林锦， 陈云嫩， 陆柳鲜， 刘俊， 王俊峰， 邱廷省

（江西理工大学，江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西 赣州341000)

随着科技的发展和社会的进步，人类对矿产资源的需求量迅速增加[1]。2020年我国铜精矿产量达167.32万t，铜矿资源的大量开采带来显著经济效益的同时也导致了一系列的资源环境问题，铜尾矿排放量愈来愈多[2]。我国目前对铜尾矿的资源化利用非常不足，大量的铜尾矿堆存在尾矿坝里，不仅浪费大量矿产资源、占用有发展潜力的土地，还破坏了周围环境以及人体健康[3-4]，需要严格控制铜尾矿的保存，否则会产生巨大的环境风险[5]。近年来，铜尾矿作为二次资源越来越受到人们的关注[6]。Jamshid Esmeaili等研究评估了铜尾矿作为水泥复合替代材料的再利用潜力，得出铜尾矿在水泥复合材料中对环境以及原料的可持续性效益是巨大的[7]；裘国华利用铜尾矿代替黏土制备水泥熟料，并对制造的水泥熟料的性能进行了分析[8]；黄晓燕等采用铜尾矿制备蒸压加气混凝土以减少煅烧石灰带来的CO2排放[9]；张宏泉探讨了铜尾矿作为泡沫微晶保温材料的可行性[10]。

国家为贯彻“生态文明建设”新发展理念，坚决打赢打好污染防治攻坚战的战略部署，于2020年新修订了《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》[11]，把可持续发展提升到绿色发展的高度。江西省的钨矿与铜矿的储量非常丰富，据统计，截至2017年，我国已探明的铜矿资源储量为10 607.75万t，江西省储量为1 174.08万t，占全国总量的11.7%[12]，江西省钨矿和铜矿的分布特点形成了“南钨北铜”特色的矿产工业体系[13]。工业发展使人们对铜的需求越来越大，致使铜尾矿堆积。铜尾矿堆积阻碍江西发展生态文明建设进程，对于铜矿资源是一种严重的浪费[14]。因此，为了减少铜尾矿堆积对周遭环境的影响，加快江西生态文明建设的进程，开展铜尾矿资源化利用的相关研究很有必要。

对于铜尾矿资源化的相关研究，需详尽地了解铜尾矿资源化过程对环境的影响，继而从源头上优化生产方案，以提高对二次资源铜尾矿的利用效率。作为评价生产系统对环境影响的有效方法：生命周期评价(life cycle assessment，LCA)是面向产品全过程的环境管理评价系统[15-16]。为对比铜尾矿利用过程产生的环境影响差异，本研究选取1种铜尾矿堆存方法以及3种铜尾矿资源化处理方法分别构建LCA模型，评估铜尾矿堆存以及3种铜尾矿资源化利用方法的环境效益，从而为铜尾矿的高附加值利用提供科学依据[17]。

1 铜尾矿资源化的生命周期影响评价

1.1 系统边界

以铜尾矿作为研究对象，借助eFootprint软件量化铜尾矿堆存以及3种铜尾矿资源化方案产生的环境影响并进行分析[18]。

1）方案1：铜尾矿的常规堆存处理；

2）方案2：以PO42.5型水泥熟料为研究对象，水泥熟料三率值计算公式如下：

a）石灰饱和系数（KH）计算公式：

在式（1）中：w（CaO）、w（Al2O3）、w（Fe2O3）以及w（SiO2）分别为相应氧化物的质量百分数，KH的范围是：0.82~0.94。

b）硅率（SM）计算公式

在式（2）中：w（SiO2）、w（Al2O3）和w（Fe2O3）分别为相应氧化物的质量百分数，SM的范围是：1.7~2.7。

c）铝率（IM）计算公式：

在式（3）中：w（Al2O3）和w（Fe2O3）分别为相应氧化物的质量百分数，IM的范围是：0.8~1.7。

将相对应的数据代入式（1）、式（2）、式（3）中进行计算，得到方案2中水泥熟料三率值为：KH=0.92，SM=2.6，IM=1.4，换算后得到铜尾矿可代替水泥熟料生产中0.88份的黏土；

3）方案3：计算得铜尾矿蒸压加气混凝土原料钙硅比（w（Ca）/w（Si））=0.56，在合适的范围内[19]。在合适的钙硅比范围内得出方案3铜尾矿磨碎后可代替蒸压加气混凝土生产中35%的砂和10%的水泥；

