紅土鎳礦濕法煉鎳水足跡研究

溫夢溪，龔先政,2

（1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100124；2.工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，北京 100124）

中國水資源總量約29041.0 億m3[1]，水資源總量豐富，但根據(jù)世界銀行WDI數(shù)據(jù)庫[2]統(tǒng)計，2017年中國人均可再生淡水資源2029.0m3，僅為世界平均水平的35.4%，用水問題嚴峻。2020中國鎳產(chǎn)品表觀需求量130.97萬t[3]，已成為世界上最大的金屬鎳消費國。鎳冶煉過程的多個環(huán)節(jié)中都會產(chǎn)生含有大量污染物的廢水[4]，造成多方面的環(huán)境影響。因此，采取科學(xué)的水資源管理方法作為應(yīng)對危機的首要方式日益受到關(guān)注，水足跡方法更是成為眾多水環(huán)境評價方法中的研究熱點。

水足跡概念于2002年由荷蘭學(xué)者Hoekstra等[5]在虛擬水理論基礎(chǔ)上首次提出，指公眾在日常生活中消費的產(chǎn)品、服務(wù)、過程等消耗的全部水資源[6]。水足跡可根據(jù)研究對象的差異被劃分為區(qū)域水足跡、過程水足跡和產(chǎn)品水足跡。我國的產(chǎn)品水足跡研究已經(jīng)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品[7]、基礎(chǔ)能源產(chǎn)品[8]和輕工業(yè)產(chǎn)品[9]，但目前仍然缺乏對有色金屬產(chǎn)品全生產(chǎn)流程的水足跡分析。

水足跡評價的兩種主流核算方法可分為兩種，Hoekstra等學(xué)者聯(lián)合國際非政府組織“水足跡網(wǎng)絡(luò)”（Water Footprint Network,WFN）確立的WFN水足跡評價方法[5]和國際標準化組織基于生命周期評價框架制訂的國際標準水足跡評價方法ISO 14046[10]。WFN側(cè)重于水資源消耗量的核算，缺乏統(tǒng)一的關(guān)于水體污染的核算方法；而ISO水足跡評價方法將水足跡定性為一種綜合性環(huán)境評價指標，量化評估人類活動對水資源及相關(guān)環(huán)境造成的消耗和污染，更適用于廢水污染物種類繁雜的有色金屬產(chǎn)品。《GB/T 37756-2019 產(chǎn)品水足跡評價和報告指南》[11]立足ISO 14046水足跡評價方法編制，對水足跡評價方法，特別是影響評價環(huán)節(jié)進行了本土化的轉(zhuǎn)化?；贕B/T 37756-2019方法建立紅土礦濕法煉鎳過程的生命周期清單，計算紅土鎳礦濕法煉鎳的水足跡，辨析鎳冶煉過程中問題產(chǎn)生的關(guān)鍵工序，有助于鎳冶煉企業(yè)節(jié)水減排進行針對性的改進。

1 金屬鎳冶煉水足跡評價模型建構(gòu)

1.1 金屬鎳冶煉水足跡評價方法

國際標準化組織于2014年根據(jù)生命周期評價方法發(fā)布的ISO水足跡評價方法側(cè)重于由產(chǎn)品或組織機構(gòu)消耗或影響的水資源的輸入、輸出和潛在環(huán)境的匯編和評價?；谏芷谠u價的水足跡評價過程分為四個階段，分別是：目標與范圍的確定、水足跡清單分析、水足跡影響評價和水足跡結(jié)果解釋。

鎳礦資源可分為硫化礦床和紅土鎳礦兩類，紅土鎳礦在世界范圍內(nèi)占有量高，而我國鎳礦資源類型以硫化礦床為主。近年來我國精煉鎳需求日益提升，大量進口印度尼西亞和菲律賓等國的紅土礦進行生產(chǎn)，由于進口鎳礦品位差異大且成分不穩(wěn)定，多用濕法進行冶煉。鎳冶煉系統(tǒng)邊界包含金屬鎳產(chǎn)品生命周期的鎳礦開采和金屬鎳冶煉兩個階段，選取生產(chǎn)1kg品位為99.9%的金屬鎳作為功能單位紅土鎳礦濕法煉鎳的水足跡。

