云南省金属矿山固废的综合利用及环境治理*

时间：2024-07-28

丁国盛马德勇曹敏黄建洪熊永春

（1.云南中铁双百建材有限公司；2.昆明理工大学环境科学与工程学院；3.云龙县铁厂矿产开发有限公司）

矿山固废通常包括采、选、冶作业产生的废石、尾矿和废渣，兼具危害性和可综合利用双重性，一方面，矿山固废会占压、破坏土地，产生一系列环境问题；另一方面，矿山固废又是放错时间和地点的资源，若对其采取适宜的管制措施、进行资源化利用，不仅可以缓解资源紧张局面，解决环境污染问题，还可以产生一定的经济效益。

伴随着我国经济正从规模速度型粗放式增长模式转向质量效率型集约增长模式，矿山工艺技术和装备水平极大提高、生态文明建设成为社会经济发展的重要指标，矿山固废的综合利用越来越受到重视［1］。2018年国家发改委提出投入3 000亿元支持八大领域发展，包括矿产资源综合利用、固体废物综合利用、建筑废弃物资源化利用等方面［2］。近年来，云南省加大了矿山环境保护力度和矿山固废的资源化综合利用力度，但由于矿产资源开发历史久、规模大，历史遗留矿山多，生态环境欠账惊人，因此，矿山固废的治理与综合利用迫在眉睫。

1 云南省金属矿产资源及其固废排放现状

1.1 主要金属矿产资源

云南是我国矿产资源大省，资源储量大、矿种全，根据《云南省矿产资源总体规划》（2016—2020年）统计数据，截至2015 年底，全省共发现各类矿产143 种，占全国已发现矿产172 种的83.14%，探明储量列入《云南省矿产资源储量简表》的矿产有86 种，已探明各类矿产地1 563个。

有色金属资源是云南省的优势矿产资源，铅、锡、锌的保有储量居全国首位，银、铜保有储量居全国第3位［3］。全省16个州市均有金属矿山分布，主要集中分布在红河州、昆明市、文山市、楚雄州、保山市、普洱市、大理州和玉溪市。

1.2 金属矿山固废排放现状

矿产资源开发过程中产生大量的固废，以云南省资源储量丰富的铜、锡、铅、锌矿为例，每生产1 t铜精矿，排出废石158.63 t、尾矿43.18 t；每生产1 t 锡精矿，排出废石93.93 t、尾矿119.89 t；每生产1 t 铅精矿，排出废石112.66 t、尾矿18.59 t；每生产1 t 锌精矿，排出废石69.45 t、尾矿9.74 t［4］。根据吴建忠等［5］对云南省内铜、金、铅、锌在产或近期生产矿山尾矿库（堆）的调查结果，26 个铜矿山的26 座尾矿库（堆）目前尾矿总存量21 473.5万t，其中仅有1个铜矿山的尾矿用于砂石料生产；16 个铅锌矿山的18 座尾矿库（堆）目前尾矿总存量6 340.4 万t，其中仅有3 个铅锌矿山的尾矿用于回填；16 个金矿山的19 座尾矿库（堆）目前尾矿总存量1 669.25 万，仅有5 个金矿山尾矿部分进行二次堆浸。调查表明，云南省金属矿山尾矿存量和生产量都很大，但资源化利用程度低。据统计，云南省共伴生矿产资源综合利用率只有20%左右，低于全国平均水平15个百分点，低于国外先进水平35个百分点。

2 矿山固废综合利用相关政策

云南省矿山固废综合利用虽然起步较晚，但随着近几年国家政策的支持以及人们环保意识的加强，该项工作已得到相关部门的高度重视，并采取了积极的措施。2018 年，云南省国土资源厅联合工信、财政、环保、煤炭工业等五部门联合下发《关于进一步加强矿山地质环境恢复和综合治理工作的实施意见》，着力完善开发补偿保护的经济机制，大力构建政府、企业、社会共同参与的恢复和综合治理新机制，鼓励矿山企业多措并举综合利用固废资源，全面提升全省矿山地质环境恢复和综合治理水平。2019年，云南省生态环保厅为抓实固废污染治理，印发了《云南省固体废物污染防治攻坚实施方案》，着力提升固废监管水平和综合利用水平，推进共伴生矿、低品位矿、尾矿和工业“三废”的综合利用，培育一批工业固废综合利用骨干企业。

