摘要：固体废物是一种潜在的“混合复杂资源”，实现固体废物资源循环利用是构筑可持续资源供给与应用的重要方式，也是循环经济的重要内容。阐述了固体废物资源循环利用的属性特点、意义和５Ｒ原则，同时总结了固体废物资源循环利用研究的主要内容和学科基础，归纳了固体废物资源循环利用面临的主要科学技术问题。以蛇纹石尾矿、煤矸石、粉煤灰、冶炼渣、工业副产石膏、电子废物等典型固废资源循环利用为例，介绍了不同种类固废的矿物学特性、循环利用发展方向，并阐述了固体废物资源循环利用的矿物学方法，指出了未来工业固体废物资源循环利用的研究重点。

　　关键词：工业固体废物；混合资源；复杂资源；循环利用；矿物学；５Ｒ原则

　　0、引言

　　固体废物是指在社会的生产、流通、消费等一系列活动中产生的一般不再具有原使用价值而被丢弃的以固态赋存的物质。其根据来源分类，可分为生活废弃物、工业固体废弃物和农业固体废弃物。

　　固体废物可经过一定的技术环节，转变为有关部门行业中的生产原料，甚至可以直接使用。因此，固体废物的概念和属性可随时间、空间的变迁而具有相对性。由于生活废弃物和农业固体废弃物主体物相成分基本不含天然矿物相，所以本文讨论的固体废物仅局限在工业固体废弃物的范围。工业固体废弃物是工业生产过程中排入环境的各种废渣、粉尘及其他废物。可分为一般工业废物（如采矿废石、矿山尾矿、高炉渣、钢渣、赤泥、有色金属渣、粉煤灰、煤渣、硫酸渣、废石膏、盐泥等）和工业有害固体废物。

　　２０１１年全国一般工业固体废物产生量３２．３亿ｔ，综合利用量１９．５亿ｔ，贮存量６．０亿ｔ，处置量７．０亿ｔ，倾倒丢弃量４３３万ｔ，综合利用率为５９．９％。全国工业危险废物产生量３４３１．２万ｔ，综合利用处置率为７６．５％。与煤、冶金、有色金属、非金属矿相关的废物比例分别为４２％、３４％、１９％和４％。目前全国工业固体废弃物堆存占地面积达１００多万亩，其中农田约１０万亩。这些固体废物如不被利用，不仅占用土地资源，还造成严重的大气污染、土壤污染和水资源污染，危害自然环境和人类健康。固体废物种类繁多，矿物成分和化学成分复杂多变，物理性质也千差万别，难以通过常规方法处理。固体废弃物中化学成分的富集可引起环境地球化学异常，影响生态环境，因此需要研究固体废弃物资源循环利用理论和技术，使之成为可被利用的原材料，即实现清洁资源化利用。

　　１、固体废物的属性与循环利用的意义

　　１．１固体废物是一种潜在的“混合复杂资源”

　　矿产资源是人类社会赖以生存和发展的重要资源，我国工业生产所消耗的约９５％以上的能源物质和超过８０％的原材料取自矿产资源，每年消耗的矿产资源总量大于５０亿ｔ。解决未来社会矿产资源需求的重要途径就是发现非传统矿产资源，以替代或弥补传统矿产资源的紧缺。而大量排放的固体废弃物是由天然矿物、人工矿物，或两者的混合物组成的“混合资源”，称之为“人工复杂化的资源”。

　　“非传统”的二次资源常与人类活动密切相关并相对富集，若把“传统”的固体废物这种“放错地方的资源”、“人工可转化利用资源”以高科技的方式转变为“非传统”的矿物资源，就可以实现固体废弃物再资源化或二次资源循环利用。

　　固体废物资源循环利用可创造巨大的经济效益。例如我国水泥混凝土行业２０１１年共利用废渣５．９７亿ｔ，相当于节省了近６亿ｔ的水泥，产生１２００亿元以上的价值。固体废物循环利用本质上是一种生态文明经济，可以有效地减少固体废物的产生量、排放量，使其成为一种原料资源，在合理和持久的利用方式中不断使其创造新的经济价值。

　　１．２固体废物循环利用是我国减少矿物资源对外依存的重要方式

　　我国典型基础产业消耗大量的矿产资源，每年生产钢铁约７亿ｔ；电解铝约２０００万ｔ（约占世界一半）；水泥约１８亿ｔ；耐火材料约２８００万ｔ，还有陶瓷、玻璃等产品，均为全球最大。２０１２年我国铁矿石进口量７．４亿ｔ，对外依存度达７１％；铜、铅、锌消费量分别占到世界的３９％、４４％和４４％，而铜资源的自给率仅４０％，铅、锌不足７０％；锑、钨、锡资源储量分别占世界的３８％、６４％和３０％，而消费量达到世界的９１％、８１％和４５％。近几年来矿物资源对外依存度快速上升。