1.2 金屬鎳濕法冶煉系統(tǒng)邊界

紅土鎳礦成分較于硫化鎳礦更為復(fù)雜，且品位較低，生產(chǎn)流程需針對礦石具體成分進行調(diào)整。紅土鎳礦的濕法冶煉工藝主要有三種，分別是氨浸、常壓酸浸和加壓浸出。其中氨浸工藝應(yīng)用最早，適用于處理鎂含量較高的表層紅土礦，但不能有效分離礦石中的銅、鈷等成分，現(xiàn)已被企業(yè)淘汰。加壓酸浸工藝的鈷鎳浸出率高達90%以上，具有能耗低的優(yōu)點，雖然工藝復(fù)雜，操作條件嚴格，仍廣泛被全球新建鎳礦冶煉工廠所采用。紅土鎳礦濕法冶煉用水可依據(jù)性質(zhì)分為一般用水、高鹽廢水和酸性廢水三類。一般用水包括設(shè)備循環(huán)冷卻水、洗滌用水和裝置污水排放，此類用水水質(zhì)較高，重金屬和有機成分含量低。高鹽廢水含有大量重金屬及鹽物質(zhì)，例如原料帶入水、沉淀出水、電絮凝廢水等，酸性廢水來源于酸浸環(huán)節(jié)的沖洗液及萃取過程的萃余液等。

研究范圍包括采礦、運輸、酸浸等過程，系統(tǒng)邊界如圖1所示。

圖1 紅土鎳礦濕法冶煉系統(tǒng)邊界

1.3 基于GB/T 37756-2019的金屬鎳濕法冶煉水足跡影響評價

基于GB/T 37756-2019的金屬鎳濕法冶煉水足跡包括水稀缺足跡和水劣化足跡兩類。水稀缺足跡用于評價與生產(chǎn)活動相關(guān)的潛在環(huán)境影響，一種產(chǎn)品或工藝的水稀缺足跡通過水資源消耗來計算，其表達式如下：

水劣化足跡用于評價產(chǎn)品水污染物排放到水體中導(dǎo)致的水降解的潛在環(huán)境影響。水劣化足跡通常通過以下影響類別進行評價：水體富營養(yǎng)化足跡、水酸化足跡、水體生態(tài)毒性足跡等。水劣化足跡的計算方法分為臨界稀釋體積法和當量系數(shù)法，本文選取適用于污染物排入水體而產(chǎn)生水劣化足跡的當量系數(shù)法進行計算，每種影響類型選取不同污染物當量進行評價，其表達式如下：

2 數(shù)據(jù)清單分析

濕法煉鎳的采礦環(huán)節(jié)涉及國內(nèi)采礦和海外采礦，國內(nèi)采礦數(shù)據(jù)源于廣西銀億科技礦冶有限公司的企業(yè)調(diào)研[12]，該企業(yè)電積鎳年產(chǎn)量5000t，紅土鎳礦出礦品位1.12%，金屬鎳綜合回收率約86%，鎳礦采礦損失率和貧化率均為3%。2016-2018國家鎳礦進口量[13]中菲律賓進口鎳礦約占79%，故取用瑞士Ecoinvent3數(shù)據(jù)庫[14]中菲律賓鎳礦開采的新水消耗和污染排放數(shù)據(jù)作為海外采礦的數(shù)據(jù)。海外紅土鎳礦的品位取1.7%[15]，采礦損失率和礦石貧化率均假設(shè)為5%。特征化因子如表1所示，其中水體生物毒性特征化因子分為淡水生物毒性和海洋生物毒性兩部分。余下工序的新水取用及污染物排放清單來自文獻[16]。酸浸工序鎳浸出率為96.2%[17]，萃取工序鎳常溫萃取率取96.91%[18]，假設(shè)酸浸工序浸出液含鎳量70g/L，依據(jù)上述數(shù)據(jù)可折算生產(chǎn)1kg鎳所需的各工序新水消耗量。

