有色冶金废渣处理处置技术及发展趋势.pdf

2 0 2 1 年第3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 1 d o i l O ．3 9 6 9 ，j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 2 1 ．0 3 ．0 0 6 有色冶金废渣处理处置技术及发展趋势 杨晓松，陈国强，邵立南，孙超 矿冶科技集团有限公司，北京1 0 0 1 6 0 摘要我国有色冶金废渣年产生量大、综合回收率相对较低、安全处置存在较大环境隐患。首先分类阐述 了国内外有色冶金废渣的综合利用技术 湿法浸出、选冶法、火法冶金、微生物浸出和生产建材 、风险防控 技术 源头削减与生态恢复、稳定化、固定化 和安全处置技术，随后对上述主要技术的原理、特点、适用范围和 优缺点等进行了详细总结分析。最后，对有色冶金废渣综合利用与安全处置技术的发展趋势进行展望。 关键词有色冶金；废渣；综合利用；风险防控；安全处置 中图分类号X 7 5 8文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 2 1 0 3 一0 0 3 1 0 5 D i s p O s a lT e c h n o l o g ya n dD e V e l O p m e n tT r e n d0 f N o n f e r r o u sM e t a l l u r g i c a lW a s t eS l a g Y A N GX i a o s o n g ，C H E NG u o q i a n g ，S H A 0L i n a n ，S U NC h a o B G R I M MT e c h n o l o g yG r o u p ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b S t m c t N o n f e r r o u sm e t a l l u r g i c a lw a s t es l a gi nC h i mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ea n n u a l p r o d u c t i o n ， r e l a t i v e l yl o wc o m p r e h e n s i v er e c o v e r yr a t ea n dg r e a te n v i m n m e n t a lr i s k si ns a f ed i s p o s a l ．C o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n t e c h n o l o g i e s h y d r o m e t a l l u r g i c a ll e a c h i n g ，m e t a l l u r g i c a ld r e s s i n g ，p y r o m e t a U u r g y ，b i o l e a c h i n ga n db u i l d i n g m a t e r i a l sp r o d u c t i o n ，r i s k p r e v e n t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e s s o u r c er e d u c t i o na n de c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ， s t a b i l i z a t i o na n di m m o b i l i z a t i o n ，a n ds a f ed i s p o s a lt e c h n o I o g i e so fn o n f e r r o u sm e t a l l u r g i c a lw a s t es l a ga th o m ea n d a b r o a dw e r ee l a b o r a t e d ．P r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c s ， a p p l i c a t i o ns c o p e ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ea b o v e t e c h n o l o g i e sw e r es u m m a r i z e di nd e t a i l ．