重金屬元素物質流分析的研究進展

閻 麗，范 翹（湖南省環境保護科學研究院，湖南長沙 410004）

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重金屬元素物質流分析的研究進展

閻 麗，范 翹
（湖南省環境保護科學研究院，湖南長沙 410004）

重金屬污染已成為事關群眾身心健康和社會穩定的重大民生問題，文章介紹了物質流分析技術，對國內外鐵、銅、鉛、鋅、鎘等重金屬元素物質流分析的研究進展進行了詳細評述，指出目前重金屬物質流分析存在的主要問題，提出了重金屬元素物質流分析研究未來發展趨勢。

物質流；重金屬；防控；全生命周期

隨著社會經濟的發展，生態環境在我國發展戰略中，具有越來越重要的地位。人民群眾對清潔空氣、干凈的水、放心食品的需求日益增長，重金屬環境污染問題不容忽視。若重金屬在環境、食品和生物體中存在的濃度和化學形態超出正常范圍，會造成危害人體健康、導致環境質量惡化的后果。當前，重金屬污染已成為事關群眾身心健康和社會穩定的重大民生問題。2011年4月初，我國首個“十二五”專項規劃——《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》獲得國務院正式批復，防治規劃力求控制鉛、砷、鎘、鉻、汞5種重金屬。2013年10月，我國政府簽署了《關于汞的水俁公約》，在推動我國汞全生命周期防控的同時，也將帶動我國“十三五”重金屬污染防治全生命周期戰略思路的建立。

物質流分析［1］是追蹤重金屬元素的流動情況，分析控制和緩解相應環境問題的可能途徑并提出解決方案的重要工具。在重金屬污染防治方面，迫切需要以重金屬元素物質流分析為基礎，對重金屬元素進行工業代謝研究，揭示重金屬元素的輸入、輸出、貯存等過程的流動模式，從而評估重金屬元素生命周期在不同過程對工藝、產品和環境產生的影響與負擔，識別環境問題產生的原因，并試圖找到降低資源、能源投入量，減少廢棄物產生量，提高資源利用率和解決環境問題的途徑，為重金屬污染防治全生命周期優化管理奠定基礎。

1 物質流分析技術

物質流分析［2］是研究經濟社會中原料提取、使用、廢棄、處置、再生利用等一系列物質流動過程中的結構與動力機制的系統方法，物質流分析技術將質量守恒原理進一步公式化為：

輸入量＝輸出量+凈累積量

其中：凈累積量＝沉積量-釋放量

物質流分析的研究方法分自下而上、自上而下兩類。第一類研究從特定的資源、環境問題出發，通過分析相應的金屬元素（如鎘、鉛、銅等）、非金屬元素（如碳、氮、氧等）、原材料或產品的社會代謝模式、結構和通量，為進行資源優化管理、污染控制提出實施方案和長期戰略。第二類研究通過核算原材料與物質的投入量、產出量來衡量一定范圍（如企業、部門、地區、國家）的物質生產效率及可持續發展水平，分析物質減量化、集約化、生態化轉型的可能途徑。

2 國外重金屬元素物質流分析研究進展

從20世紀80年代開始，歐美國家陸續展開了宏觀層面的重金屬元素流動和庫存的研究。通過追蹤物質的流動情況，進而發現環境污染的原因，并較早意識到重金屬的累積庫存對環境問題的重要性。

1995年，SM Jasinski［3］分析了汞在美國的流動情況。通過研究汞的開采、生產、使用和最終處置，制作了自1989至1990年汞的物質流動分析圖，通過收集和分析相關數據，提出環境中汞排放的來源主要是人為因素，包括化石燃料燃燒、垃圾焚燒、有色金屬采礦作業等，指出未來通過燃燒排放的汞將成為最大的汞排放源。

1996年，Voet Ester van der［4］在其博士論文中對物質流分析的定義、總體框架、系統界定、應用的模型和政策導向進行了詳細的闡述，并基于政策導向對鎘和氮的化合物在歐盟地區流動和庫存情況進行了案例分析。

