多重视角下工业固体废物资源化利用路径优化
—以铜冶炼渣为例
黄文博1,2，杨桂蓉1，韩雪萌1，王军强1，蔡文倩1，李金惠2，曾现来2,3*
1.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心
2.清华大学环境学院
3.国家黄河流域生态保护和高质量发展联合研究中心
摘要:为降低工业固体废物处理处置过程对环境和气候变化影响，提高资源利用率，基于环境资源交互属性、生命周期评价和有价资源价值评估3项指标，建立多维度工业固体废物资源化利用路径优化方法。结果表明：通过升级回收和降级回收的资源化途径，工业固体废物的生态毒性和人体健康毒性较填埋途径分别降低96.86%和98.53%，能够减少土壤污染，维护土壤生态安全。预计2035年铜冶炼渣升级回收、降级回收和原级回收的比例分别达到30%、50%和10%时，可以实现最优目标，但升级回收占比的提高会导致碳排放升高和综合效益下降。研究结果表明，短期内降级回收能够大规模消纳工业固体废物，但受到建筑行业和产品质量管理制约。因此，远期规划需合理分配工业固体废物资源化途径占比，以获得最大化环境效益和经济效益。
关键词:工业固体废物 / 资源化 / 碳排放 / 土壤污染 / 路径优化
随着工业化进程加快，工业固体废物的管理问题日益凸显，其不仅占用大量土地，还可能导致严重的土壤污染问题，威胁公共健康与环境安全。同时，工业活动是中国碳排放的主要源头，占碳排放总量的85.3%[1]，工业固体废物处置过程中的碳排放问题也不容忽视。2024年，《中共中央 国务院关于全面推进美丽中国建设的意见》[2]提出“持续深入打好净土保卫战，重点是坚持预防为主、风险管控、水土共治，实施土壤污染源头防控行动”“以美丽中国建设为统领，协同推进降碳、减污、扩绿、增长”，土壤污染防控与碳排放问题成为美丽中国建设的两大焦点。此外，工业固体废物作为次生资源回收利用，能够有效缓解自然资源紧张状况[3]。国务院办公厅关于《加快构建废弃物循环利用体系的意见》[4]明确提出强化大宗固体废物综合利用。因此，探索工业固体废物资源化利用途径在减少土壤污染、提高资源利用效率和控制碳排放方面的潜力，对于维护土壤安全、解决资源约束和实现“双碳”目标均具有重要意义。
要系统评估工业固体废物资源化利用途径在土壤污染、资源利用效率和碳排放方面的综合效益，需建立科学的量化模型，以实现最优途径筛选的目标。环境资源交互属性评估（ERIA）[5-8]、生命周期评价（LCA）[9-10]和有价资源价值评估（ERVA）[11-12]3个指标分别针对废物处理的不同方面提供了独立且互补的信息。ERIA揭示了废物资源价值与环境影响交互的固有特性，表征了在获取其剩余价值的同时消除环境影响的难度；LCA提供了一种全面环境影响的评价方法，评估了废物处理过程中各阶段的长期环境影响，包括碳排放、能效和环境退化[13]；ERVA则从经济角度量化了废物中可回收物质的价值，有助于分析废物资源化过程的经济效益。这三者之间存在内在的相互依赖和影响，例如，一种高资源价值的废物处理方式，虽然成本较高，但其生命周期内对环境的影响可能相对较小。Wang等[14]回顾了LCA研究，强调尽管成本较高，但使用先进的废物处理技术具有环境优势，在大规模应用中需要平衡环境、社会和经济绩效。Faragò等[15]使用LCA和生命周期成本（LCC）来量化水资源回收设施对环境和经济的影响。研究指出，虽然这些技术需要大量投资，但它们通过减少温室气体排放转移了环境负担，在其生命周期内对环境产生较低的影响。相反，一种初看上去成本较低的处理方式，可能会在其生命周期评价中显示出较高的环境成本。因此，孤立地考虑任何一个因素都将导致决策偏误，对于有效且可持续的废物处理途径的需求催生了多角度的评估方法。
本课题组针对ERIA的研究显示[8]，铜冶炼渣在不同处理路径中均显示出较高的属性值，具有较高的资源化利用潜力。因此，本研究以铜冶炼尾渣为研究对象，旨在通过建立整合ERIA、LCA和ERVA 3个关键指标的核算方法，量化这3个指标的相互作用，通过明确权重和约束条件，实现对工业固体废物最优处理途径的综合评估。该模型的预期输出将为相关政策制定和实践操作提供定量依据，从而推动工业固体废物管理朝向更高效、更可持续、更具环境效益的方向发展。