E h s e do nt h a t ，d e v e l o p m e n tt r e n do fc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o na n ds a f e t y d i s p o s a lt e c h n o l o g i e so fn o n f e r r o u sm e t a l l u r g i c a lw a s t es l a gw a sp u tf o r w a r d ． K e yw o r d s n o n f e r r o u sm e t a l l u r g y ；w a s t es l a g ； c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n ； r i s kp r e v e n t i o na n dc o n t r o l ； s a f ed i s p o s a l 根据中国统计年鉴[ 1 ] ，2 0 1 7 年，全国一般工业固 体废物产生量3 3 15 9 2 万t ，综合利用量1 8 11 8 7 万t ， 处置量7 97 8 9 万t ，贮存量7 83 9 7 万t 。全国危险 废物产生量69 3 6 ．9 万t ，综合利用量40 4 3 ．4 2 万t ， 处置量25 5 1 ．5 6 万t ，贮存量8 7 0 ．8 7 万t 。 据全国固体废物管理信息系统统计，2 0 1 8 年十 大重点行业的危险废物产生量共约48 9 7 万t ，占当 年危险废物产生量的6 9 ％。其中产生量较大的行 业是炼焦、常用有色金属冶炼、贵金属采选等，常用 有色金属冶炼业产生量7 7 2 万t ，占当年危险废物产 生量的1 5 ．7 6 ％。有色金属冶炼废渣是冶炼提取 铜、铅、锌、锑、锡、汞等金属后排放的固体废物。按 生产工艺可分为有色金属矿物在火法冶炼中形成 的熔融渣、在湿法冶炼中产生的浸出渣、冶炼过程中 收稿日期2 0 2 0 一1 2 1 4 基金项目国家重点研发计划项目 2 0 1 7 Y F C 0 2 1 0 5 0 0 ，2 0 1 8 Y F C 0 4 0 6 4 0 5 作者简介杨晓松 1 9 6 5 一 ，男，黑龙江齐齐哈尔人，博士，正高级工程师；通信作者陈国强 1 9 8 7 - ，男，山东青州人，硕士，高级工程师 万方数据 3 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i mm ．c n 2 0 2 1 年第3 期 排出的烟尘和水处理污泥等。产生数量与原矿的成 分和加入的溶剂量有关，按质量计为金属产量的 3 ～5 倍，按体积计为金属的8 ～1 0 倍。 2 0 1 8 年全国持证单位共利用处置危险废物 26 4 0 万t 。其中利用19 1 1 万t ，占7 2 ％，处置7 2 9 万t ，占2 8 ％。从利用和处置方式看，采用再循环／再 利用金属和金属化合物的方式利用危废量7 9 4 万t ， 占总利用量的4 1 ．5 ％。采用焚烧处置1 8 1 万t ，占处置 总量的2 8 ．8 ％；填埋处置1 5 7 万t ，占处置总量的 2 5 ．8 ％；物理化学方式处置1 2 4 万t ，占处置总量的 1 9 ．7 ％；水泥窑共处置1 0 1 万t ，占处置总量的1 6 ．2 ％。 经过多年的发展，我国有色冶金废渣综合回收 和安全处置技术取得一定进步，但仍存在着政策法 规及标准建设滞后、废渣综合利用工艺技术装备水平 较低、关键技术亟待研发和推广、产业集中度低、资源 综合利用水平低、在关键技术研发方面研发投人不 足、无法实现对废渣的规模化和集约化利用等问题。 1有色冶金废渣处理处置主要技术 目前，有色冶金废渣处理处置遵循减量化、资源 化和无害化的原则，按照处理技术和废渣最终去向，作 者将其分为综合利用、风险防控和安全处置三类技术。 有色冶金废渣的利用和处置思路如图1 所示。首先对 废渣进行详细物相成分分析，弄清废渣性质，根据预期 目标和处理处置要求，研究选择合适的处理处置技术， 并进行多方案评估筛选，对实施效果进行评估。 有色冶金废渣 物料 来源 性质 化学 成分 分析 安全 性评 价 市场 分析 安全处置和风险 防控技术开发 资源回收技术开发 与产品设计 环境Il 绿色l I 减量lI 市场I I 政策lI 有一 风险Il 节能l l 化效ll 需求I l 鼓励ll 定附 可控ff 减排l f 果强fl 大ff 型fl 加值 图l有色冶金废渣利用处置技术路线 F i g ．