回填礦山采空區(qū)技術(shù)還有深井高濃度全尾砂充填技術(shù)、尾礦充填露天礦坑技術(shù)、塌陷區(qū)尾礦砂高濃度濃縮堆存技術(shù)等[15]。

2.3 作為建筑材料的原料

將尾礦破碎以及篩分后，可用于制備建筑材料，如水泥、混凝土集料、硅酸鹽尾砂磚、溶渣花磚、瓦、微晶玻璃、加氣混凝土、鑄石、泡沫材料、陶粒、泡沫玻璃和耐火材料等[16]。陳城[17]將尾礦作為原材料制備了多孔陶瓷，其具有耐高溫和耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，極大提升了尾礦的附加值；另外還以鐵尾礦、粉煤灰等工業(yè)廢棄物為原材料、硅酸鹽水泥為膠凝材料，采用物理發(fā)泡的方法制備了一種泡沫保溫材料，該材料不僅性能良好，且不污染環(huán)境。LI等[18]以銅尾礦、鐵尾礦為原料，制備了一種3D打印建筑材料，對其進(jìn)行了毒性和放射性測試，結(jié)果表明，其為環(huán)境友好型材料；LI等[19]以細(xì)粒低硅鐵尾礦及非水泥類固化劑為原料，加入三乙醇胺硬化促進(jìn)劑和硬脂酸乳液防水劑制備了環(huán)保磚；ZHANG等[20]提出鐵尾礦可應(yīng)用于膠凝材料的生產(chǎn)、混凝土的制備以及一些新型磚的制備；GAO等[21]以珍珠巖尾礦為原材料制備了一種新型輕質(zhì)泡沫保溫隔熱材料；LI等[22]以鐵尾礦為原料制備了一種多孔磚，經(jīng)測試，該磚強(qiáng)度高、孔隙率低； BAI等[23]以鉬尾礦為原料成功制備出了一種新型儲水材料； ZHANG等[24]以硅砂尾礦和其他工業(yè)廢棄物為原料制備了陶瓷材料；PENG等[25]以石墨尾礦作為硅質(zhì)材料生產(chǎn)了蒸壓加氣混凝土；YAO等[26]對尾礦水化性能是否受機(jī)械活化的影響以及影響程度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其可以用作補(bǔ)充膠凝材料； WANG等[27]研究發(fā)現(xiàn)可用金礦石尾礦作為生產(chǎn)水泥的硅質(zhì)原料；楊建[28]以釩尾礦作為主要原料，再輔以礦渣、水泥熟料以及石膏制備了泡沫混凝土。

2.4 制作肥料

磷尾礦中的有用元素很多，如P、Mg、Ca、Si等，因此具有很大的回收價(jià)值，可用于制作肥料。周雪娜等[29]以磷尾礦制備出了鈣鎂磷肥和磷鎂二元復(fù)合肥；郭玉葉等[30]以攀枝花選鈦尾礦以及甘蔗秸稈為原料，經(jīng)微生物發(fā)酵，制備出了有機(jī)肥料；鄭建國等[31]以磷酸作為萃取活化劑，將磷尾礦中的有用元素(鈣、鎂、磷等)萃取并且活化，再將料漿煅燒、干燥，使磷發(fā)生聚合反應(yīng)，最終得到了聚合態(tài)鈣鎂磷肥；秦琴等[32]以磷尾礦為主要原料，以富含蛋白質(zhì)、纖維素和多種微量元素的醬香型白酒糟為輔料，研究了堆肥發(fā)酵過程中磷尾礦用量、細(xì)菌接種量和菌種配比對有效磷含量的影響，得出了生物肥發(fā)酵的最佳條件；葉怡然等[33]以磷尾礦作為原料，將生物炭、木醋液、麥麩、解磷細(xì)菌和鋸末等與其混合，成功制備出了有機(jī)肥，研究發(fā)現(xiàn)，該有機(jī)肥不僅可提高土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤的結(jié)構(gòu)以及通透性，還可以有效提高土壤的保水以及保肥能力；張宇婕[34]以磷礦浮選尾礦和鈦白廢酸作為原料，生產(chǎn)出了硫酸亞鐵鎂復(fù)合肥料；TAN等[35]將溫石棉尾礦(CAT)與磷酸鹽[NH4H2PO4、(NH4)2HPO4、KH2PO4和 CaHPO4])通過一步研磨轉(zhuǎn)化為鳥糞石和硅酸鹽，可作為檸檬酸可溶性肥料(CASF)的全元素利用。

