柴立元 1, 2, 3 ,柯勇 1, 2, 3 ,王云燕 1, 2, 3 ,李金惠 4 ,李会泉 5 ,吴玉锋 6 ,罗旭彪 7 ,张作泰 8 ,刘建国 4 ,闵小波 1, 2, 3 ,温宗国 4 ,顾一帆 6 ,李青竹 1, 2, 3 ,颜旭 1, 2, 3 ,史美清 1, 2, 3
1. 中南大学冶金与环境学院，长沙 410083
2. 有色金属强化冶金新技术全国重点实验室，长沙 410083
3. 国家 重金属污染防治工程技术研究中心，长沙 410083
4. 清华大学环境学院，北京 100084
5. 中国科学院 过程工程研究所，北京 100090
6. 北京工业大学循环经济研究院，北京 100021
7. 井冈山大学 生命科学学院，江西 吉安 343009
8. 南方科技大学环境科学与工程学院，广东 深圳 518055
柴立元，中南大学冶金与环境学院教授，中国工程院院士，研究方向为冶金环境工程；E-mail: chailiyuan2024@163.com
摘要
我国大宗工业固体废物新增及堆存量大、生态环境影响突出，因而强化大宗工业固体废物多层级循环利用并实现“去存量、减增量”，成为事关生态文明和美丽中国建设成效的重要内容。本文剖析了我国大宗工业固体废物综合利用面临的突出挑战，在参照国际先进理念、把握现阶段循环经济研究进展的基础上，提出了“地球宏循环”新概念并阐述了构建背景与内涵要素。着力突破大宗工业固体废物仿天然矿化重构与矿山回填、大宗工业固体废物类土壤化转化与生态回归利用、历史遗留大宗工业固体废物堆场“生态平衡”与风险控制、“地球宏循环”智能决策与管理系统平台等“地球宏循环”研究新范式，精准应用“地球宏循环”概念，构建循环型绿色生产模式，创建难消纳工业固体废物“地球宏循环”模式，以系统化设计驱动循环型社会创建，逐步实现大宗工业固体废物大规模处理与处置以及“从哪里来、到哪里去”的生态回归。
关键词：工业固体废物 / 地球宏循环 / 生态回归 / 循环利用 / 大规模消纳
一、前言
固体废物循环利用是生态安全和“无废城市”建设的迫切需求[1]。《中共中央 国务院关于全面推进美丽中国建设的意见》（2023年）提出，加快构建废弃物循环利用体系，到2035年“无废城市”建设将实现全覆盖。健全废弃物循环利用体系、将生态文明建设从重点整治转向系统治理，成为今后一段时期的重点任务。我国工业固体废物共59个大类、185个小类[2]，产生量约占固体废物总量的40%[3]。生态环境部的统计数据表明，“十二五”时期我国工业固体废物的产生量约为3.2×109 t/a，进入“十三五”时期后增长至3.6×109~4.4×109 t/a。我国工业固体废物的综合利用量长期维持在2×109~2.3×109 t/a，说明约有2×109 t/a的工业固体废物未开展综合利用，相应造成了大量堆存。合理估算，我国工业固体废物的累计堆存量约为6×1010 t，占地面积约为2×106~3×106 hm2，堪称“废弃矿山”[4]，既占用大量的土地资源，又对生态环境构成潜在威胁。
根据《大宗工业固体废物综合利用“十二五”规划》（2011年）、《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》（2021年）等政策文件，大宗工业固体废物指工业生产中单一种类产量超过1×108 t/a、在一定的时／空间内不再具有使用价值而被丢弃、以固态或泥浆状存在的废物，分为煤矸石、粉煤灰、尾矿、工业副产石膏、冶炼渣5个大类，主要源于金属矿采选、煤电、冶金、化工4个行业。大宗工业固体废物在工业固体废物中的占比较高，相应的减量、循环利用、大规模消纳是提升我国工业固体废物综合利用率的主要方面，对节约原生资源、降低资源对外依存度，减少大气、水、土壤污染风险具有重要意义，成为关系生态文明和美丽中国建设成效的关键指标[5]。然而，在现有的综合利用体系下，大宗工业固体废物的综合利用量难以获得显著突破。