1 S k e t c hd i a g r a mf o ru t i l i z a t i o na n dd i s p o s a l o fn o n f e r r o u sm e t a l l u r g i c a lw a s t es l a g 2 废渣综合利用技术 2 ．1 湿法浸出有价金属回收技术 常用湿法回收工艺[ 2 ] 主要有酸法和碱法两种。 一般湿法浸出回收技术包括浸出、净化和金属沉积 三个过程‘3 | 。 酸浸法是固体废物浸出应用最广泛的方法，对 C u 、Z n 、N i 等金属的浸出效果比较好，F e 和C r 等金 属杂质的选择性较差[ 4 ] 。浸出剂主要是硫酸和盐 酸，其中硫酸是目前最有效的浸出剂。 碱法常用的浸出剂是氨水或氨盐[ 4 ] 。氨浸法对 C u 、Z n 和N i 等的浸出率较低，但对C r 和F e 等具 有较高选择性[ 5 ] 。 湿法浸出技术适用于冶炼渣、冶炼烟尘、电镀污 泥等有价金属含量高的废渣。浸出液通常采用离子 交换、分步沉淀、萃取等方法分离回收。 2 ．2 选冶法综合回收技术 将冶金渣破碎磨细后，根据渣的物化性质，分别 采用浮选、重选、磁选等方法从冶金渣中回收有价金 属，实现渣的综合回收利用[ 2 ] 。 2 ．2 ．1浮选法回收有价金属 浮选法是利用渣中各种矿物原料颗粒表面对水 的润湿性 疏水性或亲水性 的差异进行选别口] ，是 一种用途最广泛的方法，废渣中有价金属以精矿形 式分离出来。 浮选法有价金属回收技术适用于重金属废渣中 有价矿物的含量达到相关金属矿物一般矿山边界工 业品位，或重金属废渣中有价矿物与不可利用组分 的亲疏水性存在显著差异[ 7 ] 。 2 ．2 ．2 重选法回收有价金属 重选法是利用矿物与脉石间较大的密度差来实 现重金属废渣中有价金属的回收，特别适合处理粗粒 2 5m m 、中粒 2 5 ～2m m 和细粒 2 ～0 ．1 眦1 矿 石，但对 o ．1m m 的微细矿泥效率不高。根据作 用原理的不同，重选法可以分为水力或风力分级、重 介质选矿、溜槽选矿、跳汰选矿、摇床选矿[ 8 ] 。 重选法适合含有金、铂、钨、锡、锆、钛、钡等金属 的废渣。 2 ．2 ．3 磁选法回收有价金属 利用渣中矿物颗粒磁性的不同，在不均匀磁场 中进行选别。通常弱磁性矿物 赤铁矿、菱铁矿、钛 铁矿、黑钨矿等 适合用强磁场磁选机进行选别，强 磁性矿物 磁铁矿和磁黄铁矿等 一般采用弱磁场磁 选机进行选别。磁选法适用于重金属废渣中有价矿 一㈨旧憎旧一 一苎旧做悚一 万方数据 2 0 2 1 年第3 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 3 物的含量达到相关金属矿物一般矿山的边界工业品 味，或者重金属废渣中有价矿物与不可利用组分的 磁性等存在显著差异。 2 ．3 火法冶金综合回收技术 火法冶金主要用于有色金属造锍熔炼、钢铁冶 炼和熔盐电解以及铁合金生产等。典型工艺过程有 矿石准备、冶炼、精炼三个步骤。其主要反应是还原 氧化反应。单独采用火法冶金容易产生环境污染， 因此常采用火法冶炼技术与湿法技术相结合回收冶 金废渣中的有价金属。 由于火法冶金过程需要消耗大量能源，运行成 本相对较高，该技术适用于有价金属含量较高的重 金属废渣。渣中所要提取的金属与杂质能够在高温 下能通过挥发、造渣等方式分离。 火法冶金过程会产生含重金属烟粉尘，应综合 考虑经济成本问题，避免产生二次污染。 2 ．4 微生物浸出有价金属综合回收技术 利用微生物自身的氧化和还原特性，氧化或还 原资源中的有用成分，以水溶液中离子态或沉淀的 形式与原物质分离[ 9 ] 。郭朝晖等[ 1 0 ] 采用微生物浸 出法处理铅锌冶炼废渣，在废渣浓度5 ％、p H 1 ．5 、温度6 5 ℃的优化条件下生物浸出4d ，锌、铜、 镓和铟的浸出率分别达到9 3 ．5 ％、9 5 ．5 ％、8 0 ．2 ％ 和8 5 ％，铅和银主要以硫酸铅、黄钾铁矾类物质或 硫化银形式富集在渣中。 2 ．5 生产建材综合利用技术 利用渣中S i O 。、C a C o 。等矿物，制取玻璃、硅酸 盐水泥、砖、陶粒等建筑材料[ 1 。 含铁高的重金属废渣可作为矿化剂辅料生产水 泥，代替水泥配方中的铁粉 用量 5 ％ 。含硅、铝重 金属废渣可作为生产免烧砖和耐火材料的辅料[ 1 2 15 | 。 水淬渣等二氧化硅、碳酸钙、氧化铁含量较高的 废渣可用于生产建材。