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摘 要 ：基于 GB ∕ T 37756-2019 方法研究我国湿法炼镍的全生命周期， 计算红土矿湿法炼镍的水足迹。结果表明， 红土矿湿法 炼镍工艺中电积工序的综合水环境影响最为显著。
关键词 ：水足迹 ；红土矿 ；镍冶炼
中国水资源总量约29041.0 亿m3[1]，水资源总量丰富，但根 据世界银行WDI 数据库 [2] 统计，2017 年中国人均可再生淡水资 源 2029.0m3，仅为世界平均水平的 35.4％，用水问题严峻。2020 中国镍产品表观需求量 130.97 万 t[3]，已成为世界上最大的金属 镍消费国。镍冶炼过程的多个环节中都会产生含有大量污染物 的废水 [4]，造成多方面的环境影响。因此，采取科学的水资源管 理方法作为应对危机的首要方式日益受到关注，水足迹方法更 是成为众多水环境评价方法中的研究热点。
水足迹概念于2002 年由荷兰学者Hoekstra 等 [5] 在虚拟水理 论基础上首次提出，指公众在日常生活中消费的产品、服务、过 程等消耗的全部水资源 [6]。水足迹可根据研究对象的差异被划分 为区域水足迹、过程水足迹和产品水足迹。我国的产品水足迹研 究已经应用于农产品 [7]、基础能源产品 [8] 和轻工业产品 [9]，但目 前仍然缺乏对有色金属产品全生产流程的水足迹分析。
水足迹评价的两种主流核算方法可分为两种，Hoekstra 等学者联合国际非政府组织“水足迹网络”（Water Footprint Network,WFN） 确立的WFN 水足迹评价方法 [5] 和国际标准化组 织基于生命周期评价框架制订的国际标准水足迹评价方法 ISO14046[10]。WFN侧重于水资源消耗量的核算，缺乏统一的关于水 体污染的核算方法 ；而 ISO 水足迹评价方法将水足迹定性为一 种综合性环境评价指标，量化评估人类活动对水资源及相关环 境造成的消耗和污染，更适用于废水污染物种类繁杂的有色金 属产品。《GB/T 37756-2019 产品水足迹评价和报告指南》[11] 立 足ISO 14046 水足迹评价方法编制，对水足迹评价方法，特别是 影响评价环节进行了本土化的转化。基于 GB/T 37756-2019 方法 建立红土矿湿法炼镍过程的生命周期清单，计算红土镍矿湿法 炼镍的水足迹， 辨析镍冶炼过程中问题产生的关键工序， 有助于 镍冶炼企业节水减排进行针对性的改进。
1 金属镍冶炼水足迹评价模型建构
1.1 金属镍冶炼水足迹评价方法
国际标准化组织于 2014 年根据生命周期评价方法发布的 ISO 水足迹评价方法侧重于由产品或组织机构消耗或影响的水 资源的输入、输出和潜在环境的汇编和评价。基于生命周期评价 的水足迹评价过程分为四个阶段，分别是 ：目标与范围的确定、 水足迹清单分析、水足迹影响评价和水足迹结果解释。
镍矿资源可分为硫化矿床和红土镍矿两类，红土镍矿在世 界范围内占有量高， 而我国镍矿资源类型以硫化矿床为主。近年 来我国精炼镍需求日益提升，大量进口印度尼西亚和菲律宾等 国的红土矿进行生产，由于进口镍矿品位差异大且成分不稳定， 多用湿法进行冶炼。镍冶炼系统边界包含金属镍产品生命周期 的镍矿开采和金属镍冶炼两个阶段，选取生产 1kg 品位为 99.9％ 的金属镍作为功能单位红土镍矿湿法炼镍的水足迹。
1.2 金属镍湿法冶炼系统边界
红土镍矿成分较于硫化镍矿更为复杂，且品位较低，生产流 程需针对矿石具体成分进行调整。红土镍矿的湿法冶炼工艺主 要有三种，分别是氨浸、常压酸浸和加压浸出。其中氨浸工艺应 用最早， 适用于处理镁含量较高的表层红土矿， 但不能有效分离 矿石中的铜、钴等成分，现已被企业淘汰。加压酸浸工艺的钴镍 浸出率高达 90％以上，具有能耗低的优点，虽然工艺复杂，操作 条件严格， 仍广泛被全球新建镍矿冶炼工厂所采用。红土镍矿湿 法冶炼用水可依据性质分为一般用水、高盐废水和酸性废水三 类。一般用水包括设备循环冷却水、洗涤用水和装置污水排放， 此类用水水质较高， 重金属和有机成分含量低。高盐废水含有大 量重金属及盐物质， 例如原料带入水、沉淀出水、电絮凝废水等， 酸性废水来源于酸浸环节的冲洗液及萃取过程的萃余液等。
研究范围包括采矿、运输、酸浸等过程， 系统边界如图 1所示。 1.3 基于 GB/T 37756-2019 的金属镍湿法冶炼水足迹影响 评价
基于 GB/T 37756-2019 的金属镍湿法冶炼水足迹包括水稀 缺足迹和水劣化足迹两类。水稀缺足迹用于评价与生产活动相 关的潜在环境影响，一种产品或工艺的水稀缺足迹通过水资源 消耗来计算， 其表达式如下 ：
式中 ：为金属镍产品水稀缺足迹，m3 ；Cj 为工序j 的用 水量， m3 ；i,n 为金属镍产品生产的各单元过程， i=1,2,3...