JB Guinée，J.C.J.M van den Bergh，J Boelens等［5］在荷蘭全國層面開展了鎘、銅、鉛、鋅等金屬元素流動和富集的風險評估，預計這些金屬在經濟和環境中的累積量自1990年起將出現較大的增幅，分析了產生增長的主要原因是金屬元素由垃圾填埋場向非農用土壤的排放，指出這些金屬元素的積累增長超過臨界水平時對人體、陸地和水生生物的影響，并提出了一些防止超過臨界水平的相關措施及建議。

2002年，S Spatari，M Bertram，K Fuse等從礦石提取、生產、加工、使用、廢物處理等不同環節開展歐洲國家銅物質流的全生命周期分析［6］，利用連續的質量平衡計算來識別一定時間范圍內每個環節中金屬元素的流向、流量和庫存，并開發了歐洲國家銅物質流模型和數據庫。

2003年，A Kapur，M Bertram，SSpatari等［7］基于物質流框架建立了一種國家層面的工業金屬的區域存量和流動模型，通過收集不同時期銅的生產、進口和出口的數據，對亞洲地區銅循環開展了定性和定量的評估，指出盡管亞洲地區是銅的凈進口國，但與歐洲和北美國家相比，存在銅的使用率、人均廢銅產生量、銅的回收率較低的問題，針對上述問題提出了亞洲國家資源政策和環境管理方面的建議，以解決該地區的可持續發展問題。

S Spatari，M Bertram，K Fuse等［8］采用連續的質量平衡跟蹤了鋅在礦石、產品、二次資源以及廢棄物中的流動路徑等，構建了鋅的物質流模型和數據庫，研究結果表明：有色金屬初級鋅產品大多從北美洲、南美洲和大洋洲進口，在歐洲進行精煉；拆解廢料和廢舊汽車是鋅流進廢棄物中的主要方面，只有約34%的廢棄鋅得以回收；鋅在環境中的損失較大，由此產生的影響應在不同時間和空間尺度上開展全方位的評估。

2005年，JJohnson，JJirikowic，M Bertram等［9］對銀在多個國家、地區和全球的多級循環流動、庫存、損失情況進行了系統的研究，認為在國家層面上，一個國家的發展水平（國內生產總值）是反映白銀使用量的重要指標，墨西哥、美國、秘魯、中國是主要礦產開采國，美國、日本、印度、德國和意大利是主要銀產品制造國；在地區層面上，北美和歐洲人均使用銀產品超過其他地區；在全球層面上，約57%的銀進入全球廢物回收管理系統（如尾礦庫），該研究為資源政策及環境管理提供了依據。

2006年，JJeremiah，S Laura，TE Graedel等［10］在54個國家、9個地區以及全球三個層面上對鉻開展了詳盡的物質流定量分析，研究認為：2000年，78%鉻流進最終消耗，非洲和獨聯體國家是主要采礦國，而亞洲、歐洲和北美洲是主要最終用戶和產生含鉻廢水最多的地區；全球鉻的損耗主要在尾礦、廢料及消費損耗等方面。最后提出通過開展使用存量和制成品貿易有關的調研，可以更準確地規劃未來廢棄物的源頭削減、再利用、資源化等戰略。

2007年，Konstantine Drakonakis，Katherine Rostkowski，Jason Rauch等［11］從城市基礎設施、建筑、運輸系統、設備等方面對紐黑文市鋼鐵庫存狀況和銅庫存狀況進行了分析，指出該市28%鋼鐵庫存在汽車、鐵路和船舶等流動貿易方面，22%鋼鐵庫存用于傳輸石油燃料的城市基礎設施方面，銅主要用于城市中電力和水管道的分布，指出造成庫存量低于全國平均水平的原因是缺乏重工業和大型建筑。

美國礦產局（U.S.Bureau of Mines，USBM）運用物質流分析方法，完成了1994年至2010年鐵、鉭、鉛、砷、鎘等十幾種金屬物質在全國范圍內的物質流研究［12，13］，并在此基礎上提出了降低環境風險和提高資源利用效率的主要途徑和措施，其成果直接服務于政府的礦產資源政策制訂過程，是國家水平上物質流分析技術與決策過程相結合的典型案例。

3 國內重金屬元素物質流分析研究進展

國內應用物質流分析的研究出現在2000年以后，由于重金屬的環境毒性，被視為應跟蹤其全生命周期代謝過程的重點，重金屬物質流分析的研究尺度可以分為全球、國家、地區、生產部門等，研究對象主要為鐵、銅、鉛、鋅等具有資源戰略性的元素。