但是需关注重金属废渣中有 毒有害物质的含量，避免二次污染。 3 风险防控技术 3 ．1 废渣堆场污染源头削减与生态恢复技术 重金属废渣堆场污染主要以堆场为中心，通过 地表径流和渗滤液向下游及周边扩散，造成下游水 体和土壤受到污染，且随距离的加大，水体或土壤中 重金属的含量逐渐降低，其含量和形态分布特征受 其废弃物堆场中释放率的影响。图2 是废渣源头削 减与生态恢复技术路线，采用的主要工程措施为密 闭覆盖与生态恢复。 l 蠢霾錾卜 l 地貌重塑I ’ ；囤； l 嵩糍鬻卜_ t 亟到I 土器良l l 景观再造工程r _ 11 竺 兰兰 『■l 措施 l I 陌网 l 与配置l 图2 废渣源头削减与生态恢复技术流程 F i g ．2 T e c h n i c a lp r O c e d u r e sf o rw a s t es I a gs O u r c e r e d u c t i O na n de c o l o g i c a lr e s t O r a t i O n 某金属矿废石场采用“岩土植生基材防侵蚀一 高效吸收特征重金属耐性植物生态修复一坡面生态 防排渗”三位一体耦合的集成技术治理。通过建设 截排水设施进行生态防排渗，废石堆场改良后构建 复合隔离层以隔绝堆渣与水接触，结合生态治理辅 助工程，实现岩土植生基材防侵蚀和植物修复的目 的，从而有效阻止废石场渗滤液及重金属的溶出，减 少重金属污染排放负荷，源通过头削减防控废石场 对环境的污染。 3 ．2 废渣稳定化技术 稳定化是指从污染物的有效性出发，通过形态转 化，将废渣转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的 形式来实现无害化，以降低其对生态系统的危害风 险。例如，镁系稳定化晶格封装技术是以镁系列为主 要原料，添加多种天然无机矿物调和而成稳定剂。遇 水发生离子交换、吸附反应，将重金属等污染物固化到 层状结晶中，形成坚固的金属错体结晶。把重金属废 渣与稳定剂、水混合在一起，能够固定废渣和排水中溶 出的有害物质，抑制它们溶出、扩散，其含量减低到环 境基准值以下，处理后产物作为可再生资源使用。 通过利用镁系稳定剂对冶炼渣转稳定化，降低其 环境风险。该技术能快速控制污染物，可以进行原位 修复。具有对多重金属污染 C d 、P b 、A s 等 协同稳 定、处理费用低、工艺过程简单、养护周期短等优点。 3 ．3 废渣固定化技术 固定化技术是将污染物囊封人惰性基材中，或 在污染物外面加上低渗透性材料，通过减少污染物 暴露的淋滤面积达到限制污染物迁移的目的。固化 过程有的是将有害废物通过化学转变或引入某种稳 定的晶格中的过程；有的是将有害废物用惰性材料 加以包容的过程；有的兼有上述两种过程。固化技 万方数据 3 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ；／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 2 1 年第3 期 术按固化剂可以分为沥青固化、水泥固化、玻璃固 化、塑料固化、石灰固化等。 许多物质会干扰水泥固化过程。例如，锰、锡、 铜、氯离子等可溶性盐类会延长水泥的凝固时间，降 低固化体的物理强度。此外，有机物、淤泥、黏土等 杂质也会延缓凝固时间。这些因素会影响固化后重 金属离子浸出等问题，提高了对废渣处置场建设和 运行的要求，造成成本增加。 某铅锌冶炼废水处理污泥采用固化稳定化技术 处理，铅冶炼废水处理污泥含砷约2 ％，锌冶炼废水 处理污泥含砷约0 ．0 2 7 ％，当铅锌混合污泥的混合 比例为1 ．5 1 ，K Y Z W 稳定化剂成分为5 ％组分 Z 、0 ．5 ％组分W ，稳定化剂与污泥投加比例1 ．5 1 ， 搅拌时间3 0m i n ，放置时间1 0d 的条件下，A s 的浸 出浓度为o ．7 9m g ／L ，稳定化率达到9 0 ％以上。 4 安全填埋处置技术 填埋法是广泛采用的处置方法。填埋场地尽量 利用人工开发过的废矿坑，因为这些废矿坑被废物 充填后，可以恢复地貌，有利生态平衡。 填埋场要防止填埋废物的溶出液、滤液及雨水 径流对土壤、水体的污染。对于含有有机成分，回填 地段还应能排放有机废物厌氧分解产生的气体。要 从区域总体的角度，规划废渣安全处置项目。废渣 贮存场和填埋场的选址，以及防渗要求要满足相关 填埋污染控制标准要求。还要注重暴雨季节施工的 二次污染问题。 5 发展趋势及建议 1 贯彻国家产业发展政策，加快产业结构调整， 促进产业结构优化升级，合理布局，集约发展。 2 技术创新，提高技术和装备水平。