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材料与方法
1.1 生命周期评价
1.1.1 功能单位与系统边界
在循环经济中，废物循环（recycle）路径的定义包括3种类型：升级回收（upcycling），即将废弃材料加工成更高等级的再生资源；原级再循环（primary recycling），即将废弃材料加工成相同等级的新产品；降级回收（downcycling），即将废弃材料加工成较低等级的再生资源[16]。考虑铜渣原级再循环应用较少，且仍有大量铜渣贮存，本研究设置3种技术方案情景（图1）：铜冶炼尾渣回收有价金属铁、锌、铟、铜并副产建材辅料（升级回收）；铜冶炼尾渣生产蒸压砖、蒸压加气混凝土砌块/板材并副产铁精粉、重介质、铜矿粉（降级回收）[16]；铜冶炼尾渣以安全填埋方式贮存于尾渣场（填埋）。针对上述3种情景分别进行生命周期评价和有价资源经济价值评估。
方案一铜冶炼尾渣回收有价金属并副产建材辅料。该方案参考中国北方某市200万t/a铜渣资源化项目，包括火法冶炼和湿法冶炼2个部分，其中，火法冶炼采用富氧侧吹熔池熔炼工艺，由氧化炉、还原炉、烟化炉和冶炼炉四联炉系统构成。湿法冶炼包括脱硫工序、提铟工序和硫酸锌制备工序。
方案二铜冶炼尾渣生产蒸压砖、蒸压加气混凝土砌块/板材并副产精矿。该方案参考中国南方某市60万t/a铜冶炼渣综合利用项目，包括浮选、二次尾渣制蒸压砖和二次尾渣制蒸压加气混凝土砌块/板材3个部分，其中，浮选过程包括磁选、球磨、精选、浮选、脱水等工序。二次尾渣制蒸压砖过程包括进料、搅拌、压制成型、蒸压养护等流程。二次尾渣制蒸压加气混凝土砌块/板材过程包括进料、制浆、搅拌、浇筑入模、静置养护、翻转切割、蒸压养护等工序。
方案三铜冶炼尾渣以安全填埋方式贮存于尾渣场。该方案参考中国南方某市冶炼渣堆存方式。
本研究的功能单位为资源化利用1 000 kg的一次铜冶炼尾渣。系统边界包括生产过程中的原材料获取、能源获取、加工以及产品出厂环节。由于参考案例均为园区内利用，因此不包括运输过程。各方案均考虑了各环节原料消耗、能源消耗、废物处理、污染物排放的环境影响，产品与副产品的环境影响不纳入计算范围。
1.1.2 碳排放核算方法
采用LCA评价方法对铜冶炼尾渣不同资源化途径碳排放量进行核算。LCA评价方法包括CML2001、USLCI等多个评价模型[10,17-19]。采用IPCC 2013 GTP100 V1.05方法对碳排放进行计算分析。此外，采用CML2001和Eco-indicator 99(E)方法对金属资源耗竭、化石资源耗竭、酸化、富营养化、淡水生态毒性、人体毒性等11种环境影响进行评价[17]。
1.1.3 数据来源与清单
本研究所包括的ERIA、LCA和ERVA 3个关键指标的数据来源不同。ERIA和ERVA基于前期相关研究[8]所得结论，详见补充说明。LCA清单数据来源于3个方案的环境影响报告书、文献调研等。方案一、方案二的物质与能源输入、输出清单以及排放污染物等详见补充说明，方案三使用Ecoinvent 3.8数据库铜渣填埋数据。研究的背景数据来自Ecoinvent 3.8数据库及相关的文献[10,17,19-20]数据。模型搭建和数据分析使用荷兰Pre Consultants公司开发的SimaPro 9.4软件。
1.2 处理路径优化
基于以往研究资源潜力核算结果，通过对中国金属网、上海有色金属网以及美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）的相关报告调研，查阅不同资源的价格，测算工业固体废物有价资源价值。以铜冶炼渣处理为例，通过ERIA、碳排放和ERVA 3个关键指标整合，采用多目标线性规划（MOLP）[21]，分配不同方案处理铜冶炼渣比例，实现最大化ERIA和ERVA，同时最小化碳排放。多目标优化基本方程如下：
