顾 芗

（世纪万安科技（北京）有限公司）

铁矿石是重要的矿产资源，在现代经济中占有重要地位。其中，澳大利亚、巴西和中国的铁矿石开采量位于世界前列。铁矿分选的特点是尾矿量大，每分选1 t原矿，会产生40%的尾矿［1］，这个比例导致了关于废物处理的环境问题。尾矿作为矿物分选后的废弃物，目前年排放量占工业固态废弃物的30%～40%。根据《中国工业固体废物综合利用2018—2019 年发展报告》，2018 年底我国矿山尾矿总量达12.11 亿t，其中包括铁尾矿、铜尾矿、金尾矿、其他有色金属和非金属尾矿［2］，累计质量超过600 亿t，总占地11 000 km2。其中，铁尾矿仅2018年产量就达到4.75 亿t，占尾矿总量的约40%。除了中国，铁尾矿库在世界其他国家也大量存在。尾矿库大多是露天存放，对土壤、环境、空气和人类健康都有负面影响［3］。

1 尾矿对环境的危害

铁尾矿在工业废料中占比很高，如图1 所示［2］，通常有铁、镁、钙、铬、镍、铅、镉等有害金属元素。除此之外，浮游选矿时通常添加大量的捕收剂、起泡剂和抑制剂等众多浮选药剂，矿浆中的剩余药剂会随着尾矿一起排出［4］，且经过破碎研磨后的尾矿颗粒非常细，漂浮到空气中会造成空气、水污染等环境问题［5］。

尾矿进入土壤中，会带来严重的金属污染，对农田等生态系统和人体健康构成严重威胁［6］。重金属进入土壤中不会轻易流失，含量在短期内无法自然降低，这些金属元素可以通过食物链威胁当地居民和动物的健康，同时也直接影响微生物群落。当铁尾矿进入河流时，将导致水中污染物含量增加，尾矿中的有害元素浸入地下造成地下水源污染。铁尾矿中的砷、铬、镍元素会导致pH 值呈酸性，使水中动物、微生物数量减少。此外，尾矿库表面被风干的细粒级尾矿很容易被吹散到空气中，这些颗粒被人吸入后极易产生肺部疾病。细粒尾矿漂落在植被和农作物上堆积也会对其造成破坏。

近年来，为了维持正常的生产运营，矿山企业主要采取新建和扩建地面尾矿库的方式来解决尾矿的处置和排放问题，尾矿库堆存是国内外金属矿山最主要和最常用的处置尾矿的方法。尾矿库的管理需要额外的时间、人力和财力，最为重要的是尾矿坝存在安全隐患，尾矿坝施工不到位、厂区人员安全操作意识低等易出现故障，直接威胁人的生命和财产安全。2015 年巴西马里亚纳尾矿坝坍塌，导致坝下游74 km处，河滨地区1 176.6 hm²的面积被铁尾矿污染，457.6 hm²原始森林也遭到了破坏。2019 年巴西Córrego do Feijão 尾矿坝坍塌致235 人丧生，35 人失踪，财产损失更是无法估量［2，7］。

2 尾矿干排技术

2.1 尾矿干排技术的意义

随着社会发展进步，减少尾矿排放量，促进资源的高效利用，强化废弃物的回收利用，发挥自然资源的内在价值，实现社会、经济和环境的共赢，已成为影响我国矿业可持续发展的关键问题。传统的尾矿库堆存模式在经济、环境和政策上已越来越不适应今后发展的需求。针对传统尾矿处理方式所表现出来的诸多问题，目前针对铁尾矿处理，旋流器+脱水筛+压滤机或过滤机工艺被越来越多的矿山企业采用，这种工艺主要由旋流器和脱水筛组成，一些现场需要完全干排可增加少量压滤机或过滤机，可有效降低尾矿入库量，增加尾矿库使用年限，减少尾矿库维护成本；且设备投资和运行成本较使用压滤机（过滤机）可大幅降低。该工艺适用范围广，操作简单，占地面积小，干排水分低，易堆存，且自动化程度高［8］。尾矿干排工艺见图2。

尾矿干排技术拥有众多优势，首先可有效降低安全隐患。传统尾矿库由于湿式作业库内水含量高，稳定性差，若尾矿库结构材质出现问题或尾矿量超载易发生爆库和坍塌事故，对环境和人们生命安全造成威胁；其次，使用尾矿干排技术可以有效提升尾矿回水率，有效节约了资源，在气候干燥和缺水地区可有效循环使用水资源。另一方面，尾矿干排可以大幅节省尾矿堆放空间，减少尾矿库的维护和运营成本。最重要的是尾矿干排技术可有效减少环境污染，防止有害化学物质和重金属元素进入土壤和水源。该技术的推广对矿山企业的安全稳定运行和地区环境的保护有着重要的意义。

2.2 工业应用案例

首钢矿业水厂铁选厂由于多年作业，尾矿库的累计堆积量即将达到顶点，为了选厂的正常运行，厂区被迫扩建尾矿库［9］。针对水厂尾矿库存在的问题，首钢矿业对尾矿库进行改造，采用14 套尾矿干排系统（φ250 mm×3 旋流器组+2 450 mm 直线筛）代替原尾矿库，从源头上减少了尾矿的排放。尾矿干排系统使尾矿入库量减少了70%，同时企业每年可节约成本6 451.2 万元，有效延长了尾矿库的使用年限，从根本上降低了尾矿库的安全风险，对厂区周围的生态恢复起到了至关重要的作用。

