重金属元素物质流分析的研究进展

阎 丽，范 翘（湖南省环境保护科学研究院，湖南长沙 410004）

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重金属元素物质流分析的研究进展

阎 丽，范 翘
（湖南省环境保护科学研究院，湖南长沙 410004）

重金属污染已成为事关群众身心健康和社会稳定的重大民生问题，文章介绍了物质流分析技术，对国内外铁、铜、铅、锌、镉等重金属元素物质流分析的研究进展进行了详细评述，指出目前重金属物质流分析存在的主要问题，提出了重金属元素物质流分析研究未来发展趋势。

物质流；重金属；防控；全生命周期

随着社会经济的发展，生态环境在我国发展战略中，具有越来越重要的地位。人民群众对清洁空气、干净的水、放心食品的需求日益增长，重金属环境污染问题不容忽视。若重金属在环境、食品和生物体中存在的浓度和化学形态超出正常范围，会造成危害人体健康、导致环境质量恶化的后果。当前，重金属污染已成为事关群众身心健康和社会稳定的重大民生问题。2011年4月初，我国首个“十二五”专项规划——《重金属污染综合防治“十二五”规划》获得国务院正式批复，防治规划力求控制铅、砷、镉、铬、汞5种重金属。2013年10月，我国政府签署了《关于汞的水俣公约》，在推动我国汞全生命周期防控的同时，也将带动我国“十三五”重金属污染防治全生命周期战略思路的建立。

物质流分析［1］是追踪重金属元素的流动情况，分析控制和缓解相应环境问题的可能途径并提出解决方案的重要工具。在重金属污染防治方面，迫切需要以重金属元素物质流分析为基础，对重金属元素进行工业代谢研究，揭示重金属元素的输入、输出、贮存等过程的流动模式，从而评估重金属元素生命周期在不同过程对工艺、产品和环境产生的影响与负担，识别环境问题产生的原因，并试图找到降低资源、能源投入量，减少废弃物产生量，提高资源利用率和解决环境问题的途径，为重金属污染防治全生命周期优化管理奠定基础。

1 物质流分析技术

物质流分析［2］是研究经济社会中原料提取、使用、废弃、处置、再生利用等一系列物质流动过程中的结构与动力机制的系统方法，物质流分析技术将质量守恒原理进一步公式化为：

输入量＝输出量+净累积量

其中：净累积量＝沉积量-释放量

物质流分析的研究方法分自下而上、自上而下两类。第一类研究从特定的资源、环境问题出发，通过分析相应的金属元素（如镉、铅、铜等）、非金属元素（如碳、氮、氧等）、原材料或产品的社会代谢模式、结构和通量，为进行资源优化管理、污染控制提出实施方案和长期战略。第二类研究通过核算原材料与物质的投入量、产出量来衡量一定范围（如企业、部门、地区、国家）的物质生产效率及可持续发展水平，分析物质减量化、集约化、生态化转型的可能途径。

2 国外重金属元素物质流分析研究进展

从20世纪80年代开始，欧美国家陆续展开了宏观层面的重金属元素流动和库存的研究。通过追踪物质的流动情况，进而发现环境污染的原因，并较早意识到重金属的累积库存对环境问题的重要性。

1995年，SM Jasinski［3］分析了汞在美国的流动情况。通过研究汞的开采、生产、使用和最终处置，制作了自1989至1990年汞的物质流动分析图，通过收集和分析相关数据，提出环境中汞排放的来源主要是人为因素，包括化石燃料燃烧、垃圾焚烧、有色金属采矿作业等，指出未来通过燃烧排放的汞将成为最大的汞排放源。

1996年，Voet Ester van der［4］在其博士论文中对物质流分析的定义、总体框架、系统界定、应用的模型和政策导向进行了详细的阐述，并基于政策导向对镉和氮的化合物在欧盟地区流动和库存情况进行了案例分析。

JB Guinée，J.C.J.M van den Bergh，J Boelens等［5］在荷兰全国层面开展了镉、铜、铅、锌等金属元素流动和富集的风险评估，预计这些金属在经济和环境中的累积量自1990年起将出现较大的增幅，分析了产生增长的主要原因是金属元素由垃圾填埋场向非农用土壤的排放，指出这些金属元素的积累增长超过临界水平时对人体、陆地和水生生物的影响，并提出了一些防止超过临界水平的相关措施及建议。

2002年，S Spatari，M Bertram，K Fuse等从矿石提取、生产、加工、使用、废物处理等不同环节开展欧洲国家铜物质流的全生命周期分析［6］，利用连续的质量平衡计算来识别一定时间范围内每个环节中金属元素的流向、流量和库存，并开发了欧洲国家铜物质流模型和数据库。

2003年，A Kapur，M Bertram，SSpatari等［7］基于物质流框架建立了一种国家层面的工业金属的区域存量和流动模型，通过收集不同时期铜的生产、进口和出口的数据，对亚洲地区铜循环开展了定性和定量的评估，指出尽管亚洲地区是铜的净进口国，但与欧洲和北美国家相比，存在铜的使用率、人均废铜产生量、铜的回收率较低的问题，针对上述问题提出了亚洲国家资源政策和环境管理方面的建议，以解决该地区的可持续发展问题。