水劣化足迹用于评价产品水污染物排放到水体中导致的水 降解的潜在环境影响。水劣化足迹通常通过以下影响类别进行 评价 ：水体富营养化足迹、水酸化足迹、水体生态毒性足迹等。 水劣化足迹的计算方法分为临界稀释体积法和当量系数法，本 文选取适用于污染物排入水体而产生水劣化足迹的当量系数法 进行计算， 每种影响类型选取不同污染物当量进行评价， 其表达 式如下 ：
式中 ：为金属镍产品水劣化足迹，m3 ；为排入水体 的污染物k 的特征化因子，污染物当量 /kg-污染物 ；为排入
水体的污染物的量， kg ；k为污染物种类 ；d 为水劣化足迹的类型， 可为水体富营养化足迹、水体酸化足迹、水体生态毒性足迹等。
2 数据清单分析
湿法炼镍的采矿环节涉及国内采矿和海外采矿，国内采矿 数据源于广西银亿科技矿冶有限公司的企业调研 [12]，该企业电 积镍年产量 5000t，红土镍矿出矿品位 1.12%， 金属镍综合回收率 约 86%，镍矿采矿损失率和贫化率均为 3%。2016-2018 国家镍矿 进口量 [13] 中菲律宾进口镍矿约占 79%，故取用瑞士 Ecoinvent3 数据库 [14] 中菲律宾镍矿开采的新水消耗和污染排放数据作为海 外采矿的数据。海外红土镍矿的品位取 1.7%[15]，采矿损失率和 矿石贫化率均假设为 5%。特征化因子如表 1 所示，其中水体生 物毒性特征化因子分为淡水生物毒性和海洋生物毒性两部分。 余下工序的新水取用及污染物排放清单来自文献 [16]。酸浸工序 镍浸出率为 96.2%[17]，萃取工序镍常温萃取率取 96.91%[18]，假设 酸浸工序浸出液含镍量 70g/L，依据上述数据可折算生产 1kg镍 所需的各工序新水消耗量。
假设国内湿法冶炼镍原矿至冶炼厂的运输为公路运输20 公 里，湿法冶炼的辅助材料运输距离均依据我国近 5 年公路货物运 输平均运输距离取 180.3 公里 [19]，结合文献中获取的公路运输污 染排放清单 [20] 计算得国内红土矿湿法冶炼过程中的运输工序污 染排放。海外红土矿采用海运方式运输， 水体污染排放数据难以 获得， 予以忽略。表2 为红土镍矿湿法炼镍水污染物排放数据。
3 红土镍矿湿法炼镍水足迹评价
红土镍矿湿法炼镍水稀缺足迹为 0.12m3，各工序占比如图2 所示。红土镍矿湿法炼镍水稀缺足迹最高的三个工序依次为酸 浸、萃取和国内开采。酸浸工序首先应注意温度和压强对镍浸出 率的影响， 以便降低工序间新水投入。萃取工序的水耗主要用于 对酸浸工序制得的镍浸出液进行pH 等参数调整，便于后续反应 进行， 故应整体考虑这一过程中的各类物料投入， 不断优化配料 比，减小水稀缺足迹。水劣化足迹计算过程中涉及的特征化因子取自 Simapro 软 件中的ReCiPe2016 方法体系。红土镍矿湿法炼镍的水体富营养 化足迹为 0.02kg N eq，水酸化足迹为 0.10molc H+ eq，水体生物 毒性足迹为 0.01kg 1,4-DCB， 各工序水劣化足迹结果见表 3。
海外开采的污染排放受镍矿进口地区的矿场环境和技术水 平制约，进口海外红土矿有效避免了国内红土矿炼镍的部分水 体富营养化足迹和水体酸化足迹。电积工序中的水体富营养化 足迹更多地受到NOx 排放量的影响，可考虑酸雾净化等方法进 行处理。酸浸工序的水酸化足迹主要由 SO2 引起，结合废气制酸 等处置方法可在治理排放的同时减少原料投入。电积过程产生 的各类水污染物中， 钒排放对水体生物毒性足迹的贡献最大。运 输过程对湿法炼镍水劣化足迹的影响较小。
4 结论
基于 GB/T 37756-2019 方法研究我国红土矿湿法生产 1kg 品 位为 99.9％的金属镍的水足迹。GB/T 37756-2019 方法水稀缺足迹 0.12m3，水体富营养化足迹 0.02kg N eq，水酸化足迹 0.10molcH+ eq，水体生物毒性足迹 0.01kg 1,4-DCB。红土镍矿湿法炼镍的 水稀缺足迹主要来源于酸浸工序，水体富营养化足迹和水体酸 化足迹主要来源于海外开采和电积两个工序，水体生物毒性足 迹主要来源于电积过程。电积工序的水环境影响包含耗水和酸 性气体排放两个方面，电积工序脱硝应成为湿法炼镍企业优化 生产技术方向。
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