金属尾矿处置及资源化利用技术研究

杜艳强，段文峰，赵 艳

(1.洛阳理工学院，河南 洛阳 471000；2.河南省新型土木工程结构国际联合实验室，河南 洛阳 471000)

0 引 言

金属矿产是我国经济发展过程中不可或缺的重要原料，尾矿是金属矿山或非金属矿山从原矿中提取有用元素后留下的“废弃”矿渣。我国经济规模巨大，对矿产资源的需求迫切，相应的尾矿产量也较大。 尾矿排放占用大量土地资源，据统计[1]，2019年金属尾矿排放量达12.72亿t，其中，铁尾矿5.20亿t，占比为40.9%，铜尾矿3.25亿t，占比为25.6%，其余为黄金及其他金属尾矿，尾矿排放量占大宗工业固废总排放量的34.4%。目前，我国共建有各等级尾矿库14 219座，尾矿堆存总量高达600亿t，占地面积110万hm2，尾矿库所占用土地面积与天津市面积相当。尾矿排放也会引发安全及环境事故，如2008年山西襄汾“9·8”尾矿库溃坝事故[2]造成了281人死亡；2010年紫金矿业锡矿尾矿库发生溃坝事件[3]导致22人死亡；2019年巴西1·25尾矿库溃坝事故[4]造成270人死亡或失踪。鉴于尾矿堆存可能造成的严重环境安全问题，安全管理机构将尾矿坝列为安全生产的9个重大灾害危险源之一，其危害性甚至大于火灾。

由此可见，尾矿堆存引起的安全及环保问题已成为困扰企业和社会的紧迫难题。近年来有学者提出了加强源头治理，建设“无尾矿山”理念[5]，“无尾矿山”是指通过尾矿资源化利用等手段，达到无尾矿或少尾矿产出目标的矿山，该理念已在政府、企业及社会各界层面形成共识。本文旨在分析掌握我国金属尾矿的基本特点及综合利用技术现状，对尾矿资源化利用的关键技术及产业政策进行分析，以期为金属尾矿固废的资源化再利用问题提供解决思路。

1 尾矿的基本特点

1.1 尾矿分类及成分

对于金属矿山而言，尾矿一般是指由选矿厂所排放的矿浆经自重固结后形成的固体废物，矿浆由尾矿颗粒及水组成，其中尾矿颗粒质量浓度约为20%，其余成分为水，尾矿经管道输送排入尾矿库后，固体颗粒沉淀固结，水则可回收利用。依据不同分类标准，尾矿的分类方法也不同。

按照行业类别，尾矿可划分为四类：黑色金属尾矿(如铁、锰、铬等)、有色金属尾矿(如铜、铝、铅、锌等)、稀贵金属尾矿(如金、银、钼、铂族金属等)和非金属尾矿(如石墨、磷、硫、萤石、重晶石等)。其中，大多数黑色金属尾矿成分以硅酸盐类矿物为主，常含有钒、钛、稀土金属及非金属矿物；有色金属尾矿一般硫化物含量较高，尾矿中残余的有色金属及酸性水是周边区域的潜在重金属及酸污染源；稀贵金属尾矿与有色金属尾矿具有相近的物质组成，尾矿成分以石英、长石、云母为主；大部分非金属尾矿属于硅酸盐或碳酸盐类，且不含高浓度有害物质，在堆存过程中也易于土壤化，因此非金属尾矿通常带来的环境安全风险相对较小。

按照化学成分对尾矿进行分类，对于尾矿的开发利用更具指导意义，中国地质科学院尾矿利用技术中心将尾矿分为以下七种类型。①高硅型尾矿：二氧化硅含量超过80%，其他任一组分含量均不超过10%；②钙镁质尾矿：氧化钙与氧化镁总含量超过30%，二氧化硅含量不足30%，其他任一组分含量不超过10%，多见于以碳酸盐为主的尾矿；③铝硅质尾矿：氧化铝含量达15%以上，二氧化硅含量达60%以上，其他任一组分含量不超过10%；④铁硅质尾矿：氧化铁和氧化亚铁总含量达20%以上，二氧化硅含量达60%以上，其他任一组分含量不超过10%；⑤碱铝硅质尾矿：氧化钾和氧化钠总含量达10%以上，氧化铝含量达10%以上，二氧化硅含量达60%以上，其他任一组分含量均不超过10%；⑥钙铝硅质尾矿：氧化钙含量达10%以上，氧化铝含量10%以上，二氧化硅含量达40%以上，其他任一组分含量不超过10%；⑦复成分尾矿：二氧化硅含量在40%～60%之间，多种其他组分含量超过10%，该类尾矿分布最为广泛。