S Spatari，M Bertram，K Fuse等［8］采用连续的质量平衡跟踪了锌在矿石、产品、二次资源以及废弃物中的流动路径等，构建了锌的物质流模型和数据库，研究结果表明：有色金属初级锌产品大多从北美洲、南美洲和大洋洲进口，在欧洲进行精炼；拆解废料和废旧汽车是锌流进废弃物中的主要方面，只有约34%的废弃锌得以回收；锌在环境中的损失较大，由此产生的影响应在不同时间和空间尺度上开展全方位的评估。

2005年，JJohnson，JJirikowic，M Bertram等［9］对银在多个国家、地区和全球的多级循环流动、库存、损失情况进行了系统的研究，认为在国家层面上，一个国家的发展水平（国内生产总值）是反映白银使用量的重要指标，墨西哥、美国、秘鲁、中国是主要矿产开采国，美国、日本、印度、德国和意大利是主要银产品制造国；在地区层面上，北美和欧洲人均使用银产品超过其他地区；在全球层面上，约57%的银进入全球废物回收管理系统（如尾矿库），该研究为资源政策及环境管理提供了依据。

2006年，JJeremiah，S Laura，TE Graedel等［10］在54个国家、9个地区以及全球三个层面上对铬开展了详尽的物质流定量分析，研究认为：2000年，78%铬流进最终消耗，非洲和独联体国家是主要采矿国，而亚洲、欧洲和北美洲是主要最终用户和产生含铬废水最多的地区；全球铬的损耗主要在尾矿、废料及消费损耗等方面。最后提出通过开展使用存量和制成品贸易有关的调研，可以更准确地规划未来废弃物的源头削减、再利用、资源化等战略。

2007年，Konstantine Drakonakis，Katherine Rostkowski，Jason Rauch等［11］从城市基础设施、建筑、运输系统、设备等方面对纽黑文市钢铁库存状况和铜库存状况进行了分析，指出该市28%钢铁库存在汽车、铁路和船舶等流动贸易方面，22%钢铁库存用于传输石油燃料的城市基础设施方面，铜主要用于城市中电力和水管道的分布，指出造成库存量低于全国平均水平的原因是缺乏重工业和大型建筑。

美国矿产局（U.S.Bureau of Mines，USBM）运用物质流分析方法，完成了1994年至2010年铁、钽、铅、砷、镉等十几种金属物质在全国范围内的物质流研究［12，13］，并在此基础上提出了降低环境风险和提高资源利用效率的主要途径和措施，其成果直接服务于政府的矿产资源政策制订过程，是国家水平上物质流分析技术与决策过程相结合的典型案例。

3 国内重金属元素物质流分析研究进展

国内应用物质流分析的研究出现在2000年以后，由于重金属的环境毒性，被视为应跟踪其全生命周期代谢过程的重点，重金属物质流分析的研究尺度可以分为全球、国家、地区、生产部门等，研究对象主要为铁、铜、铅、锌等具有资源战略性的元素。

3.1 铁元素物质流分析

陆钟武［14］在分析了有时间概念的钢铁产品生命周期铁流图与铁流详图之间异同的基础上，研究了钢铁产品生命周期的基准铁流图和钢铁产品产量在保持不变、按线性方程增长、按指数方程增长、以及下降四种情况下的铁流图，明确了钢铁产品生命周期源头上天然铁资源的消耗量与其末端铁排放量之间的关系，从铁资源消耗量和铁排放量两个方面，提出了对钢铁产品生命周期铁流图进行评分的方法，为开展相关资源、环境问题的研究提供了思路和方法。

楼俞、石磊［15］采用自下而上方法对邯郸市钢铁和铝的存量进行了调查研究，计算了钢铁和铝的使用规模、强度和总存量及其分布情况。截至2005年底，邯郸市使用中的钢铁存量为1 333 kg／人，建筑、基础设施、交通系统的钢铁存量分别占总钢铁存量的66.6%，19.7%和7.9%；使用中的铝存量为19.6 kg／人，建筑、基础设施、交通系统的铝存量分别占总铝存量的61.5%，4.1%和24.4%。该研究弥补了我国在城市尺度上元素库存分析的空白，为制定产业政策、环境政策和资源战略提供了科学和数据支持。

3.2 铜元素物质流分析

岳强、陆钟武［16，17］研究了涵盖铜生产、铜制品加工制造和使用、废杂铜回收等四个方面铜循环的“STAF”模型，介绍了“具有时间概念的铜产品生命周期铜流分析方法”，分析了中国铜的社会存量变化及其流动状况，得到了2002年的铜流图，计算了铜工业的原料自给率、使用废杂铜的比例、矿石指数、铜资源效率和废铜指数等指标。针对我国铜循环现状，从促进铜矿山发展、提高铜再生资源利用率、扩大进口、加强对尾矿和熔渣的回收利用等四个方面提出促进铜工业健康发展的建议。