根据统计年鉴，近10 a云南省黑色金属及有色金属固定资产投资情况见图1，有色金属矿及黑色金属矿采选业固定资产投资均为先增长后降低趋势，其中黑色金属矿采选业从2013 年开始下降并趋于平缓，有色金属矿采选业2016年开始较快下降；有色金属矿及黑色金属矿冶炼及压延加工业均呈先升高再降低最后上升的趋势，均在2016年降到最低点，随后迅速上升。表明云南省金属矿产资源利用方式由高污染、高消耗、低效益的粗放型开采模式转向加强冶炼及压延加工业技术，大力加强共伴生矿和低品位、难利用矿产资源的开发利用的精细化开采模式。

3 矿山固废与周边环境的关系

矿山固废和周边环境之间存在着紧密的联系，固体废弃物得不到及时处理或处理不到位，将会给周边环境带来不可预估的破坏和影响［6］。金属矿山固废的危害主要表现为土地占用和破坏、资源浪费、环境污染、地质灾害等方面［7］。

3.1 土地占用和破坏

矿山固废堆积于废石库、排土场、尾矿库以及自然场地中，会占用大量的耕地、林地。据统计，每堆存1 万t 矿山固废需占用0.067 hm2土地［8］。2002 年云南省矿山占压和破坏土地42 004.37 hm2，其中耕地和林地1 879.741 hm2，草地90.64 hm2，其他地类38 718.729 hm2［9］；2018 年云南省采矿损毁土地83 821.77 hm2，其中挖损土地53 167.64 hm2、占压土地28 061.84 hm2、塌陷土地2 592.29 hm2［10］。若不改变这种局面，随着矿产资源的不断开发，固废对土地的占用和破坏将更加严重。

3.2 资源浪费

云南省除少数大型矿山企业外，60%以上都是乡镇集体和私营小矿山企业［11］。为追求短期利益，这些小企业大多采用粗放型生产模式，采易弃难、采富弃贫、乱采滥挖，严重影响了金属矿产资源的开采价值。受过去矿山生产工艺、技术装备和管理水平比较落后的影响，共伴生资源利用率较低，部分有价金属留存在废石和尾矿中，造成了严重的资源浪费。据统计，云锡公司2015 年尾矿的堆存量已达2.5 亿t，尾矿总含锡量可供云锡公司生产25 a以上［12］。

3.3 环境污染

矿山固废多为复合型污染，会同时造成大气污染、水污染和土壤污染。矿山废石长期堆放，经过风化作用会产生微小颗粒，这些小颗粒随风扩散到大气中，形成扬尘，造成大气污染。矿山固废中的有害物质经过物理、化学或生物转化迁移进入水体和土壤中，造成周边水体和土壤环境污染［13］。梁文寿等［14］对某锡多金属尾矿库地下水的检测结果发现，尾矿库周边浅层地下水铅、砷浓度分别为0.035～0.065、0.044～0.073 mg/L，均高于地下水质量标准Ⅲ类标准。缪福俊等［15］对兰坪铅锌尾矿区土壤调查发现，土壤重金属Cd、Pb、Zn含量分别为云南土壤（A层）背景值的350倍、100倍和93倍，重金属污染严重。

3.4 地质灾害

矿山固废堆积过高，坡度过大，极易发生崩塌、滑坡等地质灾害，降雨等作用使得固体废弃物和周边环境中的含水量增加，易发生泥石流等地质灾害［16］。2013 年12 月，红河州金平县一尾矿库发生滑坡事件，造成4 人死亡，1 人受伤。2018 年1 月，昆明市西山区一排土场发生滑坡，造成周边村庄100多户居民受到影响。