3.1 鐵元素物質流分析

陸鐘武［14］在分析了有時間概念的鋼鐵產品生命周期鐵流圖與鐵流詳圖之間異同的基礎上，研究了鋼鐵產品生命周期的基準鐵流圖和鋼鐵產品產量在保持不變、按線性方程增長、按指數方程增長、以及下降四種情況下的鐵流圖，明確了鋼鐵產品生命周期源頭上天然鐵資源的消耗量與其末端鐵排放量之間的關系，從鐵資源消耗量和鐵排放量兩個方面，提出了對鋼鐵產品生命周期鐵流圖進行評分的方法，為開展相關資源、環境問題的研究提供了思路和方法。

樓俞、石磊［15］采用自下而上方法對邯鄲市鋼鐵和鋁的存量進行了調查研究，計算了鋼鐵和鋁的使用規模、強度和總存量及其分布情況。截至2005年底，邯鄲市使用中的鋼鐵存量為1 333 kg／人，建筑、基礎設施、交通系統的鋼鐵存量分別占總鋼鐵存量的66.6%，19.7%和7.9%；使用中的鋁存量為19.6 kg／人，建筑、基礎設施、交通系統的鋁存量分別占總鋁存量的61.5%，4.1%和24.4%。該研究彌補了我國在城市尺度上元素庫存分析的空白，為制定產業政策、環境政策和資源戰略提供了科學和數據支持。

3.2 銅元素物質流分析

岳強、陸鐘武［16，17］研究了涵蓋銅生產、銅制品加工制造和使用、廢雜銅回收等四個方面銅循環的“STAF”模型，介紹了“具有時間概念的銅產品生命周期銅流分析方法”，分析了中國銅的社會存量變化及其流動狀況，得到了2002年的銅流圖，計算了銅工業的原料自給率、使用廢雜銅的比例、礦石指數、銅資源效率和廢銅指數等指標。針對我國銅循環現狀，從促進銅礦山發展、提高銅再生資源利用率、擴大進口、加強對尾礦和熔渣的回收利用等四個方面提出促進銅工業健康發展的建議。

郭學益、宋瑜、王勇等［18］從銅的生產、加工制造、使用和廢銅處理4個階段詳細闡述了銅循環的“STAF”物質流分析模型，并以此模型分析了2004年我國銅的流動狀況和社會存量變化，指出1998～2004年我國銅工業生產階段的原料自給率和使用廢雜銅的比例、加工制造階段的原料自給率和使用廢雜銅的比例平均值分別為49.08%、25.98%、57.14%和21.45%，遠低于歐洲發達國家水平。指出今后我國銅工業可持續發展的工作重點是加強政策引導與科研投入力度、大力提高一次銅的資源生產率和二次銅的再資源化效率。

3.3 鉛元素物質流分析

毛建素、楊志峰、陸鐘武等［19］在構建鉛酸電池生命周期鉛流圖基礎上，建立了系統與外部環境之間的聯系，獲得了鉛酸電池系統鉛流基本規律。通過與瑞典某鉛酸電池系統中鉛流進行對比，發現中國鉛酸電池系統中鉛的生態效率低下的原因是鉛的循環率低下、鉛的排放率偏高、鉛酸電池年產量持續增長等，認為提高生態效率將有利于資源節約和環境改善，并提出了提高生態效益的相關對策。

郭學益、鐘菊芽、宋瑜等［20］研究了鉛循環的“STAF”物質流分析模型，分析了2006年我國鉛的社會存量變化及其流動狀況，計算出生產階段的原料自給率PZ和使用廢雜鉛的比例PS、加工制造階段的原料自給率MZ和使用廢雜鉛的比例MS分別為79.28%、19.08%、148.91%、30.25%，在此基礎上總結了我國在鉛資源循環利用方面的不足，并對鉛工業的發展和資源的循環利用提出了建議。

