陳志量, 郗鳳明, 尹 巖, 王嬌月, 邴龍飛, 胡琴琴

(1.中科沈陽產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院有限公司，遼寧 沈陽 110027；2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016；3.沈陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)管委會(huì)，遼寧 沈陽 110027)

0 引言

尾礦資源化利用是推動(dòng)我國礦業(yè)綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展的基本途徑[1]。隨著我國供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的不斷深入，礦山企業(yè)兼并重組的集中度不斷提升，尾礦資源高效綜合利用已成為礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。我國各類金屬尾礦貯存總量高達(dá)60.0億t，且還在以3.0億t的年均增長(zhǎng)速率不斷增加[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年金屬尾礦總產(chǎn)生量約為12.7億t，占大宗工業(yè)固廢總排放量的34.4%；金屬尾礦以鐵尾礦和銅尾礦為主，分別占尾礦總產(chǎn)生量的40.9%和25.6%[1,3]。堆存的金屬尾礦不僅占用了大量的土地資源，還會(huì)產(chǎn)生安全隱患和環(huán)境污染等問題。因此，以無尾礦或少尾礦產(chǎn)出為目標(biāo)的尾礦資源化利用是推動(dòng)我國礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

2019年，我國尾礦綜合利用率為32.5%，與其他工業(yè)固廢綜合利用率(例如，粉煤灰74.9%、煤矸石53.7%，冶煉廢渣88.7%)相比，差距較大[2-3]。我國鐵尾礦產(chǎn)出率高達(dá)70.0%[4]，2019年我國鐵尾礦產(chǎn)量達(dá)5.2億t[1]。目前，鐵尾礦的綜合利用途徑主要為有價(jià)元素回收、填料化(用于礦山采空區(qū)充填)、原料化(用作建筑材料原料)、基料化(用作修筑公路基料)和肥料化(用作肥料和土壤改良劑)[1,3,5-6]。

鞍山鐵礦屬于沉積變質(zhì)鐵礦石，原礦品位約30.0%，精礦品位為63.0%～65.0%，回收率較低，僅為60.0%～80.0%，這是鞍山鐵尾礦堆存的重要原因之一[4]。在鐵尾礦有價(jià)元素回收過程中，存在僅對(duì)價(jià)值較高、成本相對(duì)較低的有價(jià)金屬進(jìn)行回收的現(xiàn)象，造成了固體廢棄物的二次污染，沒有從根本上解決尾礦堆存問題[6]。在鐵尾礦原料化和基料化利用過程中，存在成本高、用量小、與市場(chǎng)同類產(chǎn)品相比競(jìng)爭(zhēng)力差的問題，這也是鞍山鐵尾礦大量堆存、利用率低的重要原因[4,6-7]。

鞍山鐵尾礦含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等多種礦物成分[1,3]，屬于高硅尾礦[8]，尾礦中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)75.9%，TFe、Al2O3、CaO、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為11.7%、0.7%、1.8%和1.5%[9]，此外還含有MnO、P等成分。鐵尾礦中富含作物所需的Si、Mn、Fe、P等(中)微量元素，可作為(中)微量元素肥料，提高作物產(chǎn)量；鐵尾礦中的硅酸鹽礦物可用作土壤改良劑，固化和穩(wěn)定土壤中的重金屬元素；同時(shí)，鐵尾礦因其特有的理化性質(zhì)，用作土壤改良劑時(shí)可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤透氣透水性，因此，鐵尾礦常用于鹽堿地改良[3,9]。鐵尾礦肥料化工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，具有成本低、用量穩(wěn)定、適銷對(duì)路等特點(diǎn)，因此，尾礦肥料化利用將成為鞍山鐵尾礦資源化利用的重要途徑之一。本文以鞍山鐵尾礦為研究對(duì)象，根據(jù)(中)微量元素肥料和土壤改良劑需求科學(xué)估算尾礦肥料化利用潛力，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為我國鐵尾礦的資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 鐵尾礦基本特性

鐵尾礦是經(jīng)兩段磨礦和選礦后的剩余物，是由“粗細(xì)分選、重-磁-浮聯(lián)合”和“單一磁選-細(xì)篩再磨”兩種工藝流程選別后產(chǎn)生的[10]，具有粒徑小、泥化度高等特點(diǎn)。鞍山鐵尾礦以赤鐵礦、磁鐵礦等為主，屬于高硅型尾礦，主要成分以硅、鋁、鐵、鈣、鎂的氧化物為主，并伴有少量的磷、錳等元素。主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 鞍山鐵尾礦主要化學(xué)成分

1.2 研究方法

1.2.1 鐵尾礦資源化利用方向與潛力估算

本研究基于鐵尾礦的基本特性，確定鐵尾礦資源化利用方向?yàn)楣璺驶望}堿地土壤改良劑化兩種途徑。因此，對(duì)鐵尾礦利用潛力估算包括鐵尾礦硅肥化潛力和鐵尾礦土壤改良劑化潛力?；谒痉N植面積和鹽堿地治堿面積估算硅肥需求量和鹽堿地土壤改良劑需求量，從而估算鐵尾礦利用潛力。鐵尾礦硅肥化和土壤改良劑化潛力估算方法為