进行跨行 业的联合创新研发，大力构建产学研深度合作的长 效机制。 3 制定和完善有色冶金废渣综合利用行业产业 政策和技术标准体系。进一步加强和规范重金属废 渣综合利用和安全处置全过程管理和污染防控。 4 把握技术发展趋势，实现绿色高端发展。把 握国内外冶金废渣治理向技术水平高、操作过程自 动化和综合利用的发展趋势，实现从低端加工转向 高端制造和服务转变，打造产品绿色产业链，由单纯 金属生产向高端合金和高附加值材料延伸。 5 因地制宜选取综合利用和安全处置工艺技 术，将资源利用和污染防治统一考虑，力求工艺环保 一体化，实现三效统一，协调持续发展。 参考文献 [ 1 ]国家统计局．中国统计年鉴2 0 1 9 [ M ] 北京中国统计 出版社，2 0 1 9 ． N a t i o n a lB u r e a uo fS t a t i s t i c so fC h i n a ．C h i n aS t a t i s t i c a l Y e a r b o o k2 0 1 9 [ M ] ．B e i j i n g C h i n aS t a t i s t i c sP r e s s ， 2 0 1 9 ． [ 2 ] 杨晓松，胡建龙，邵立南．重金属废渣综合利用技术现 状及发展趋势[ C ] ／／第十届环境与发展论坛论文集，北 京，2 0 1 4 ． Y A N GXS ，H UJL ，S H A 0LN ．C u r r e n ts i t u a t i o n a n dd e v e l o p m e n tt r e n do f c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o n t e c h n o l o g yo fh e a v ym e t a l w a s t er e s i d u e[ C ] ／／ P r o c e e d i n g so ft h e1O t hE n v i r o n m e n ta n dD e v e l o p m e n t F o r u m ，B e i j i n g ，2 0 1 4 ． [ 3 ] 梁艳辉，魏昶，蒋鹏飞，等．从硬锌渣中提取锌铟的工艺 研究[ J ] ．矿产保护与利用，2 0 0 9 ，2 9 5 5 4 5 8 ． L I A N GYH ，W E lC ，J l A N GPF ，e ta 1 ．S t u d yo n t e c h n o l o g yo fe x t r a c t i n gz i n ca n di n d i u mf r o mt h eh a r d z i n cs l a g [ J ] ．C o n s e r v a t i o na n dU t i l i z a t i o no fM i n e r a l R e s o u r c e s ，2 0 0 9 ，2 9 5 5 4 5 8 ． [ 4 ] 孙小刚．电镀废水沉泥中有价金属回收工艺研究[ D ] ． 西安西安建筑科技大学，2 0 1 2 ． S L 州XG ．R e s e a r c ho nr e o o v e r yt e c h m l o g yo fv a l u a b l e m e t a l s f m ms l u d g eo fe l e c t r o p l a t i n g 、张s t e w a t e r [ D ] x i ’a n X i ’a nU n i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r ea n dT e c h n o l o g y ， 2 0 1 2 ． [ 5 ] 黎林根．湿锌法净化钴渣中金属回收[ J ] ．科技创新导 报，2 0 0 9 3 6 9 9 1 0 0 ． L ILG ．P u “f i c a t i o no fm e t a lr e c o v e r yi nc o b a l ts l a gb y w e tz i n cm e t h o d [ J ] ．S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yI n n o v a t i o n H e r a l d ，2 0 0 9 3 6 9 9 1 0 0 ． [ 6 ] 徐立中．烃基丙二酸的相转移催化合成及其浮选应用 研究[ D ] ．沈阳沈阳理工大学，2 0 1 1 ． X ULZ ．