1.2 尾矿的排放及利用情况

2019年我国尾矿总量达12.72亿t，其中，非金属尾矿1.1亿t，金属尾矿11.62亿t。金属尾矿以铁尾矿、铜尾矿、黄金尾矿为主，约占金属尾矿总量的90%。2011—2019年我国尾矿排放及利用情况如图1所示[1]。由图1可知，近年来我国尾矿生产呈现先增后减的趋势，2014年达到峰值18.57亿t，后逐年下降，目前产量约为12亿t。近年来尾矿产量下降，原因是我国正进行供给侧结构性改革，不再片面追求经济增速，而更注重经济增长质量，国家政策和措施加快了传统产业转型升级和中小资源型企业产能的退出。

图1 2011—2019年我国尾矿生产及利用情况

在经济及政策两方面因素的共同影响下，我国的尾矿综合利用率呈逐年上涨趋势，从2011年的17.0%增至2019年的32.5%，尤其是2019年尾矿利用量较2018年增加0.78亿t(增速为23.3%)，达4.13亿t，创历史新高。但同时国外先进水平的尾矿综合利用率已达到60%，因此国内的尾矿综合利用行业仍存在很大潜力。

1.3 尾矿堆存面临的主要问题

1) 尾矿堆存的安全、环境风险高。尾矿库是我国尾矿处置的主要途径，尾矿库的使用年限一般为50年，但受历史及成本影响，尾矿库的建设标准较低，在服役期内，若尾矿库的管理及维护工作不到位，加上洪水、地灾、超载等危险因素的作用，极易引发尾矿库的安全事故。据统计，目前我国尚存病库、尾库、险库总计超过1 200座。

2) 尾矿库新批、新建、扩容难。随着开采力度的加大，高品位矿石逐年减少，低品位矿石占比升高。随着选矿技术的不断进步，选矿厂磨矿粒度不断变细，尾矿筑坝越来越难，尾矿坝高度不断增加，细粒尾矿筑高坝成为难以突破的关键问题[6]。数以百亿吨的尾矿堆存于地面不仅占用大量土地资源，也给生态环境带来了严重挑战。基于现实问题，我国多地虽未正式出台停止新批新建尾矿库的管理办法，但实际多数尾矿库新建申请难以获批。2020年，应急管理部正式印发的《防范化解尾矿库安全风险工作方案》提出“在保证紧缺和战略性矿山矿产正常建设开发的前提下，全国尾矿库数量原则上只减不增”的目标，因此，尾矿库用地及库容情况一直处于紧张状态。

3) 对尾矿的资源属性认识不足，制约尾矿资源利用。目前国内开采的金属矿石以共伴生为主[7]，约占原矿总量的80%，共伴生矿石选别难度较大，加之选矿技术较为落后，不少有价值成分被作为尾矿废物堆存在尾矿库中，如我国现存铁尾矿的平均含铁量为10%左右，黄金尾矿按目前堆存量来计算，则20亿t仅可提炼出1 200 t黄金。另外，尾矿生产砂石已成为矿山尾矿源头减量的重要手段，但只有少数矿山企业配套了砂石选别项目，对尾矿资源属性认识不足，制约了尾矿资源的再利用。