后续，我国污染防治攻坚战将向纵深推进，美丽中国战略也进入全面建设期，大宗工业固体废物的处理和处置成为重要且迫切的任务。在加强减量和循环利用的基础上，亟需实施系统性变革，探索大宗难消纳工业固体废物的规模化消纳新途径[6]。本文在总结我国大宗工业固体废物综合利用面临挑战的基础上，较为系统地提出“地球宏循环”概念，阐释相应的生态回归研究范式和实施建议，可为固体废弃物综合利用体系构建提供理论支持。
二 大宗工业固体废物综合利用面临的挑战
（一） 大宗工业固体废物产废强度高、堆存量大，环境影响效应突出
在我国，金属矿采选、煤电、冶金、化工等重点行业的工业固体废物产生量分别为1.4×109 t/a、1×109 t/a、7×108 t/a、5×108 t/a，产生强度分别为2.0~2.1 t/万元产值、1.0~1.1 t/万元产值、0.4~0.5 t/万元产值、0.2~0.3 t/万元产值。煤矸石、金属尾矿、粉煤灰、脱硫石膏、钢渣、赤泥、磷石膏、气化渣等固体废物的产量约占工业固体废物总产量的80%，有效处理难度较大。例如，磷石膏的堆存量约为8×108 t，综合利用率不足50%[7]；受新能源产业发展带动，未来的磷酸需求量有望继续增长，将增加磷石膏的产生量。截至2021年年底，长江流域各省份的约2450座尾矿库共排查出各类生态环境问题超过2100个[8]；尾矿、废渣的长期堆存可造成水 ‒ 土 ‒ 气复合污染，对长江流域的生态环境、居民健康等构成潜在威胁。
（二） 部分类别／区域的大宗工业固体废物利用率偏低，消纳停滞不前
“十二五”时期，工业固体废物的产生量相对少，综合利用率整体维持在60%以上；进入“十三五”时期后，工业固体废物的产生量明显增加，导致综合利用率较“十二五”时期明显降低（持续低于60%）；直至2023年，工业固体废物的综合利用率才重新超过60%（见图1）。受技术、市场等因素的影响，磷石膏、赤泥、尾矿等的利用率持续走低，明显低于工业固体废物综合利用的平均水平。磷石膏的综合利用率不足50%，多采用堆存方式进行处理[7]。赤泥成分复杂、碱性高，综合利用成本高、难度大，成为大宗工业固体废物中综合利用率最低的品种；2023年的产生量为1.07×108 t，利用量约为1.05×107 t，综合利用率约为9.8%，累计堆存量约为1.3×109 t。金属尾矿利用难度也较大，综合利用率不足35%[9]。
图1 我国工业固体废物的产生和利用情况（2011—2023年）
注：数据来源为各年度“中国生态环境统计年报”。
工业固体废物利用存在较为明显的区域分布不均衡情况。山西、内蒙古、河北、辽宁、山东等省份的大宗工业固体废物，合计产生量占全国总量的40%以上，但各自的综合利用率均低于全国平均水平。《关于加快推动工业资源综合利用的实施方案》（2022年）提出，力争2025年的大宗工业固体废物的综合利用率达到57%。可见，主要省份的大宗工业固体废物综合利用水平与发展目标值存在明显差距。实际上，尾矿、赤泥、磷石膏等工业固体废物已经面临“无处可用、无地可存”的境地，亟需寻求大规模消纳的新途径[10]。
（三） 地球环境／区域／行业协同困难，政策与技术体系实施受限