4）方案4：用铜尾矿磨碎后代替泡沫微晶玻璃中的硅质材料[20]。

研究范围为铜尾矿堆存处理或铜尾矿资源化利用的全过程，所有数据均采用实际生产数据，来源于2019年江西省某些生产铜尾矿资源化产品的企业。从产品生命周期角度出发，功能单位为1 t的铜尾矿，铜尾矿堆存处理及铜尾矿资源化利用的系统边界图如图1所示。铜尾矿资源化利用系统以生产铜尾矿资源化产品为终点，除铜尾矿及其替换原料的厂内货车运输过程，其他原材料的运输不在系统的边界内，且不再考虑铜尾矿资源化利用产品在生产结束后会产生的环境影响[21-22]。

图1 系统边界的确定Fig.1 Determination of system boundary

1.2 清单数据

清单数据分析（life cycle inventory，LCI）对产品、工艺或活动在研究边界内输入输出的物质进行分析，分析的结果通常以数据清单表格的形式呈现[23－24]。生命周期清单中使用的数据主要来自于企业实地调研以及eFootprint软件数据库，部分数据借鉴相关文献的评估和计算[25－26]。

铜尾矿堆存以1 t铜尾矿为功能单位，其清单数据如表1所列，取自2019年江西省某地铜尾矿现场检测的实际数据。研究边界的范围是铜尾矿进入尾矿库到尾矿废水排入废水池。铜尾矿资源化方法以1 t铜尾矿为功能单位，对3种铜尾矿资源化方案全过程的消耗和排放情况进行统计记录，记录结果如表2所列，其中运输数据上游数据来源均来自eFootprint软件的CLCD数据库。

表1 铜尾矿堆存过程清单数据Table 1 List data of copper tailings stacking

表2 3种铜尾矿资源化方法的生命周期清单Table 2 Life cycle inventory of three tailings recycling methods

表2（续） 3种铜尾矿资源化方法的生命周期清单Table 2（continued） Life cycle inventory of three tailings recycling methods

运输中铜尾矿和所替换原料需要用货车运输，而铁粉、石灰石、煤粉等原材料运输由厂外承担，不在系统范围内，3种铜尾矿资源化生产过程运输信息如表3所列，其中运输数据上游数据来源均来自eFootprint软件的CLCD数据库。

表3 3种铜尾矿资源化生产过程运输信息Table 3 Transportation information table of three resource production processes

2 结果分析

2.1 环境影响评价结果

在方案1中，主要选择生态毒性（Ecological Toxicity）和人体毒性（Human Toxicity）这2种环境影响类型指标进行评价，其环境影响生命周期评价结果如表4所列。

表4 铜尾矿堆存的环境影响生命周期评价结果Table 4 Results of LCA of environmental impact of copper tailings

由表4可以得到，1t的铜尾矿堆存于环境中会产生较大的ET及HT，造成这些影响的主要原因是该铜尾矿中含有重金属离子，会污染水环境以及土壤环境，对周遭环境以及生活在其附近的人类造成一定毒害。

根据3种铜尾矿资源化生产过程的资源消耗以及污染排放特点，选择与铜尾矿资源化过程关系密切的10种环境影响类型指标来进行评价，其中能源消耗（PED）、非生物资源消耗（ADP）、水资源消耗（WU）、全球变暖潜值（GWP）、生态毒性（ET）、人体毒性（HT）较有代表性[27]。

将表2数据输入eFootprint软件，可以得到3种铜尾矿资源化过程的环境影响类型指标结果，其中正值代表的是产生的环境影响，负值代表的是产生的环境效益[28]。表5是3种铜尾矿资源化方案的环境影响类型指标结果。

表5 3种铜尾矿资源化环境影响类型结果Table 5 Results of three environmental impact types of copper tailings resource utilization

从表5可以看出，3个方案的10种环境影响类型的环境影响均为负值，3种铜尾矿资源化方案均产生环境效益。

在方案2中PED降低幅度最高，达到10.25%。降幅的主要原因是在水泥熟料生产中铜尾矿代替黏土减少ADP的消耗，且铜尾矿本身颗粒较细，降低了磨碎过程对电力资源的消耗以及煅烧过程中燃料的消耗。

方案3中因为铜尾矿替代了砂和水泥，降低了ADP的消耗量，且因为铜尾矿颗粒比较细，比表面积较大，因此减少了磨碎过程电力的消耗以及蒸压过程蒸汽的使用量。减少的消耗和使用量使得各类环境影响类型值均有不同程度的降低。在各类环境影响类型值中降低幅度最大的是GWP，降低了19.51%，原因是铜尾矿的替代减少了蒸压加气混凝土生产中砂和水泥会产生大量的温室气体[29]。