式中：x为决策变量，表示通过各种方案处理的铜冶炼渣的量；f1(x)、f2(x)、f3(x)为目标函数；g(x)为约束条件。
ERIA、碳排放和ERVA与铜冶炼渣总量无关系，假定3个指标值恒定，在这种情况下，可通过线性规划获得最优解。首先，为各指标设置权重，使其组成单一目标函数，本研究采用熵权法[22]计算各指标权重。然后，通过所得权重形成综合目标函数（Z）用于优化计算，确定不同方案应处理铜渣量。综合目标函数形式如下：
式中：Z为目标值；wi 为第 i 个指标的权重；xi为各方案处理铜冶炼渣的量，万t；CEi为第i个指标的碳排放量，kg，以CO2当量计。
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结果与讨论
2.1 环境影响评价
铜尾渣不同处理途径下生命周期影响评价部分重要指标标准化[23]结果如表1所示。在不同途径下，环境影响较大的指标略有不同。在方案一（升级回收）中，光化学氧化、人体毒性、酸化是影响较高的指标。方案二（降级回收）中，淡水沉积物生态毒性、淡水生态毒性、酸化是影响较高的指标。而方案三（填埋）中，淡水沉积物生态毒性、淡水生态毒性和人体毒性的影响较高。从影响程度来看，升级回收和降级回收途径比填埋具有更低的环境影响，主要体现在生态毒性（淡水生态毒性、陆地生态毒性、淡水沉积物生态毒性）和人体毒性方面的影响分别减少96.86%和98.53%，这也表明工业固体废物资源化途径能够降低土壤污染风险，有益于土壤健康保护。
2.2 碳排放分析
全球变暖潜势（本研究使用GTP 100）是衡量气候变化影响的指标，分为3个子类别，分别考虑不同排放源和碳循环过程，以此对不同铜冶炼渣处理路径温室气体影响进行分析[23]。3个方案不同子类别的碳排放分析结果见图2。方案一中，铜冶炼渣金属回收工艺主要分为2个部分：火法冶炼回收Fe、Cu、Zn 3种重金属，副产物二次冶炼渣可做建材添加剂降级回收；湿法冶炼回收重金属Zn和稀贵金属铟。全流程中主要影响类别是化石燃料燃烧导致的温室气体排放，约1 245 kg（以CO2当量计，全文同），土地利用变化和生物质燃烧或分解导致的温室气体排放量分别仅为0.046和0.027 kg，可忽略其影响。化石燃料燃烧导致的温室气体排放大部分来自于火法冶炼过程（图2）。其中，富氧熔炼四联熔炉中铜冶炼炉产生的温室气体排放贡献最高，达到844.87 kg。方案二中，铜冶炼渣降级回收制造建材工艺主要分为3个部分，浮选回收重金属Fe、Cu以及含重金属重介质，在回收部分有价资源的同时，减少了对产品和环境的影响。浮选剩余的二次尾渣用于制备蒸压砖和蒸压加气混凝土砌块，实现冶炼渣大规模消纳。全流程中，主要影响类别是化石燃料燃烧导致的温室气体排放，约235 kg，土地利用变化和生物质燃烧或分解导致的温室气体排放量分别仅为0.150和0.046 kg。蒸压砖和蒸压加气混凝土砌块温室气体排放影响占比在90%以上，主要由于制造过程仍需要掺添一定比例的水泥和生石灰。方案三中，假设铜冶炼尾渣采用安全填埋的方式进行贮存，以备后续二次开发使用，该过程排放温室气体约7.62 kg，几乎全部来自化石燃料燃烧。
对铜冶炼渣不同处理路径碳排放量进行核算，3种方案碳排放量分别为1 270.30、243.63和7.97 kg，可以看出，以金属回收为主的升级回收途径较蒸压砖/混凝土砌块等建材化降级回收途径，碳排放明显提升〔图3（a）〕。在金属回收中铜回收使用的四联炉火法冶炼中冶炼工序是最主要排放源，碳排放量为844.87 kg〔图3（b）〕。在蒸压砖/混凝土砌块生产中，蒸压砖制造是主要排放源，碳排放量为169.88 kg〔图3（c）〕。相较回收利用过程中额外能源物质消耗带来的碳排放，由于铜冶炼渣以无机物为主，填埋过程中碳排放量为7.97 kg。