我国现有各类废弃矿山约9.9×104座[11]，矿井数量众多、分布范围广，地球生态环境破坏比较严重。在矿山区域，对相关企业产生的大量固体废物缺乏整体性、系统性处置方案，导致生态修复与固体废物治理脱节[12]。《国务院办公厅关于加快构建废弃物循环利用体系的意见》（2024年）提出，在符合环境质量标准和要求的前提下，畅通生态修复、路基材料等利用和消纳大宗固体废物的渠道。尽管如此，仅有内蒙古自治区包头市等地制定了一般工业固体废物用于矿山采坑回填、生态恢复技术规范等地方标准并开展了相关实践，而全国层面推进缓慢，缺乏有力的奖惩机制和财税优惠政策，导致已实施的项目数量极为有限。大宗工业固体废物回填利用的监管制度、协调机制、标准及评价体系、财税优惠政策、公共资金扶持等配套体系不协调、不完善[13]，加之技术体系支撑能力不足，共同制约了大宗工业固体废物的生态回归进程。
三 “地球宏循环”概念
（一） 概念提出的背景
自工业革命以来，各国经济社会发展普遍采用线性的生产消费模式，物资单向流动，部分工业部门产生了大宗固体废物，以难以处理的形态堆存于大自然[14]。循环经济建立在资源充分利用与循环使用的基础上，追求整个系统尽可能少地产生废弃物[15~17]。然而相关系统的规模有差异，现阶段循环经济的研究集中在企业、园区、城市层面，对应的载体分别是元素、物质、产业；通过企业小循环、园区中循环、城市大循环的“三层级”循环系统，形成无废企业、无废园区、无废城市（见图2）[18,19]。其中，企业小循环重在变革流程工业技术，实现源头减量和内部循环[20]；园区中循环、区域／城市大循环聚焦固体废物利用的大数据生态化设计，利于开展跨行业、跨区域利用[21~23]。
图2 支持无废社会建设的“四层级循环”示意图
发达国家围绕固体废物循环利用体系构建课题，在企业、园区、城市、社会等尺度上开展了战略规划与创新布局[24~26]，具有代表性的进展有：欧盟着力构建由高质量、无污染产品引领的企业循环链，培育由大数据驱动的园区绿色低碳循环发展新模式[27]；日本依托高水平的城市群和都市圈，追求发展以固体废物循环链接为纽带的区域循环生态圈[28,29]；美国积极构建以产业共生、生态消纳为特征的无废社会发展新范式，加强生产／生活循环链接，促进废物生态回归[30]。
（二） 新概念的内涵
本研究面向我国大宗难消纳工业固体废物的规模化消纳难题，借鉴发达国家的社会尺度循环理念，在“三层级”循环系统的基础上扩大循环的尺度，将固体废物循环的载体、系统分别变换为生态和整个地球，由此变换原有的固体废物循环模式[31]，形成新的循环模式，构成“地球宏循环”这一新概念。结合企业小循环、园区中循环、城市大循环、“地球宏循环”，即可构建固体废物“四层级”循环系统（见图2），为构建“无废社会”、应对大宗工业固体废物综合利用面临的挑战提供了新的路径。“地球宏循环”作为“三层级”循环系统的科学拓展与合理补充，是解决大宗固体废物循环利用与消纳“最后一千米”的关键环节。
大宗难消纳工业固体废物的“地球宏循环”概念，主要指从宏观角度拓展废物循环利用的尺度，师法自然并遵循环境地学的演变规律以及人类 ‒ 地球环境系统的整体性、系统性、复合性、综合性，将大宗固体废物类土壤化、仿天然矿化处理，在环境承载力及自我调节能力的范围内进行宏观尺度的固体废物循环，最大限度地将固体废物安全回归并融入地球生态系统及环境系统，更好参与地球环境系统的发展演化，由此逐步建立地球环境系统新的动态平衡，达到大宗难消纳工业固体废物的生态回归目标。
我国大宗工业固体废物新增及堆存量大，占用大量土地资源，存在生态环境安全隐患[32,33]。为此，应用“地球宏循环”概念，首要课题是确保大宗工业固体废物在回归自然过程中的生态与环境安全。在控制环境风险、保障生态安全的前提下，采用类土壤化、仿天然矿化、矿山回填等技术，与系列化的政策、标准、规范、顶层设计等耦合，精准驱动大宗难消纳工业固体废物“从哪里来、到哪里去”的大规模处理与处置。面向大宗工业固体废物实施“地球宏循环”大规模消纳，将提升规模化利用水平并改善生态环境[34,35]，创新性地替代一次自然资源并置换土地资源，降低固体废物的处理和处置压力，推动从“废弃矿山”到“绿水青山”的重大转变，保障区域工业部门高质量发展，确保经济社会可持续发展。