2.5 圍池造田

圍池造田就是將河灘荒地變成可耕地。在某些干旱地區(qū)，比如華北、西北等地存在很多半間歇河以及間歇河，河道兩邊的河灘分布著許多大小形狀不一的河卵石，無法作為耕地。圍池造田技術(shù)可以解決上述問題，具體做法為：在河灘表面用石頭壘一圈圍壩，高約3.5～5.0 m，每一個(gè)圍池的面積約2.67 hm2；將尾礦直接排入圍池中壓覆河卵石，留出一定高度，在尾礦表面覆蓋約25 cm的可耕土，如此便完成了圍池造田。目前，該技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用并已取得了較好的效果。

3 礦山尾礦固廢處置建議

我國的尾礦處理技術(shù)尚不成熟，還沒有充分挖掘出尾礦的潛在價(jià)值，尾礦的有效處理成了一個(gè)難題。尤其是在當(dāng)前的“雙碳”背景下，如何合理有效地處置尾礦固廢，關(guān)系到礦山行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展和民生福祉。

未來應(yīng)處理好科技進(jìn)步與綠色發(fā)展的關(guān)系，不僅要考慮到資源的安全高效利用，還要契合“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。就國家層面來看，還需要完善相關(guān)政策，如尾礦庫的準(zhǔn)入和退出機(jī)制、尾礦資源綜合利用評價(jià)機(jī)制等。要解決尾礦資源利用這個(gè)難題，不僅需要礦山企業(yè)做好技術(shù)攻關(guān)和資金投入，也需要相關(guān)法規(guī)的上層管控。具體建議如下：

a.鼓勵企業(yè)開展技術(shù)攻關(guān)和技術(shù)改造，不斷優(yōu)化工藝流程，進(jìn)一步開發(fā)高效環(huán)保新型藥劑；落實(shí)優(yōu)惠政策如減免資源稅等，引導(dǎo)社會資金投入礦山尾礦資源的開發(fā)與利用研究。

b.將中央下?lián)艿呢?cái)政資金分配到位，并確保有效使用，以大型企業(yè)的尾礦利用工程作為示范點(diǎn)，試行一批新工藝、新裝備、新藥劑，集中力量解決尾礦固廢處置問題，并逐步推廣應(yīng)用。

c.研究并制定《礦山尾礦綜合利用條例》，對與尾礦資源利用相關(guān)的部門進(jìn)行分類并細(xì)化，將管理責(zé)任具體落實(shí)到各個(gè)部門。

d.尾礦綜合利用研究涉及的專業(yè)較多，嘗試引入交叉學(xué)科的理論和技術(shù)，在不斷探索中逐步優(yōu)化。由工信部和科技部設(shè)立專題科研項(xiàng)目，組織技術(shù)和裝備的研發(fā)。

e.設(shè)計(jì)建設(shè)一個(gè)市級尾礦資源利用大數(shù)據(jù)平臺，其作用是利用地面勘測以及遙感衛(wèi)星等手段，確定尾礦庫的具體位置以及現(xiàn)有規(guī)模；對提取的尾礦庫樣品進(jìn)行測試分析，包括密度、化學(xué)成分、放射性、粒度、礦物成分、黏度、熱膨脹系數(shù)以及其他性能指標(biāo)，并將其導(dǎo)入該平臺；綜合尾礦資源相關(guān)信息，使用數(shù)字建模以及云計(jì)算等大數(shù)據(jù)分析方法對各類尾礦資源的應(yīng)用前景進(jìn)行精準(zhǔn)分析和預(yù)測。

f.積極組織和參加尾礦綜合利用方面的國際會議，加強(qiáng)國際合作與交流，吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)語

在綠色高質(zhì)量發(fā)展的新要求下，尾礦資源綜合利用勢在必行。目前對尾礦的處置方式主要有資源回收利用、回填礦山采空區(qū)、制作肥料、作為建筑材料的原料以及圍池造田等。上述方式不但使尾礦固廢得到了有效利用，推動了新材料、新工藝以及新技術(shù)的發(fā)展，還解決了環(huán)境污染問題，也在一定程度上促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。我國礦山企業(yè)應(yīng)承擔(dān)起尾礦資源利用的主體責(zé)任，從源頭上消減固廢量，為推進(jìn)我國綠色礦山建設(shè)作出努力。