Pm=Dsf÷Cm，

Dsf=Sc×Qm，

Ps=Da×Cs，

Da=Ss×Qs，

式中，Pm表示鐵尾礦硅肥化潛力，Dsf表示硅肥需求量，Sc表示水稻種植面積[14]，Qm表示水稻對(duì)SiO2的需求量[15]，Cm表示鐵尾礦中SiO2含量，Ps表示鐵尾礦土壤改良劑化潛力，Da表示鹽堿地土壤改良劑需求量，Ss表示鹽堿地治堿面積[16]，Qs表示單位面積鹽堿地土壤改良劑用量[17]，Cs表示土壤改良劑中鐵尾礦用量[17]。

1.2.2 鐵尾礦資源化利用效益評(píng)估

對(duì)鐵尾礦資源化利用的效益評(píng)估主要從經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益兩方面展開。經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估主要包括基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備及原輔材料等的投入成本，硅肥、土壤改良劑的生產(chǎn)效益，鹽堿地改良后作物增產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益三個(gè)方面。生態(tài)環(huán)境效益評(píng)估主要包括利用鐵尾礦制備硅肥和土壤改良劑過程中減少鐵尾礦原料的運(yùn)輸和粉碎環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放，以及因硅肥、土壤改良劑施用后對(duì)土壤質(zhì)量提升和土地生態(tài)環(huán)境改善帶來的地價(jià)增長(zhǎng)效益。

主要的效益評(píng)估參數(shù)分別如表2、表3所示。

表2 鐵尾礦資源化利用經(jīng)濟(jì)效益估算

表3 鐵尾礦資源化利用生態(tài)環(huán)境效益估算

2 結(jié)果分析與討論

2.1 鐵尾礦硅肥利用潛力與效益

鞍山鐵尾礦屬于高硅型尾礦，故鐵尾礦的肥料化利用方式主要是制備硅肥。由于我國水稻屬于典型的喜硅型作物，本研究主要基于水稻種植面積[14]和水稻對(duì)SiO2的需求量[15]來估算硅肥需求量，從而估算鐵尾礦硅肥化利用潛力。我國水稻作物的硅肥需求量為534.5萬t，鐵尾礦用于制備硅肥的潛力達(dá)729.6萬t。我國鐵尾礦硅肥化潛力主要分布在我國南部和東北部?？紤]到鞍山地理位置和鐵尾礦硅肥后續(xù)銷售的運(yùn)輸成本，主要針對(duì)我國東北地區(qū)為研究對(duì)象來分析鞍山鐵尾礦硅肥化利用潛力。東北三省鐵尾礦硅肥化利用潛力達(dá)126.9萬t，其中以黑龍江為主，鐵尾礦硅肥化潛力達(dá)93.7萬t，占東北三省鐵尾礦硅肥化潛力的73.9%，其次是吉林和遼寧，鐵尾礦硅肥化潛力分別為20.7萬t和12.5萬t。

考慮到鐵尾礦硅肥銷售運(yùn)輸成本，本研究?jī)H針對(duì)遼寧、吉林和黑龍江的鐵尾礦硅肥利用的效益進(jìn)行分析。效益分析內(nèi)容主要分為經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益(見表4)。由表4可知：東北三省鐵尾礦硅肥經(jīng)濟(jì)效益達(dá)11.5億元，其中以黑龍江為主，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)8.5億元，主要是因?yàn)楹邶埥痉N植面積最大，對(duì)硅肥的需求量也最高；其次為吉林和遼寧，經(jīng)濟(jì)效益分別為1.9億元和1.1億元。分析鐵尾礦硅肥化利用經(jīng)濟(jì)效益時(shí)發(fā)現(xiàn)，每噸鐵尾礦產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益約為907.0元。不利用鐵尾礦制備硅肥的投入成本估算約為270.0元/t硅肥，而利用鐵尾礦制備硅肥的投入成本估算約為162.0元/t硅肥。利用鐵尾礦制備硅肥比不利用鐵尾礦制備硅肥的投入成本低了40.0%，主要因?yàn)楣璺手苽湓现械牡V物質(zhì)成分需要采礦、研磨等工序，而利用鐵尾礦節(jié)約了這些工序的原料、能源、設(shè)備折舊、人工、運(yùn)輸?shù)瘸杀尽?/p>

表4 鞍山鐵尾礦硅肥化利用效益分析 單位：萬元

由表4還可知，東北三省鐵尾礦硅肥生態(tài)環(huán)境效益達(dá)300.3萬元，其中黑龍江221.9萬元，吉林48.9萬元，遼寧29.5萬元。分析鐵尾礦硅肥化利用生態(tài)環(huán)境效益時(shí)發(fā)現(xiàn)，每噸鐵尾礦產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益約為2.4元。與不利用鐵尾礦制備硅肥模式相比，利用鐵尾礦制備硅肥在礦物原料開采、研磨等工序降低了碳排放量，因此具有碳減排效益。數(shù)據(jù)顯示，每萬噸鐵尾礦制備硅肥的碳減排量約為1 904.8噸CO2，產(chǎn)生的碳減排效益為2.3萬元。