四 “地球宏循环”生态回归研究范式
面向大宗难消纳固体废物“无处可用、无处可存”的现实问题，构建大宗工业固体废物“地球宏循环”理论与技术体系，为固体废物大规模消纳、全生命周期“地球宏循环”生态回归提供科学依据与技术支撑。
（一） 大宗工业固体废物仿天然矿化重构与矿山回填
面向大宗工业固体废物资源化利用、废弃矿山生态修复的重大需求，发展表界面诱导主控物相仿天然矿物定向转化技术，通过调控剂的表界面强化诱导，模拟天然矿物的形成过程，实现固体废物中有害物质的稳定化，保障矿山回填过程中环境风险可控。研发大宗固体废物定向胶凝化转化技术，将固体废物转化为水泥、混凝土等功能性胶凝材料的替代物。构建智能安全优选矿山化场地算法与大数据模型，利用人工智能（AI）、大数据技术，模拟和评估回填过程中矿山地质稳定性、生态安全性，实现回填工法的智能优选和安全风险的有效控制。结合碳减排的需求，研发地下矿山（溶洞）固体废物充填协同矿化固碳技术，通过矿化反应实现废物稳定化和CO2固定。基于景观布局与功能的生态设计原则，研发大宗固体废物结构塑形与景观再造技术，开发高效塑形技术及设备，支撑固体废物在景观资源开发中的消纳利用。结合上述技术及其实际应用情况，构建大宗工业固体废物矿化重构与回填标准体系，确保矿化重构与回填过程的规范性和安全性。开展大宗工业固体废物的仿天然矿化重构与矿山回填，推动“废弃矿山”转变为“绿水青山”。
（二） 大宗固体废物类土壤化与生态回归利用
聚焦大宗固体废物的土壤化转化与利用，研发大宗固体废物生物 ‒ 化学耦合转化技术，通过微生物与化学药剂的协同作用，将固体废物高效快速转化为稳定的类土壤物质。模拟天然土壤的肥力、透气性、保水性，创新有机／无机协同的类土壤重构技术，优化有机腐殖质和无机矿物质的配比与结构，提升类土壤的功能性。开发大宗固体废物固沙、蓄水关键材料构筑技术，将固体废物转化为具有固沙、保水功能的生态材料，用于荒漠化治理和水土保持。针对沙漠、岩溶、废弃矿山等应用场景，研发类土壤利用过程中生态重构与生物多样性修复关键技术，构建适用于特定场景的生态修复技术体系，实现土壤结构优化、生态系统功能恢复、生物多样性提升。建立大宗固体废物类土壤化生态安全效应评价理论与标准体系，确保类土壤化与生态回归利用过程的环境安全性及可持续性。推动大宗固体废物转变为可利用的土壤资源，实现固体废物的大规模安全消纳。
（三） 历史遗留大宗固体废物堆场“生态平衡”与风险控制
聚焦历史遗留固体废物堆场的生态修复与风险管控，研究历史遗留固体废物堆场的生态系统和“生态平衡”调控技术，分析堆场生态系统的结构及功能，结合采用自然修复技术与人工干预手段，恢复堆场生态系统的稳定性和自净能力。研究固体废物堆场组分迁移与稳定化转化调控技术，探明堆场中有害物质的迁移规律，开发高效稳定化技术，阻断污染物扩散路径，降低环境风险。研究历史堆场生态与安全风险控制技术，采用生态屏障构建、植被恢复、微生物修复等手段，控制堆场的生态退化与安全风险，提升堆场生态系统的抗干扰能力。集成多源数据，结合AI、大数据技术，构建堆场风险的实时监测、预警和可视化管控平台，实现堆场治理的智能化与精准化。支撑形成历史遗留固体废物堆场的生态修复与风险治理技术体系，推动区域生态环境质量的整体性提升。
（四） “地球宏循环”智能决策与管理系统平台