　　我国矿产资源共伴生金属资源储量丰富，但现有技术对多金属矿床中的共伴生金属综合利用率还很低，６０％～７０％的共伴生资源并未得到合理高效利用。而危机矿山不断增多，如我国２５种主要金属的４１５个大中型矿山目前已关闭３８个，占大中型矿山总数的９％；严重危机矿山５４个，约占１３％；又如稀土矿石“三率”水平（开采回收率、采矿贫化率、选矿回收率）仅为世界平均水平的７０％，离子型稀土矿开采回收率不到５０％等，导致大量资源沉淀在矿山废物中。

　　难利用矿产资源是未来我国矿产资源保障的重要支撑。目前我国至少有６０亿ｔ铁矿、２０亿ｔ锰矿、２００万ｔ钼矿、５００万ｔ铜矿处于呆滞状态。矿产资源的综合利用率低，综合利用有效组分在７０％以上的矿山仅为２％，达到５０％的矿山不到１５％，而低于２５％的矿山则高达７５％。这导致我国金属矿山累计存贮的废石、尾矿超过５０亿ｔ，且以每年超过３亿ｔ的速度在增长，尾矿的平均利用率只有８．２％。

　　因此，加强这些废物资源化和循环利用，对有效解决我国经济快速发展中日益突出的环境资源问题，提高资源利用率和建设资源节约型、环境友好型社会的要求，实现我国新型工业化道路和社会经济可持续发展具有重大意义。

　　２、固体废物资源循环利用的原则：从３Ｒ到５Ｒ的飞跃

　　２．１３Ｒ原则在固体废物资源循环利用中的应用与拓展

　　从摇篮到坟墓的全生命周期的资源利用生态环境效益评估理念，以及从源头预防和全过程治理替代末端治理的环保理念，让人们更加注重资源的高效利用和循环利用，并以此提出了“３Ｒ原则”，即以“减量化（Ｒｅｄｕｃｅ）、再利用（Ｒｅｕｓｅ）、再循环（Ｒｅｃｙｃｌｅ）”为原则，把矿物资源开发与使用的“找矿—开采—加工—产品—使用—废弃”单一消耗型方式，运用全过程生态设计的理念转化矿物资源再生过程为“精开采—精加工—再生产—再使用—再循环”多层次闭路循环方式，将资源的单向开路消减变为绿色可持续的闭路循环。３Ｒ原则可以运用到能源、材料、环境等多个领域，将传统的“资源—产品—废物”单向流程变成“资源—产品—再生资源”的高级流动循环过程，并以精开采、低消耗、低排放、高效率为基本特征，是对“粗开采—粗生产—高消耗—高排放—低利用”的传统经济模式的根本改变。

　　固体废弃物资源循环利用在经济、资源、环境方面具有一些特殊性，作者提出５Ｒ原则来推动和评价固体废弃物资源循环利用的水平和范围，即在“３Ｒ”原则的基础上，加上“替代（Ｒｅｐｌａｃｅ）”和“复原（ＲｅｔａｉｎｏｒＲｅｃｏｖｅｒ）”两个原则。“替代”是指运用矿产资源在应用性能上的相互替代性，如非金属矿的一矿多用性或多矿一用性，减少和代用矿物资源。

　　一种方式是以某种矿产（物）元素替代另一种矿产（物）中的元素。如中国可溶钾盐短缺，但明矾石和钾长石丰富，保有储量均达１１．５亿ｔ，而且分布广；运用马鸿文教授攻克的不溶性钾长石的利用技术，有可能替代用钾盐生产钾肥。二是用人工生产的矿物原料替代天然的矿物原料。如用人造压电石英替代天然压电石英，人造金刚石替代天然金刚石。

　　目前利用其他天然或人造材料替代天然的矿物原料，多是使用工业渣或有机物取代，如高活性矿物渣代替部分水泥熟料，或用生物纤维代用矿物纤维等。

　　“复原”是指岩石矿物在使用或赋存过程中部分损伤（失）导致其成分、结构或构造、性能或功能等退化直至丧失后，岩矿（或材料）通过自然或人工过程，在适宜条件和环境下对自身的缺损进行修补和恢复的过程和方法。如果损伤的实质岩矿有再生能力和适宜条件，则通过邻近存留的同种实质资源再生进行修补恢复，完全恢复原有岩矿的结构和功能，可称此为再生性复原或完全性复原。例如，在早期溶解作用发育的岩溶地区的多孔石灰石或多孔石英岩，在后期饱和钙镁溶液或可溶硅溶液发生重结晶作用，重新结晶恢复它们的成分、结构和性能（如强度）。这种现象在自然界是反复进行且常见的过程，现在可以运用这个原理人工修复小尺寸的岩块或材料制件，如磨损高纯多晶硅太阳能板的原位修复、大坝或桥梁微裂纹原位修补以恢复其强度，软路基非开挖矿物硬化以提高强度等都可选用岩矿修复方式或微生物／岩矿修复方式进行。另外，在受限状态下，如果实质矿物不能或仅有部分能再生，缺损部分则全部或部分由新生的同性能的矿物或材料来修补充填缺损，它只能恢复岩矿的完整性，不能完全恢复原有的结构和功能，故称不完全性复原。如碎裂花岗岩的硅质、磷质胶结强化，缺损宝石的固化树脂充填，大型岩矿构件（石柱、石梁、石板等）的原位修补等。