为响应国家政策，加快绿色矿山建设，安徽马钢集团张庄矿业改进了选厂尾矿库，采用全尾矿井下填充模式［10］。采用尾矿干排系统代替原流程，尾矿经干排处理后，直线筛（脱水筛）筛上浓度升至82.27%，比原流程中的浓密机底流浓度高出14.27 个百分点，有效的降低了尾矿含水量。2018 年底，该系统已形成稳固的生产线，经计算，改进后的系统每年综合创效1 560 万元，节约充填空间30万m3。该尾矿干排模式符合绿色环保理念，在节约空间的同时有效提高了企业效益。

攀钢矿业某选厂尾矿量约173 万t/a，2014 年运行生产，原采用尾矿湿排工艺［11］。为了节能减排，响应绿色矿山号召，通过分析铁尾矿性质和粒度组成，设计了尾矿干排系统替代了原尾矿湿排作业。干排系统采用φ350 mm 旋流器组和脱水筛组合，经过稳定运行，该系统处理的尾矿水小于16%，达到了很好的应用效果，干排后的尾矿砂用于平整道路和覆土造田。脱水生产中产生的滤液全部返回选厂，实现了工业水循环利用。该技术在有效避免传统尾矿库安全隐患的同时，取得良好的经济效益。

3 铁尾矿的综合利用

随着我国经济的飞速发展，对于矿产资源的消耗日益增大，如何提高矿产资源的利用率是亟待解决的难题。尾矿综合利用逐渐成为矿山企业和科研院所研究的热门课题。目前关于尾矿的利用主要有3 个方面：①回收利用铁尾矿中的稀有元素；②对铁尾矿进行二次加工，使之成为具有高附加值的建筑材料；③使用铁尾矿生产砂石骨料，代替原建筑材料河砂［12］。

3.1 利用铁尾矿生产胶凝材料

胶凝材料是指将塑料膏状物通过物理化学的方式转化为石质体，并将其他材料黏合成一个整体，同时具有一定的机械强度的材料。胶凝材料可分为有机胶凝和无机胶凝两大类。常用的无机胶凝材料有水泥、石膏和石灰。由于铁尾矿的化学特性，研究人员多次尝试利用铁尾矿生产水泥胶凝材料，如硅酸盐水泥熟料、复合水泥和地聚合物。目前，美国波特兰已成功利用铁尾矿制成水泥熟料、复合水泥和地质聚合物。

3.2 利用铁矿尾矿制砖

黏土和页岩是传统的制砖原料，可在900～1 000 ℃的高温窑中烧制而成。在建筑行业，通常需要消耗大量黏土制砖，预计未来几十年国内对砖的需求量将继续上升。由于我国经济的快速发展，目前生产传统黏土砖的原料日益消耗，为了实现环保和可持续发展的目标，众多学者在利用固体废料制砖方面进行了大量研究。在铁尾矿制砖领域，已经取得了较大的进展。北京科技大学以铁尾矿为原料，采用碱活化渣、粉煤灰和熟料粉尘作为胶凝材料，使用高压灭菌工艺制备了抗压强度为15 MPa 的承重砖。该承重砖中铁尾矿含量超过80%。目前，研究人员已经研究了多种以铁尾矿为原料的耐火砖、免烧砖、蒸压砖、透水砖、保温多孔砖等。使用铁尾矿代替传统材料制砖，不仅节省了尾矿的处置成本，还降低了砖的生产成本。从经济上讲，铁尾矿制砖比传统黏土砖和水泥砖具有明显的经济效益。

3.3 利用铁矿尾矿制砂石混凝土

混凝土是最常用的建筑材料之一，年产量约44亿t，根据文献［2］报道，到2050 年，混凝土产量预计超过55 亿t。近年来，随着中国对基础设施领域的投资不断增加，建筑行业对混凝土的需求显著增大，加上不合理的开采，导致砂石和其他一些自然资源逐渐枯竭。此外，随着工业废物的产生量急剧增加，对环境构成了严重威胁。铁尾矿中的主要硅酸盐矿物为石英和长石，且其基本矿物组成与天然砂相似。因此，考虑在混凝土生产中使用铁尾矿是一项具有重要意义的研究。铁尾矿制砂不但能减少环境污染，而且可提高环境的可持续性。目前，铁尾矿制砂在唐山、马鞍山等部分地区有小规模工业应用，但未大规模推广。在今后的研究中，矿山企业和科研人员将会继续探究推广，并重点关注铁尾矿使用的长期性和耐磨性［13］。

4 结 语

随着有限矿产资源被不断开发利用，最大限度地节约资源已成为当今工矿企业的首要任务，特别是对尾矿的综合回收更是研究的重点。尾矿干排系统工艺解决了尾矿处置和排放存在的生态和环保问题，达到了国内领先水平，大幅提高了企业的社会效益和经济效益，在矿山领域具有广泛的推广价值。在尾矿的综合利用方面，虽然有了一定的进展，但国内大多还停留在实验室阶段，在工业应用中还存在一定的局限性。在今后的研究中，铁尾矿资源的最大利用率仍旧是各行业关注的焦点，并在“以废治废”的大背景下不断发展。