针对大宗固体废物“地球宏循环”过程中环境与安全风险管控难题，基于AI、大数据技术，研发大宗固体废物智能识别与数据分析模型，实现固体废物的高效识别与精准分类。基于数字孪生技术、人造矿山虚拟仿真模型，开发安全预警系统，建立人造矿山的数字孪生与安全预警体系，形成人造矿山运行状态实时监测能力。开发类土壤大规模安全利用的数字监测平台，实时监控类土壤利用过程对环境的影响程度及实施效果，确保大规模应用的安全性。利用区块链的分布式存储与不可篡改特性，构建面向“地球宏循环”的固体废物全生命周期管理的智能决策平台、数据信息云共享平台，实现数据的安全储存与共享，推动大宗固体废物“地球宏循环”的安全管控。
五 大宗难消纳工业固体废物“地球宏循环”应用建议
（一） 构建循环型绿色生产模式，减少需“地球宏循环”的固体废物量
围绕金属矿采选、煤电、冶金、化工等重点行业，推动循环型工业企业、循环型园区建设，采用变革性流程工业技术，加快实现相关行业固体废物源头减量、“固体废物不出厂”的企业小循环。开展固体废物利用的大数据生态化设计，加快实现重点行业固体废物的园区中循环以及跨行业、跨区域的社会大循环。关注各行业全生命周期的固体废物循环，增强大宗工业固体废物的源头减量、资源化利用、减污降碳协同增效，从源头上减少需通过“地球宏循环”模式处理与处置的固体废物量。在典型地区开展循环型绿色生产模式试点，推进有条件的地区率先实现新增工业固体废物能用尽用、存量工业固体废物有序减少的“去存量、减增量”任务，形成可复制、可推广的发展模式。
（二） 创建难消纳工业固体废物“地球宏循环”模式
建议实施大宗工业固体废物类土壤化的生态回归利用技术攻关，创新突破废物“梯级循环+生态治理+回填修复”的生态回归技术体系，在符合环境质量标准和要求基础上，拓宽采选矿行业、煤电行业大宗工业固体废物生态回归的物质循环路径。耦合生态修复和固体废物消纳，在适宜地区强制推行矿井充填等技术，将采选矿行业固体废物纳入非金属矿产资源开发管理；研究细分技术标准和评估体系，突破相关的管理政策约束，推广粉煤灰、工业副产石膏、冶炼渣等替代水泥作为充填材料，扩大在矿山生态修复中的应用范围；在京津冀及周边地区、黄河流域等重点区域，率先开展大宗工业固体废物用于路基材料、生态修复的大规模消纳示范。结合关键技术、标准体系及示范经验，总结形成大宗难消纳工业固体废物“地球宏循环”新模式，驱动固体废物“从哪里来、到哪里去”的生态回归。
（三） 完善系统化设计，建立多部门协同的组织实施机制
建议设立发展与改革、自然资源、生态环境、工业和信息化、市场监管、税务等管理部门协同的组织实施机制。加强组织管理，将大宗工业固体废物综合利用率作为生态文明建设、美丽中国建设的重要指标，纳入经济社会发展评价、绿色核算体系、管理部门绩效考核。建立和健全大宗工业固体废物循环利用过程二次污染控制、综合利用产品质量控制、工业副产品鉴别及质量等方面的标准，尽快制定煤矸石、赤泥等重点类别的利用技术规范。强化财税引导作用，研究《中华人民共和国税收征收管理法》修订工作，明确限制工业固体废物的储存时间，在产生、运输、处理和处置等环节征收环境税，对回收、利用等环节给予税收优惠，依法惩罚无序堆存和处置。提供工业固体废物利用和处置专项资金，制定支持工业固体废物利用的融资政策、绿色信贷机制。对于历史遗留无主的，由地方管理部门负责处置；对于无价值或价值较低、环境风险较大但可以利用的，合理提供财政补贴。
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来源：环境评论
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