4 矿山固废综合利用及环境治理措施

4.1 矿山固废综合利用途径

目前，云南省矿山固废综合利用研究主要集中于废弃物中有价成分的提取、利用废弃物制备其他材料、废石充填3个方面。

4.1.1 回收有用矿物

金属矿床大多是矿产资源共伴生矿床，早期由于技术与设备条件落后、资源利用及环保意识淡薄，废弃尾矿中还含有较多的有价成分，可通过尾矿再选进行回收，这一方面有效减轻了矿山固废对环境的影响，同时可产生显著的经济效益。尾矿再选回收有价矿物必须基于充分的工艺矿物学分析，然后通过选别试验确定适宜的分选工艺及设备［17］。

目前，尾矿中有价成分的综合回收技术主要有物理选矿技术、火法冶炼技术和湿法处理技术三大类。①选矿技术常用于从有色金属尾矿中回收有价金属矿物，但由于金属尾矿中有价金属含量往往较低，成分较复杂，难以有效分离，需根据尾矿的理化特性，制定合适的工艺路线。云南上厂铁尾矿粒度细，含铁16.56%，主要以赤铁矿形式存在，属细粒低品位难选铁尾矿，采用细磨、分散絮凝、强磁选工艺处理，在磨矿细度-0.045 mm 占95%、YL-1 用量800 g/t、脉动冲次320 次/min 条件下，获得了铁品位59.63%、回收率50.41%的铁精矿，尾矿铁含量降至10%以下［18］。②火法冶炼技术是利用高温将有价金属从尾矿中提取出来的技术，该技术能耗高，且会产生带有污染物的烟气，对环境产生二次污染，正面临淘汰局面。③湿法冶炼技术是通过酸、碱及盐类的水溶液，控制适当条件，使各有价成分选择性分离出来的技术，该技术一般具有较强的选择性，有价金属回收程度高［19］。目前，采用火法和湿法相结合的技术进行有价金属的综合利用比较普遍，例如生产合金、钨、钼等产品等［20］。

此外，随着科学技术的发展，有关微生物选矿技术研究工作也在不断深入，相较于传统工艺，微生物选矿技术在处理复杂矿物方面更具优势，且无害化程度更高。杨慧芬等［21］采用微生物矿化—浮选法回收铁矾渣中的有价金属的研究表明，处理后重金属矿化率高，废水的无害化程度也高。因此，使用微生物技术综合回收尾矿中的有价金属的前景广阔。

4.1.2 生产建筑材料

尾矿的利用价值极具复杂性，能同时展示规模效应、经济效应和环境效应的使用途径是建材化利用。矿山固废用作建筑材料主要包括生产建筑用砂石骨料、砖块、水泥、玻璃制品和建筑陶瓷。

黏土制砖导致土地资源被损坏，使用尾矿代替黏土制砖，可有效解决土地资源破坏的问题，同时实现尾矿资源的充分利用。李晓健等［22］利用有色金属尾矿制作非烧结砖的研究表明，利用有色金属尾砂制备非烧结砖与烧结砖相比，成本降低0.1 元/块，产品质量完全满足《非烧结垃圾尾矿砖》（JCT 422—2007）标准要求。

水泥是重要的基础性建筑材料，但水泥的制备会消耗大量的黏土和石灰等不可再生资源，一般情况下，碳酸盐型和高铝硅酸盐型尾矿可以代替石灰石和黏土用于煅烧水泥熟料。当尾矿成分与水泥成分相差较大时，可作为掺配料或矿化剂使用［23］。

CaO-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷是一种高档次建筑装饰材料，金属矿尾矿的氧化物成分与其原料成分接近，可用来生产陶瓷玻璃［24］。隋延力等［25］的研究指出，通过调整工艺和配方，用铁尾矿完全可以生产满足性能要求的陶瓷玻璃。

矿山废石生产机制砂是废石利用量最大的一种方式。多数矿山废石强度高、力学性能稳定，可用来制成砂石骨料。云南易门县某钨钼选厂尾矿中有价金属微量，采用除铁、脱硫、水洗、粒度分级工艺处理后，可获得产率为70%的民用建筑用砂，年产量超过40万t，经济效益显著。