鐘琴道、喬琦、李艷萍等［21］以液態高鉛渣直接還原工藝為研究對象，針對粗鉛冶煉生產過程中鉛金屬環境污染問題，建立了粗鉛冶煉過程鉛元素流分析框架。指出我國粗鉛冶煉生產過程中存在的問題，提出了優先提高鉛直收率、降低煙塵率、減少無組織粉塵散逸、采用高效脫硫除塵協同防治技術等建議。

3.4 鋅元素物質流分析

姜文英、柴立元、何德文等［22］針對鉛鋅冶煉企業物質流動情況，從分析方法的內容與步驟兩方面進行了詳盡的研究，認為對鉛鋅冶煉主流程各工序的物質流分析采用生命周期評價方法，鉛鋅伴生元素回收過程的輸入輸出分析采用化合物物質流分析方法，得到了適用于鉛鋅冶煉企業循環經濟建設模式下的物質流分析方法。

張江徽、陸鐘武［23］研究了2004年中國鋅循環的狀況，指出存在的主要問題是原料對外依存度、再生鋅指數很低，礦石指數較高。同時分析了中國鋅工業的產業政策現狀，指出尚未建立完整的鋅工業可持續發展政策體系，再生增值稅政策不合理，經濟適用的技術創新及推廣支持力度不夠，鋅礦資源的開發和合理使用政策相對滯后等是制約鋅產業發展的主要因素。提出了建立完整的推進鋅循環的政策體系、實施鋅工業原料結構的戰略調整、加快重點技術研發及推廣、制定科學合理的經濟政策、促進產業重組若干政策建議。

4 重金屬元素物質流分析研究展望

重金屬元素物質流分析對識別某一環境污染問題的根源、發現特定資源利用中的效率問題具有重要作用，未來的研究重點是開展多種重金屬污染協同防控、加強重金屬元素全生命周期研究、加快構建重金屬元素物質流分析的數據庫、開展中小尺度重金屬元素代謝狀況的研究等方面。

1.開展多種重金屬污染協同防控的研究。目前的研究多集中在具有資源戰略性的重金屬元素上，對砷、鉻、汞等易對環境造成嚴重污染、對人體造成嚴重危害的重金屬元素物質流分析較少。今后的研究應在主要金屬資源的投入和流向及物質流的使用總量和使用強度方面延伸，還要涵蓋其它重金屬污染物的排放情況及有價元素的流動情況。

2.加強重金屬元素全生命周期的研究。在企業層面的重金屬元素物質流分析研究多集中在生產環節，未來的研究應由生產環節重金屬防控向源頭物質防控和后端的流通、消費、運輸、廢棄處置環節進行延伸，評估產品或工藝從“搖籃到墳墓”全過程的物質輸入輸出及其環境影響的生命周期評價體系。

3.加快構建重金屬元素物質流分析的數據庫。重金屬元素物質流分析研究很大程度上受限于數據的可得性和可信度，因而，針對不同的研究目的、研究對象和研究區域，構建具有針對性的重金屬基礎數據庫非常重要。目前不少科研工作者提倡物料衡算和監測相結合方法確定各生產過程的排污狀況，建立重金屬污染防治管理信息系統數據庫和重金屬的生產、使用、排放等全生命周期的物質流向管理成為未來的發展趨勢。

4.開展中小尺度重金屬元素代謝狀況的研究。目前針對重金屬元素的物質流研究多為全球層面、國家層面、地區層面等大尺度分析，加強城市、工業園、企業等物質代謝過程的研究，也將成為未來研究的一個方向。

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Research Progress on Substance Flow Analysis of Heavy Metal Element

YAN Li，FAN Qiao
（Hunan Research Academy of Environmental Sciences，Changsha 410004，China）

Heavy metal pollution has become a major livelihood issues related to physical and mental health and social stability.This paper introduces the technology of substance flow analysis，and makes a detailed review on the domestic and foreign research progress of the substance flow analysis of iron，copper，lead，zinc，cadmium and other heavymetals，points out that themain problems existing in the current substance flow analysis of heavymetalelement and the future development trend of substance flow analysis of heavymetal elements.

substance flow；heavymetal element；prevent and control；life cycle

X822.5

A

1003-5540（2016）01-0063-05

2015-10-09

閻 麗（1984-），女，工程師，主要從事環境規劃與政策研究，重金屬污染防治、含重金屬固廢處理與資源化利用等方面的研究工作。