郭学益、宋瑜、王勇等［18］从铜的生产、加工制造、使用和废铜处理4个阶段详细阐述了铜循环的“STAF”物质流分析模型，并以此模型分析了2004年我国铜的流动状况和社会存量变化，指出1998～2004年我国铜工业生产阶段的原料自给率和使用废杂铜的比例、加工制造阶段的原料自给率和使用废杂铜的比例平均值分别为49.08%、25.98%、57.14%和21.45%，远低于欧洲发达国家水平。指出今后我国铜工业可持续发展的工作重点是加强政策引导与科研投入力度、大力提高一次铜的资源生产率和二次铜的再资源化效率。

3.3 铅元素物质流分析

毛建素、杨志峰、陆钟武等［19］在构建铅酸电池生命周期铅流图基础上，建立了系统与外部环境之间的联系，获得了铅酸电池系统铅流基本规律。通过与瑞典某铅酸电池系统中铅流进行对比，发现中国铅酸电池系统中铅的生态效率低下的原因是铅的循环率低下、铅的排放率偏高、铅酸电池年产量持续增长等，认为提高生态效率将有利于资源节约和环境改善，并提出了提高生态效益的相关对策。

郭学益、钟菊芽、宋瑜等［20］研究了铅循环的“STAF”物质流分析模型，分析了2006年我国铅的社会存量变化及其流动状况，计算出生产阶段的原料自给率PZ和使用废杂铅的比例PS、加工制造阶段的原料自给率MZ和使用废杂铅的比例MS分别为79.28%、19.08%、148.91%、30.25%，在此基础上总结了我国在铅资源循环利用方面的不足，并对铅工业的发展和资源的循环利用提出了建议。

钟琴道、乔琦、李艳萍等［21］以液态高铅渣直接还原工艺为研究对象，针对粗铅冶炼生产过程中铅金属环境污染问题，建立了粗铅冶炼过程铅元素流分析框架。指出我国粗铅冶炼生产过程中存在的问题，提出了优先提高铅直收率、降低烟尘率、减少无组织粉尘散逸、采用高效脱硫除尘协同防治技术等建议。

3.4 锌元素物质流分析

姜文英、柴立元、何德文等［22］针对铅锌冶炼企业物质流动情况，从分析方法的内容与步骤两方面进行了详尽的研究，认为对铅锌冶炼主流程各工序的物质流分析采用生命周期评价方法，铅锌伴生元素回收过程的输入输出分析采用化合物物质流分析方法，得到了适用于铅锌冶炼企业循环经济建设模式下的物质流分析方法。

张江徽、陆钟武［23］研究了2004年中国锌循环的状况，指出存在的主要问题是原料对外依存度、再生锌指数很低，矿石指数较高。同时分析了中国锌工业的产业政策现状，指出尚未建立完整的锌工业可持续发展政策体系，再生增值税政策不合理，经济适用的技术创新及推广支持力度不够，锌矿资源的开发和合理使用政策相对滞后等是制约锌产业发展的主要因素。提出了建立完整的推进锌循环的政策体系、实施锌工业原料结构的战略调整、加快重点技术研发及推广、制定科学合理的经济政策、促进产业重组若干政策建议。

4 重金属元素物质流分析研究展望

重金属元素物质流分析对识别某一环境污染问题的根源、发现特定资源利用中的效率问题具有重要作用，未来的研究重点是开展多种重金属污染协同防控、加强重金属元素全生命周期研究、加快构建重金属元素物质流分析的数据库、开展中小尺度重金属元素代谢状况的研究等方面。

1.开展多种重金属污染协同防控的研究。目前的研究多集中在具有资源战略性的重金属元素上，对砷、铬、汞等易对环境造成严重污染、对人体造成严重危害的重金属元素物质流分析较少。今后的研究应在主要金属资源的投入和流向及物质流的使用总量和使用强度方面延伸，还要涵盖其它重金属污染物的排放情况及有价元素的流动情况。

2.加强重金属元素全生命周期的研究。在企业层面的重金属元素物质流分析研究多集中在生产环节，未来的研究应由生产环节重金属防控向源头物质防控和后端的流通、消费、运输、废弃处置环节进行延伸，评估产品或工艺从“摇篮到坟墓”全过程的物质输入输出及其环境影响的生命周期评价体系。

3.加快构建重金属元素物质流分析的数据库。重金属元素物质流分析研究很大程度上受限于数据的可得性和可信度，因而，针对不同的研究目的、研究对象和研究区域，构建具有针对性的重金属基础数据库非常重要。目前不少科研工作者提倡物料衡算和监测相结合方法确定各生产过程的排污状况，建立重金属污染防治管理信息系统数据库和重金属的生产、使用、排放等全生命周期的物质流向管理成为未来的发展趋势。

4.开展中小尺度重金属元素代谢状况的研究。目前针对重金属元素的物质流研究多为全球层面、国家层面、地区层面等大尺度分析，加强城市、工业园、企业等物质代谢过程的研究，也将成为未来研究的一个方向。

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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

阎 丽（1984-），女，工程师，主要从事环境规划与政策研究，重金属污染防治、含重金属固废处理与资源化利用等方面的研究工作。