1.4 尾矿综合利用国家政策

党中央国务院高度重视资源及环境保护工作，提出了“美丽中国”的发展目标，在尾矿再利用方面，从中央到国务院各部委到各级地方政府均出台了相关法律、法规及条例，支持和鼓励尾矿、煤矸石、建筑垃圾等大宗固废的资源化利用。2020年新修订的《固体废物污染环境防治法》明确固体废物污染环境防治坚持减量化、资源化和无害化原则，强化了资源综合利用评价等制度。国家发展和改革委员会等部门联合印发的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》提出，到2025年煤矸石、尾矿(共伴生矿)等大宗固废的综合利用能力显著提升，新增大宗固废综合利用率达到60%。2018年实施的《中华人民共和国环境保护税法》对固废排放征收环保税，排放每吨尾矿需缴纳15元环保税。2019年国家发展和改革委员会、工业和信息化部联合印发的《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》鼓励固废综合利用基地废弃物综合利用率达75%以上，形成固废多途径、综合利用的发展格局。《工业绿色发展规划(2016—2020年)》和《工业固体废物综合利用规划》都提出“将解决尾矿大宗整体利用的瓶颈问题，加强尾矿生产建筑材料”作为尾矿综合利用的优先方向。工业和信息化部制定《京津冀及周边地区工业资源综合利用产业协同转型提升计划(2020—2022年)》提出加快推进京津冀及周边地区工业资源综合利用产业协同转型升级，提升区域资源利用效率。《“无废城市”建设试点工作方案的通知》提出城市固废产量最小化、资源化利用充分，处置安全的目标。《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》提出系统治理、源头治理，改善黄河流域生态环境的发展目标。2018年国家发展和改革委员会提出用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。2017年原国土资源部、财政部、环境保护部等部门联合印发《关于加快建设绿色矿山的实施意见》，要求加大政策支持力度，加快绿色矿山建设进程。2018年以来，科学技术部每年设定“固废资源化”重点专项资金，支持尾矿、建材等大宗固废的资源化利用技术及装备的研发。这些政策的发布和实施，将持续加大生态环境保护力度，全面推进矿山企业的绿色发展，长期利好尾矿综合利用产业。

2 尾矿综合利用的主要方向

尾矿的利用途径较多，影响尾矿利用的关键因素是尾矿中的矿物成分及有害元素的组成，依据物质组成的差异，尾矿既可以用以生产高附加值产品[8-9]，也可以实现尾矿的低附加值高效综合利用。我国金属尾矿具有品种多、分布广、产量大、成分复杂的特点，尾矿的利用存在多种途径，相关学者及机构针对尾矿成分开展典型尾矿的综合利用技术研究，已取得一定成果。

2.1 尾矿中有价元素回收

我国矿石品类多样、成分复杂，目标金属元素绝大多数以多种有价元素共伴生的状态存在，如中国西南地区铁矿石伴生有Cu、Co、S、Ni、Au、Ag、Se等元素；白云鄂博铁矿石伴生有8.6%的稀土矿物，钼矿石原矿中常含黄铁矿、磁铁矿，黄金矿石中常含有银、铜、铅、锌等。选矿工艺的设计通常以主要元素为目标，但由于选矿工艺及技术相对落后，主要目标元素的提取尚不完全，共伴生元素更是被忽视，大量资源被视为废物随尾矿一起排放。

近年来，由于矿产资源短缺，价格上涨，尾矿再选及尾矿中有价元素回收得到行业的重视。从企业角度来说，进行尾矿中有价元素提取，必然要考虑建设周期、建设成本、工艺复杂性、经济效益等问题。目前，应用较为成熟的技术有：①反浮选法提铁降硅技术，可将铁尾矿品位从11.0%提高至67.2%；②钒钛磁铁矿尾矿回收钛铁技术，可减少尾矿占地面积，延长尾矿库服务年限；③尾矿回收弱磁性矿技术，应用范围广，可最大限度回收有用矿物，延长尾矿库服务年限。尾矿有价元素回收利用需因地制宜，进行针对性研究，目前尾矿中有价元素回收仍存在效率低、效益差等问题，对不同类别尾矿进行定向研发，突破技术瓶颈，降低成本是尾矿中有价元素回收利用的关键问题。

2.2 尾矿生产建材

城镇化建设对建筑材料的需求量很大，近年来，我国推行的“美丽中国”战略对环保要求较高，政府对砂石材料开采行业的政策不断收紧，国内砂石骨料价格始终处于高位状态。砂石骨料主要成分为二氧化硅，而尾矿成分中二氧化硅含量较高，经一定工序处理，适合作为砂石骨料的替代成分。目前，尾矿生产建材的途径主要包括：尾矿配置水泥生料作为水泥熟料；尾矿废石生产建筑用砂石料；尾矿制备烧结砖；尾矿制泡沫混凝土、空心混凝土；尾矿制备蒸压加气混凝土；尾矿制备透水砖；尾矿制备微晶玻璃、泡沫玻璃等。

尾矿是一类大宗工业固废，以尾矿为原料生产建筑材料，具有市场广阔、尾矿原料消耗量大的独特优势，因此应以尾矿制备建材作为尾矿综合利用的主要方向。

2.3 尾矿用于采空区充填

湿式排放、干式堆存[10]和尾矿充填是尾矿大规模处置的三种方式，其中尾矿湿式排放和干式堆存均需设置尾矿库，不仅占地而且存在安全隐患，尾矿库的管理及运行成本也较高。尾矿充填[11]不需设置尾矿库，且可对尾矿进行整体化利用，是消除尾矿堆存影响的有效方法。该方法是将骨料、尾矿颗粒、胶结剂、水混合后填入地下，不仅可以提升矿产资源回采率，还可以增加开采安全程度，减轻或消除因采空区垮落而引起的地面塌陷灾害。