表1 特征化因子

假設(shè)國內(nèi)濕法冶煉鎳原礦至冶煉廠的運輸為公路運輸20公里，濕法冶煉的輔助材料運輸距離均依據(jù)我國近5年公路貨物運輸平均運輸距離取180.3公里[19]，結(jié)合文獻中獲取的公路運輸污染排放清單[20]計算得國內(nèi)紅土礦濕法冶煉過程中的運輸工序污染排放。海外紅土礦采用海運方式運輸，水體污染排放數(shù)據(jù)難以獲得，予以忽略。表2為紅土鎳礦濕法煉鎳水污染物排放數(shù)據(jù)。

表2 紅土鎳礦濕法煉鎳水污染物排放

表2 紅土鎳礦濕法煉鎳水劣化足跡結(jié)果

3 紅土鎳礦濕法煉鎳水足跡評價

紅土鎳礦濕法煉鎳水稀缺足跡為0.12m3，各工序占比如圖2所示。紅土鎳礦濕法煉鎳水稀缺足跡最高的三個工序依次為酸浸、萃取和國內(nèi)開采。酸浸工序首先應(yīng)注意溫度和壓強對鎳浸出率的影響，以便降低工序間新水投入。萃取工序的水耗主要用于對酸浸工序制得的鎳浸出液進行pH等參數(shù)調(diào)整，便于后續(xù)反應(yīng)進行，故應(yīng)整體考慮這一過程中的各類物料投入，不斷優(yōu)化配料比，減小水稀缺足跡。

圖2 紅土鎳礦濕法煉鎳水稀缺足跡比例分布

水劣化足跡計算過程中涉及的特征化因子取自Simapro軟件中的ReCiPe2016方法體系。紅土鎳礦濕法煉鎳的水體富營養(yǎng)化足跡為0.02kg N eq，水酸化足跡為0.10molc H+eq，水體生物毒性足跡為0.01kg 1,4-DCB，各工序水劣化足跡結(jié)果見表3。

海外開采的污染排放受鎳礦進口地區(qū)的礦場環(huán)境和技術(shù)水平制約，進口海外紅土礦有效避免了國內(nèi)紅土礦煉鎳的部分水體富營養(yǎng)化足跡和水體酸化足跡。電積工序中的水體富營養(yǎng)化足跡更多地受到NOx排放量的影響，可考慮酸霧凈化等方法進行處理。酸浸工序的水酸化足跡主要由SO2引起，結(jié)合廢氣制酸等處置方法可在治理排放的同時減少原料投入。電積過程產(chǎn)生的各類水污染物中，釩排放對水體生物毒性足跡的貢獻最大。運輸過程對濕法煉鎳水劣化足跡的影響較小。

4 結(jié)論

基于GB/T 37756-2019方法研究我國紅土礦濕法生產(chǎn)1kg品位為99.9%的金屬鎳的水足跡。GB/T 37756-2019方法水稀缺足跡0.12m3，水體富營養(yǎng)化足跡0.02kg N eq，水酸化足跡0.10molc H+eq，水體生物毒性足跡0.01kg 1,4-DCB。紅土鎳礦濕法煉鎳的水稀缺足跡主要來源于酸浸工序，水體富營養(yǎng)化足跡和水體酸化足跡主要來源于海外開采和電積兩個工序，水體生物毒性足跡主要來源于電積過程。電積工序的水環(huán)境影響包含耗水和酸性氣體排放兩個方面，電積工序脫硝應(yīng)成為濕法煉鎳企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)方向。