2.2 鐵尾礦鹽堿地改良潛力與效益

鹽堿地的特征是土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性較差，一方面影響土壤結(jié)構(gòu)性狀，土壤透氣透水性差，導(dǎo)致鹽分表聚，另一方面影響土壤離子交換能力，導(dǎo)致土壤堿化。鐵尾礦中含有的鐵、鋁、鈣、鎂、錳等是重要的團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)，其在促進(jìn)團(tuán)聚體形成的過程中，不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，還可以置換土壤膠體上的鈉離子，使土壤鹽分下移。此外，鐵尾礦中富含的硅氧化物是重要的抗逆物質(zhì)，可提高作物的抗鹽堿能力。本文對(duì)鐵尾礦制備鹽堿地土壤改良劑的研究主要基于我國各省份的治堿面積來估算鐵尾礦土壤改良劑化利用潛力。

我國鹽堿地治堿面積達(dá)603.2萬hm2[16]，根據(jù)單位面積鹽堿地土壤改良劑用量和土壤改良劑中鐵尾礦用量[17]，估算土壤改良劑的需求量達(dá)814.3萬t，鐵尾礦用于制備土壤改良劑的潛力約為277.9萬t。我國鐵尾礦土壤改良劑化潛力主要分布在北部地區(qū)?？紤]到鞍山地理位置和鐵尾礦土壤改良劑后續(xù)銷售的運(yùn)輸成本，主要針對(duì)黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古為研究對(duì)象來分析鞍山鐵尾礦土壤改良劑化利用潛力。四省鐵尾礦土壤改良劑化利用潛力達(dá)43.5萬t，其中內(nèi)蒙古和遼寧鐵尾礦土壤改良劑化利用潛力均為14.1萬t，黑龍江和吉林鐵尾礦土壤改良劑化利用潛力分別為9.1萬t和6.3萬t。

效益分析內(nèi)容主要有經(jīng)濟(jì)效益分析和生態(tài)環(huán)境效益分析(見表5)。由表5可知：四省鐵尾礦土壤改良劑經(jīng)濟(jì)效益達(dá)15.8億元，其中以遼寧和內(nèi)蒙古為主，經(jīng)濟(jì)效益均達(dá)5.1億元，主要是因?yàn)檫|寧和內(nèi)蒙古治堿面積相對(duì)較大，對(duì)土壤改良劑的需求量也較高；其次為黑龍江和吉林，經(jīng)濟(jì)效益分別為3.3億元和2.3億元。分析鐵尾礦土壤改良劑化利用經(jīng)濟(jì)效益時(shí)發(fā)現(xiàn)，每噸鐵尾礦產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益約為3 627.8元。與鐵尾礦制備硅肥相似，利用鐵尾礦制備土壤改良劑大大縮減了原料、能源、設(shè)備折舊、人工、運(yùn)輸?shù)瘸杀尽?/p>

表5 鞍山鐵尾礦鹽堿地改良利用效益分析 單位：萬元

由表5還可知，四省鐵尾礦土壤改良劑生態(tài)環(huán)境效益達(dá)30.9億元，其中遼寧和內(nèi)蒙古均為10.0億元，黑龍江6.4億元，吉林4.5億元。分析鐵尾礦土壤改良劑化利用生態(tài)環(huán)境效益時(shí)發(fā)現(xiàn)，每噸鐵尾礦產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益約為7 084.5元，大大高于鐵尾礦硅肥化利用的生態(tài)環(huán)境效益，這主要是因?yàn)楣浪汨F尾礦土壤改良劑化利用生態(tài)環(huán)境效益時(shí)，將土壤改良劑改善土壤理化性狀，從而帶來的作物增產(chǎn)價(jià)值納入到了估算體系中。此外，與不利用鐵尾礦制備土壤改良劑模式相比，利用鐵尾礦制備土壤改良劑在礦物原料開采、研磨等工序降低了碳排放量，因此具有碳減排效益。數(shù)據(jù)顯示，每萬噸鐵尾礦制備土壤改良劑的碳減排量約為7 619.0噸CO2，產(chǎn)生的碳減排效益為9.1萬元。

3 結(jié)論

我國鐵尾礦用于制備硅肥的潛力達(dá)729.6萬t，用于制備土壤改良劑的潛力約為277.9萬t。鞍山鐵尾礦資源化利用經(jīng)濟(jì)效益為27.3億元，其中：鐵尾礦硅肥在東北三省的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)11.5億元，鐵尾礦土壤改良劑在北方四省的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)15.8億元。每噸鐵尾礦制備硅肥和土壤改良劑產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益分別為907.0元和3 627.8元。鐵尾礦硅肥在東北三省的生態(tài)環(huán)境效益達(dá)300.3萬元，鐵尾礦土壤改良劑在北方四省的生態(tài)環(huán)境效益達(dá)30.9億元。每噸鐵尾礦制備硅肥和土壤改良劑產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益分別為2.4元和7 084.5元。每萬噸鐵尾礦制備硅肥和土壤改良劑產(chǎn)生的碳減排量分別為1 904.8噸CO2和7 619.0噸CO2。