2.4 尾矿用于农林业

尾矿在农林业中的应用主要包括尾矿复垦和尾矿用作土壤改良剂。尾矿复垦是指在尾矿库上复垦或利用尾矿在适宜地点进行充填造地等与尾矿有关的土地复垦工作，主要方法有生物法和微生物法，其目的是实现重金属的稳定。尾矿复垦的利用途径主要包括尾矿复垦为农业用地、林业用地、建筑用地或直接复垦种植。国外的尾矿复垦率可高达80%，国内关于植被或其他成分对尾矿中重金属有害成分的吸收及改良作用研究较多，已取得一定成果[12-14]。

尾矿作为土壤改良剂包含土壤结构改良和化学改良两方面作用，土壤中掺入特定尾矿可疏松土壤结构，增强土壤的透水透气性，掺矿渣效果好于掺河沙。部分尾矿中含有可与土壤中有害物质发生反应的组分，通过反应可以阻止土壤中有害物质的迁移，如由铜尾矿制备而来的硅铁土壤改良剂可用于修复Cd、Cr及Pb等重金属元素污染的土壤。

3 尾矿资源化利用的建议

我国的尾矿综合利用率已从2011年的17.0%提高至2019年的32.5%，但现实问题仍然较多。国内大多数矿山均面临尾矿库库容不足的问题，我国尾矿综合利用水平与国外先进技术相比仍具有较大差距，且随着环境管理越来越严，通过征地来新建尾矿库已基本不可能，因此解决尾矿的综合利用问题，实现少排甚至不排尾矿的目标，成为矿山企业可持续发展的必然途径。

1) 开展对金属尾矿固体废物的全面摸底调查工作。尾矿的管理需要从尾矿的产生、收集、储存、运输、利用、处置全过程进行监控，部分矿山企业未建立起完善的尾矿台账，甚至分不清尾矿和废石的区别，因此摸清尾矿家底要从管理上进行落实，尤其是要从制度上完善尾矿固废的摸底调查工作机制。摸清尾矿的产生数量、尾矿的赋存状态和利用现状是严格监管、合理利用、科学制定产业政策和布局区域产业结构的先决条件。

2) 充分考虑不同尾矿的差异，加强相关方向的技术投入和成果转化。很多矿山企业希望将其他企业尾矿利用的成功经验拿来直接应用，但不同尾矿的成矿环境、选矿方法、尾矿粒度及成分都存在一定差异，这些因素对尾矿的综合利用产生直接影响。如高硅尾矿中的硫元素不经处理无法制备加气砖，钙镁及高铝型尾矿无法制备机制砂。尾矿的综合利用技术不是单纯的选矿工艺，而是涉及到多学科的交叉性研究，需加强在设备、技术、人才方面的研发投入，建立典型尾矿开发利用示范性项目，发挥大型示范工程的引领作用。

3) 加强对尾矿综合利用产业的政策引导和财政支持。从中央政府到地方部门，应加大对金属尾矿资源综合利用的政策支持力度，完善政策空白和漏洞，通过减免各种税费，配套尾矿开发利用的相关资金，鼓励引导企业及社会资金加入到尾矿开发利用项目中去。通过严格尾矿库的新批新建，倒逼企业更加重视尾矿的处置问题，加大对尾矿综合利用技术的研发和投入，对符合条件的尾矿产品列入国家环保标志目录，加大政府采购力度，扩大合格尾矿产品的消费需求。

4 展 望

金属尾矿资源综合利用是涉及开采、选矿、环境、岩土、化学、材料等众多学科的系统工程，随着高品位矿产的持续开发利用，金属原矿资源日益枯竭与贫化，因此尾矿的资源化利用是关乎我国资源与环境安全的一项战略性课题。现阶段，应将开展尾矿的全面摸底调查及相关技术的科技攻关及推广应用作为工作的重点。基于矿山企业尾矿产量大、污染重、隐患多的现实问题，大宗尾矿的整体资源化、无害化利用技术应作为尾矿综合利用的重点方向，该方向也符合国家产业政策的要求。