根据文献调研和Ecoinvent数据库计算结果，对回收利用和初级生产过程产品碳排放强度进行了对比（图4）。除了铟之外，采用方案一回收初级粗铜、生铁、硫酸锌和氧化锌展示出低于初级金属生产途径的碳排放强度。相对而言，在传统生产路线下，除了铁精矿之外，铜精矿、重介质、混凝土砖和混凝土砌块的碳排放强度高于本研究所采用的方案二。这表明，降级回收在减少产品生产碳排放强度方面具有一定的效果。然而，升级回收途径反而导致了如铜和生铁等基础金属的碳排放强度增加。这一现象可能归因于2个主要因素：1）基础金属生产采用的工艺与原矿冶炼相似，但由于铜冶炼渣的金属含量相对较低，单位质量产品的能耗需求因而更高，导致了较高的碳排放强度。2）本研究采用工序-质量分配方法，先将碳排放量分配至各个生产工序，随后根据产品质量进行再分配。这种方法可能导致高产量的基础金属被分配了过多的碳排放量。由此可见，降级回收途径在ERIA及LCA方面均具有短期优势。然而，高值化利用在减少原始资源需求和降低长期环境影响方面仍具有潜在优势。
2.3 有价资源经济价值分析
工业固体废物处置不仅涉及高昂的处理成本，同时对环境和人类健康构成潜在威胁。随着循环经济和资源利用观念的普及，更多的研究和实践开始从二次矿产资源的角度审视工业固体废物。本研究预测2035年不同工业固体废物有价资源经济价值潜力，如图5（b）所示。典型工业固体废物中资源经济价值为0.39~153.69亿美元。与资源潜力分布〔图5（a）〕略有不同，由于金氰尾矿和铜尾矿中所含金属价值较高，其经济价值较高。尽管钢渣、铁矿、工业副产石膏中剩余资源潜力较高，但由于其中所含的铝、铁等基础金属价值较低，导致整体经济价值并不高。从金属回收角度来看，该途径ERIA和LCA效果都低于降级回收，因此，需要结合资源经济价值分析结果，综合评估或筛选适用于升级回收的工业固体废物类别。降级回收主要利用工业固体废物中的Ca、Si、Al、Fe矿物质，生产1 000 kg水泥所需生料中各组分的掺添比例为，石灰石（CaCO3）760~770 kg、硅石（SiO2）70~80 kg、页岩（Al2O3、SiO2）40~50 kg、铁矿粉（Fe2O3）40~50 kg及天然石膏（CaSO4）20~30 kg，通过采用电石渣、粉煤灰、煤矸石、铜渣、铁尾矿、脱硫石膏等替代，每吨水泥可替代原料价值约26.5美元〔图5（c）〕。
已有研究对电子废物、报废汽车等城市矿产资源潜力和价值潜力进行详细测算，如Zeng等[24]采用韦布尔寿命分布模型，对3个不同的产品组、30种产品在2010—2050年的城市矿产生成潜力进行了预测。结果显示，2010年城市矿产的总重量为39 Mt，预计到2022年这一数字将翻倍，而到2045年将增至4倍。进一步地，预测2020—2050年，城市矿产资源的经济价值将从1 000亿美元增至4 000亿美元。尽管工业固体废物在产生量上远高于城市矿产产量，但由于资源含量和品位较低，工业固体废物的经济价值难以与城市矿产相媲美。此外，高值化利用技术难度较高、生命周期环境影响，成为制约工业固体废物高值化利用的多重限制因素。
2.4 工业固体废物的最优处理路径
设定4种工业固体废物处理路径进行优化筛选，其指标值如表2所示。由表2可见，升级回收方案在实现难度和碳排放方面不具优势，但回收经济价值潜力较高。降级回收在经济价值方面不明显，但在实现难度和碳排放方面具有优势。以此数据为基础，采用熵权法计算得到ERIA、碳排放和ERVA指标的权重分别为0.495、0.278和0.227。结果表明，ERIA具有最高权重，对最优路径选择起到重要影响。从实际角度分析，回收难度是限制回收效率的主要因素之一，同时还会影响经济成本、产品质量等，从而对生产者的生产决策和市场动态产生影响。