方案4中因为铜尾矿替代石英砂和铝土矿，减少了ADP的消耗量，并且铜尾矿颗粒较细，可以降低磨碎过程对电力资源的消耗和煅烧过程中对燃料的消耗量，故各环境影响类型值均减少。WU降低70.35%的原因是铜尾矿替代石英砂减少了传统泡沫微晶保温材料的生产过程中石英砂消耗大量的水资源。

2.2 生态环境影响结果

铜尾矿堆存过程对生态环境的主要影响类型指标为ET和HT。故在方案2中将铜尾矿堆存和黏土，在方案3中将铜尾矿堆存、砂、水泥，方案4中将铜尾矿堆存、石英砂、铝土矿对ET和HT的生态环境影响LCA结果进行对比，比较结果如图2、图3和图4所示。

图2 黏土和铜尾矿对生态环境影响的LCA结果Fig.2 LCA results of ecological environment impact of clay and copper tailings

图3 铜尾矿、砂和水泥生态环境影响LCA结果Fig.3 LCA results of environmental impact of copper tailings,sand and cement

图4 铜尾矿、石英砂和铝土矿对生态环境影响的LCA结果Fig.4 LCA results of environmental impact of copper tailings,quartz sand and bauxite

由图2可以看出来，黏土的开采与使用对ET有着比较大的影响，对HT的影响比较小。与被替换方案的生产过程相比，ET和HT的值均有不同程度的减少，且铜尾矿在水泥熟料生产中代替黏土，既避免了铜尾矿堆存产生的ET、HT，既不占用土地也减少了对周围环境的影响。

由图3可知，在蒸压加气混凝土中砂和水泥的使用对ET有着比较大的影响。与被替换的生产过程相比，方案3的ET和HT值有不同程度的减少，其中ET减少54.5%，HT减少5.6%。铜尾矿代替蒸压加气混凝土的生产中35%的砂和10%的水泥，不仅避免了铜尾矿堆存可能产生的ET、HT，也减少了对周遭环境的影响。

由图4可知，在泡沫微晶玻璃材料的生产中，石英砂和铝土矿的使用对于ET的影响比较大。同时与被替换的生产过程相比，ET和HT有不同程度的减少，其中HT减少了29.3%，HT减少了25.85%。铜尾矿代替泡沫微晶保温材料生产的硅质材料，既避免了铜尾矿堆存于尾矿坝可能产生的ET、HT，也减少了对周遭环境的影响。

3 讨 论

1）方案2中造成的主要环境影响类型为PED>WU>GWP，在水泥熟料的生产阶段中，煤粉制备过程对PED值的贡献最大，铁粉制备和自来水过程对WU值的贡献较大，熟料煅烧阶段对GWP值的贡献最大。所以可以选择生态环境影响较小的绿色生产物料减少PED和WU的影响，提高熟料煅烧阶段的热利用效率来减少PED和GWP的影响，以及提高生产用水的循环利用率来减少WU的影响。

2）方案3中造成的主要环境影响类型为PED>WU>GWP，在蒸压加气混凝土生产阶段中蒸压养护过程对资源环境的影响最大。为减少蒸压养护过程对环境的影响，可以提高燃料的利用效率、利用清洁的循环水作为蒸汽的来源以及采用生态环境影响较小的绿色生产物料。

3）方案4中造成的主要环境影响类型为WU>PED>GWP，在泡沫微晶玻璃保温材料生产中硼砂的上游生产过程对资源环境的影响最大。为实现泡沫微晶保温材料的清洁生产，可以采用合适的生态环境影响较小的绿色生产物料、提高烧结发泡过程中燃料的利用效率以及提高生产用水的循环利用率。

通过整理大量的资料可知，刚兴起的尾矿资源化有着广阔的发展前景，但是国内研究学者对铜尾矿资源化利用的研究相对来说比较少。本文通过eFootprint软件分析得到铜尾矿资源化过程对自然资源和生态环境的影响程度，希望为国内铜尾矿资源化利用技术的发展提供科学的数据支持和合理化建议。但是此方法有许多不足，考虑的范围不够全面，尾矿利用仍需根据相对应的情况来选择合适的资源方案。

4 结 论

将铜尾矿资源化利用于生产水泥熟料、蒸压加气混凝土和泡沫微晶保温材料的3种方案利用eFootprint软件对整个生产过程进行生命周期评价，通过量化资源化过程输入输出，分析生产过程中环境影响指标值，确定生产过程中对生态环境影响最严重的阶段和环境类别，得出相应的减少环境影响的方法。此方法便于环境管理者来提高铜尾矿利用的效率，只有对铜尾矿资源化过程进行深入的研究，明确资源化过程的资源、能源以及环境排放量情况，才能通过优化机构以及升级技术对铜尾矿资源化过程达到较优的环境效益。