　　２．２再生资源与资源循环利用

　　再生资源或二次资源是相对一次性自然资源而言的，指人工的可利用废弃物资源，具体指人们在自然资源开采加工和使用过程中，将衍生的废物进行回收加工后使其重新具有使用价值的特种资源的总称。它对不可再生资源的循环使用特别有意义。资源在物质结构上具有多元性，多元素多成分的不同组合，构成了各种物质的不同性能，在用途上具有多样性和能量储存功能。资源的物质不灭性和能量形式的可转换性，是废弃物资源可以再生，并可对其进行再次开发、循环利用的内在物质根据。

　　在矿物资源和再生资源综合利用的今天，资源的分类、赋存和供给特点均发生了显著变化。一是传统的金属矿物资源和非金属矿物资源的界限和利用方式变得通用和模糊，如传统的提取元素的金属矿物也可以整体利用其性能，非金属矿物也可以提取需要的金属元素；二是矿物资源的赋存方式如晶体和非晶体的边界和工业品位划分变得宽泛；三是矿物资源产业及延伸产业的规模和地位以材料流或资源流的流动方式及位置经常互换，如资源转换为废物，废物转换为资源。从这个意义上说，物质资源可以不断转换，这为资源循环反复利用提供了可能，这个过程需要以消耗能量来维系。因此，把一次性资源依靠可再生能源循环反复利用起来，这就是我们的目标———资源循环利用，是从源和流两个方面解决资源短缺和生态环境保护问题。

　　３、固体废物资源循环利用研究内容与学科基础

　　固体废物作为一种“混合复杂资源”，我们可以按其资源化应用进行分类，分为能源型固体废物，矿产资源型固体废物，功能产品型固体废物。能源型固体废物，是指其资源化途径主要转化为能源，包括有机固体废物（农作物秸秆、枯枝落叶）和低等矿产能源（煤矸石）等；矿产资源型固体废物，是指其资源化途径主要提取有用组分（金属或非金属），包括低品位矿、尾矿、电子废弃物、工业废渣等；功能产品型固体废物，是指其资源化途径主要为直接开发功能产品，如环境友好材料，是前两种固废最后循环利用的最终途径。

　　固体废物资源循环利用要从微观层次的矿物学、胶体与界面化学和多元多相体系的矿物资源加工、冶金等方面进行系统的研究。主要研究内容和方向包括：（１）固体废物的化学成分、物相组成、有用组分、分布特征、有用成分与物相的富集特征与方式及它们之间的关系，主要包括固体废物矿物学、工艺矿物学、岩石学等。（２）设计并优化加工提纯的流程；查明共伴生组分的特征，提出综合利用的技术方案；查明有用、有害元素的组成特点，指导废弃物利用和无害化处理。这些内容是提高资源利用效率的关键指标。（３）固体废物资源中金属和非金属物质的结合特性与解离特性研究，探讨无机混合体或有机无机复合体（如废弃电子垃圾）的机械破碎性能及粉碎机制，粉碎与分选方式选择与优化（如用自动图像分析法研究物相的结构和解离特征）等，包括固体废物资源中特定颗粒在各种物理场中选择性分离行为，在各种化学场或过程中选择性化学反应或溶出行为，以及微生物浸出、改性行为，并对其质量、环境安全性和经济性进行评价。（４）固体废物循环利用途径、资源物性评价及全过程生态设计，包括固体废物目标产物定位及再生过程工艺设计，再加工—再生产—再使用—再循环的多层次闭路循环利用方式，“资源—产品—再生资源”的高级流动过程全生命周期过程评价，矿物资源的精开采、低消耗、低排放、高效率实现的技术途径。（５）固体废物深加工与增值方法与技术研究，包括减量化、再利用、再循环、替代和修复方法与技术研究；二次资源和“非传统”矿物资源范围、循环利用深加工、增值方式与技术；固体废物直接转化为功能材料的制备过程理论和可控制备技术研究；天然矿物成分配方和结构特征设计新型非金属材料应用研究。（６）固体废物有害组分含量、赋存特征、固定方式，各种介质中的溶出与迁移行为研究；固体废物有害组分资源转化与加工作用过程中的富集、赋存变化、矿物固定方法、转移行为与预防措施研究；各种固体废物有害组分综合生态环境安全性评价；特种废物资源利用与安全性研究如放射性废物的固化和处置理论及技术研究。