4.1.3 废石充填

地下矿石被采出后留下的空间不进行充填处理会形成采空区，采用矿山固废作为填充材料对采空区进行充填，可提高回采率，防止地面塌陷，减少环境地质灾害的发生；同时由于就地取材，可大大降低填充成本［26］。因此，废石充填技术是一种有效的矿山固废减量化利用技术。我国的矿石充填技术在经历了干式充填法和水砂充填法后，目前最常用的为胶结充填法［27］。张华等［28］采用全尾砂膏体充填工艺对云南东川矿区因民铜矿采空区进行治理，保证了底柱稳定，坑道无崩坍、底柱无开裂现象。会泽某铅锌矿采用膏体-废石联合充填采矿法，充填膏体由选矿流程尾砂、老尾矿库尾砂、老渣库水淬渣制备，废石为采矿过程中产出的废石，实现了全矿零固废外排［29］。

4.2 生态修复技术

矿山固废的不合理处置会对周边环境造成严重污染，同时矿山开采还存在采场、废石场、尾矿库、塌陷区及占压区等的地质问题、环境问题和生态问题。因此，矿山固废的综合利用应兼顾生态修复。

（1）通过基质改良、土地重构及地貌重塑，创造适宜植被生长的土壤环境和地形地貌，恢复矿区生态系统功能。土壤基质改良有物理法、化学法和生物法：物理法主要是采取边坡稳定措施、截排水措施、表土或客土回填措施改善土壤结构；化学法是通过添加化学物质改善土壤酸碱度，或通过施加各种肥料（包括生活垃圾、畜禽粪便、河道与城市污泥等）来提高土壤肥力；生物改良是通过蚯蚓、菌根、酶和微生物等改良土壤结构，增加土壤保水保肥能力［30］。云锡集团采用基质改良方法对某金属矿尾矿库进行复垦，种植蜈蚣草并定期收割、焚烧，从灰分中冶炼回收有价金属。项目投资200 万元，种植面积80 亩，每年回收砷124.8 kg/hm2、铅60.26 kg/hm2、铜14.08 kg/hm2、锌19.28 kg/hm2，经济效益达693.5元/hm2［31］。

（2）金属矿山尾砂的较粗粒度和团粒结构，表征其不具备土壤的基本特性，且通常存在少量有毒有害物质，特别是高硫含重金属尾矿，风化氧化后会产生酸污染和重金属污染［32］。通过物理修复、化学修复及生物修复手段，降低有害物质的浓度和在环境中的可迁移性与生物有效性，使遭受污染的土壤恢复正常功能。物理修复主要指采用换土、固化、电动力学、热解吸、热力学、玻璃化等方法进行污染土壤的修复。化学方法主要指通过添加化学物质使土壤中的金属发生沉淀、吸附、氧化还原等反应，从而降低其水溶性、迁移性和生物有效性。生物修复包括植物修复和微生物修复，植物修复是指利用植物对土壤中的金属进行吸收、提取或稳定、固定的修复技术；微生物修复主要是指通过微生物代谢产物对金属溶解、转化与固定，从而降低土壤中金属的生物有效性，或提高植物对重金属的吸收效率。云南牟定县某化工厂采用异位还原稳定化技术和阻隔填埋技术，对铬渣污染场地土壤进行治理，所用还原稳定化药剂为硫系和铁系稳定化药剂，修复后土壤各项指标满足修复目标值［33］。王瑞山等［34］以云南会泽某典型铅锌冶炼厂内土壤为研究对象，采用云雾苔草和蜈蚣草间种联合修复技术处理重金属污染的土壤，修复后的土壤铅、锌、铜、镉、砷等重金属浓度分别降至12.54、40.21、11.23、0.06 和0.32 mg/kg，达到了治理目标。

（3）矿区生态修复治理一方面是移除、固定污染物，另一方面是植被恢复，宜采用耐受性较好、并能改善土壤基质的先锋植物，从而构建完整的生态过程、物质和能量循环，再现当地的生物多样性。云南昆钢大红山铁矿对83.11 hm2的废石场进行土地复垦，采用了建设苗圃、林地、条播乔灌草混交林、撒播灌草混交林等方法取得了良好的综合效益［35］。