通过多目标线性规划，在不同约束条件下计算不同方案处理铜冶炼渣的量。以2035年预测铜冶炼渣产生量（2 625.73万t，基于以往研究结果）为例，当约束条件仅为铜冶炼渣产生总量时，最优化结果显示，全部采用降级回收时目标函数Z为307 085.49。即在本研究设定情景下，降级回收是最佳途径。铜冶炼渣综合利用率为60%左右[25]，估算冶金（升级回收）占比约20%，建材化利用占比约35%，其他材料生产（原级回收）占比约5%，填埋贮存占比约40%。国家发展和改革委员会等十部委联合发布的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》[26]提出，到2025年，煤矸石、粉煤灰、尾矿（共伴生矿）、冶炼渣、工业副产石膏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%，存量大宗固废有序减少。工业和信息化部发布的《关于加快推动工业资源综合利用的实施方案》[27]提出，到2025年，冶炼渣综合利用率达到73%，加快工业固废在有价组分提取、建材生产、市政设施建设、井下充填、生态修复、土壤治理等领域的规模化利用。据此，本研究设定约束条件为至2035年，冶炼渣综合利用率达到90%，升级回收占比在30%以上，降级回收占比在50%以上，原级回收占比10%以上，填埋贮存比例低于10%。计算结果显示，不同利用方式下处理铜冶炼渣的量为787.72万t（升级回收）、1 575.44万t（降级回收）、262.57万t（原级回收），不进行填埋贮存，此条件下Z为−25 327.25。
上述结果表明，增加约束条件后，目标函数Z减小，即在政策约束的情况下，提高升级回收比例的同时实现最小化碳排放，将导致综合效益降低。此外，增加约束条件的情景下，最优目标实现的条件仍是最大限度地采用降级回收，即从回收难度、碳排放、经济价值的角度综合考虑，降级回收是大规模消纳固体废物的较优选择，但从物质闭路循环的角度来看，低含量物质的不可逆耗散不应忽视。此外，在“双碳”背景下，水泥等建材行业产能严控，加之产品质量要求的不断提升，工业固体废物降级利用途径也存在诸多限制。
2.5 方法局限性分析
本研究构建了多目标线性规划模型，旨在分析不同约束条件下实现ERIA、碳排放和ERVA指标的最优铜冶炼渣处理方案。但该方法有其局限性：首先，当前的指标核算方法为理论情景，与实际存在误差；其次，本研究选取了3种代表性方案，但实际的处理路径更为多样，且受原料和工艺参数等因素影响，可能导致误差；最后，当前模型假设各指标值为恒定，且与铜冶炼渣产量无关联，然而实际中，这些指标可能是非线性并存在波动。为了更接近实际情况，后续研究应增加指标数量、探索多目标间的关联性，并细化约束条件，以建立更为精确的最优化模型。
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结论
（1）工业固体废物升级回收和降级回收的资源化途径能够降低环境影响，对于减少土壤污染，维护土壤健康具有积极作用。但升级回收工艺复杂且能源密集，导致碳排放强度提升。
（2）基于2035年铜冶炼渣的预测产生量，升级回收、降级回收和原级回收的比例分别达到30%、50%和10%时，可以获得最优目标值，但提升升级回收比例会引起更高的碳排放和综合效益下降。
（3）短期内降级回收在大规模消纳工业固体废物时具有优势，但由于建材行业产能控制及产品质量提升的影响，降级回收途径存在一定制约，远期规划需合理分配资源化途径占比。
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[27] 工业和信息化部, 国家发展和改革委员会, 科学技术部, 等. 关于加快推动工业资源综合利用的实施方案[A/OL]. [2024-04-20]. https://www.miit.gov.cn/cms_files/filemanager/1226211233/attach/202112/d592a0f95c10417a8340d647c780efa5.pdf. ⊕
引用本文: 黄文博，杨桂蓉，韩雪萌，等.多重视角下工业固体废物资源化利用路径优化：以铜冶炼渣为例[J].环境工程技术学报，2024，14（5）：1580-1588 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240280
(生态修复网)（转自：生态修复网）