S t u d yo np h a s et r a n s f e rc a t a l y s i ss y n t h e s i s a n df l o t a t i o na p p I i c a t i o no fh y d r o c a r b o nI m l o n i ca c i d [ D I ] ． S h e n y a n g S h e n y a n gL i g o n gU n i v e r s i t y ，2 0 1 1 [ 7 ] 王珩．从炼铜厂炉渣中回收铜铁的研究[ J ] ．广东有色 金属学报，2 0 0 3 ，1 3 2 8 3 8 8 ． W A N GH ． R e c o v e r yo fc o p p e ra n di r o ni nt h e c o n v e r t e rs l a gf r o ma c o p p e rs m e l t e r [ J ] ．J o u r n a lo f G u a n g d o n gN o n - f e r r o u sM e t a l s ，2 0 0 3 ，1 3 2 8 3 8 8 ． [ 8 ]郑贺．C 0 喷吹还原铜转炉渣及其动力学研究[ D ] ．昆 明昆明理工大学，2 0 1 9 ． Z H E N GH ．S t u d yo nt h ek i n e t i c s o f C o - i n j e c t i o n r e d u c t i o nc o p p e rc o n v e r t e rs l a g [ D ] ． K u n m i n g K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 1 9 ． 万方数据 2 0 2 1 年第3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m c n 3 5 上接第2 1 页 [ 4 ] 许永，宋文涛．氮氧化物 N q 治理技术研究[ J ] ．矿 冶，2 0 1 7 ，2 6 1 7 9 8 2 ． X UY ，S O N GWT ．s t u d yo nt h et r e a t m e n tt e c h n o l o g y o fn i t r o g e no x i d e s N C L [ J ] ．M i n i n ga n dM e t a U u r g y ， 2 0 1 7 ，2 6 1 7 9 8 2 ． [ 6 ] [ 5 ] 王芳 氮氧化物干法吸附治理技术研究[ c ] ／／2 0 1 8 中国 环境科学学会科学技术年会论文集 第二卷 ，合肥中 国环境科学学会，2 0 1 8 ． W A N GF ． S t u d y o nd r y a d s o r p t i o n t r e a t m e n t t e c h n o l o g yo fn i t r o g e no x i d e s [ C ] ／／P r o c e e d i n g so f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y S o c i e t yo fE n v i r o n m e n t a l H e f e i C h i n e s eS o c i e t y 2 0 1 8 ． A n n u a lM e e t i n go fC h i n e s e S c i e n c e si n2 0 1 8 V o l u m e2 ． o fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e s 。 张虎，佟会玲，陈昌和．燃煤烟气同时脱硫脱硝机理概 述[ J ] ．环境科学与技术，2 0 0 6 ，2 9 7 1 0 3 1 0 5 ． Z H A N GH 。T O N GHL 。C H E NCH ．M e c h a n i s mo f s i m u l t a n e o u sd e s u l f u r i z a t i o na n dd e T l i tr i t i o nf o rf l u eg a s [ J ] ． E n v i r o n m e n t a lS c i e n c eT e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，2 9 7 1 0 3 1 0 5 ． 万方数据