《Journal of Environmental Management》：Can phosphogypsum utilization in China be sustainable? An integrated life cycle environmental and economic evaluation
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磷石膏（PG）堆存處置導致嚴重環境負擔，而水泥緩凝劑利用具有最大碳減排效益（2.1噸CO?當量/噸PG），石膏產品經濟效益最高（8±5.5美元/噸）。研究通過整合LCA與LCC方法，系統評估了PG在石膏建材、水泥緩凝、硫磺酸共制水泥及生態修復等四類新興途徑與傳統堆存處置的環境經濟表現，揭示資源化利用的協同效益，為政策制定提供量化依據。
曾敖|熊仕|張輝|鄒秋霞|丁云昌|段華波|楊家寬
中國華中科技大學環境科學與工程學院，長江流域多媒體污染協同控制湖北省重點實驗室，武漢
摘要
磷石膏（PG）作為磷酸鹽化工行業的主要固體廢棄物，由于其每年產生的量巨大（在中國約為7000-8000萬噸），已成為一個重大挑戰。盡管有多種利用方法，但確定最佳利用方式仍存在很大爭議。本研究基于實地調查收集的前景數據，結合生命周期評估和經濟評估方法，對四種典型的磷石膏利用和處置途徑進行了研究和比較。結果表明，磷石膏的堆存處置在所有六個影響類別中都造成了嚴重的負擔，而作為水泥緩凝劑的利用途徑則帶來了最大的環境效益，每噸磷石膏可減少高達2.1噸二氧化碳當量的排放。在各種利用途徑中，石膏制品的盈利能力最高。環境貨幣化分析表明，石膏制品和水泥緩凝劑都是有前景的選擇，分別每噸可產生8.0（±5.5）美元和23.0（±0.4）美元的利潤，而堆存處置的成本為每噸40.0（±6.0）美元。這些發現強調了整合環境和經濟評估的必要性，以支持可持續的磷石膏管理策略，并為業界和政策制定者提供可行的見解。
引言
磷石膏（PG）是濕法磷酸生產過程中的典型固體副產品。每生產一噸磷酸，大約會產生4-6噸磷石膏（Tayibi等人，2009年；Saadaoui等人，2017年）。磷石膏主要由硫酸鈣二水合物（CaSO?·2H?O）組成，但也含有殘留磷酸鹽、氟化物、有機物、重金屬和微量放射性核素等雜質（Chernysh等人，2021年）。這些雜質使磷石膏具有酸性，導致其直接使用受到限制。實際上，這些限制體現在法規和標準要求中，例如基于浸出的危險性分類和合規性測試，以及建筑產品的放射性篩選標準（Macías等人，2017年；Tayibi等人，2009年）。全球每年產生的磷石膏量約為2-3億噸，累計堆存量已超過60-70億噸（Xiao等人，2022年；Bilal等人，2023年）。填埋處置仍然是主要的磷石膏處理方式：約58%的磷石膏被堆存在尾礦池中，28%排放到沿海水域，只有14%被回收利用（Bilal等人，2023年；Zou等人，2025年）。大型磷石膏尾礦池占用土地資源，可能污染周圍土壤和水體，并產生高昂的長期管理和監測成本（Tayibi等人，2009年；Saadaoui等人，2017年；Bilal等人，2023年）。因此，安全處置和有效利用磷石膏對于磷酸鹽肥料行業的可持續發展和全球環境治理至關重要（Akfas等人，2024年）。
中國是全球磷石膏產量最大的國家，每年產量為7000-8000萬噸。尾礦池中磷石膏的累計堆存量已超過8億噸（Shi等人，2024年）。加強廢物管理和激勵政策使2024年的磷石膏利用率提高到61.6%（MEE，2025年）。大部分磷石膏被用于建筑、土木工程和農業領域（Qin等人，2023年）。在建筑領域，磷石膏主要用作水泥緩凝劑，部分替代天然石膏，并作為煅燒原料生產β-半水石膏，用于制造石膏板和塊材（Ma等人，2023年；Qin等人，2023年）。在土木工程中，基于磷石膏的材料主要用于道路基層和路基穩定，也用于采空區和礦坑回填（Rashad，2017年；Zou等人，2024年）。在農業領域，磷石膏作為土壤改良劑，提供鈣、硫和磷，改善土壤質量（Gao等人，2025年）。然而，大規模的農業應用受到重金屬、氟化物和天然放射性核素等有害雜質的限制，這些雜質對土壤和食品安全構成長期風險（Guillén等人，2025年）。
除了這些傳統應用外，近年來還開發了幾種先進的磷石膏利用技術（Akfas等人，2024年）。一種重要的途徑是同時生產硫酸和水泥熟料，其中磷石膏通過熱還原生成SO?用于酸的生產，而富含鈣的殘渣則用作水泥原料（Chen等人，2023年）。其他先進的方法側重于從磷石膏中回收增值產品，包括稀土元素、硫酸銨肥料和高純度CaCO?或基于硫酸鈣的 whiskers（Kandil等人，2017年；Chen等人，2020年；Xie等人，2023年；Jiang等人，2024a；Gijon等人，2026年）。此外，磷石膏還被研究作為CO?捕獲和礦化的活性鈣源，其中磷石膏衍生物與CO?反應生成碳酸鹽產品，同時實現廢物的價值化（Valdez-Castro等人，2023年）。
盡管中國推出了各種補貼和激勵措施來促進磷石膏的利用，但這些措施并未從根本上解決其經濟和環境挑戰。在湖北省的實地調查顯示，許多磷石膏回收企業的利潤率仍然非常低，即使當地每噸處理磷石膏的補貼約為0.1-0.15美元。更重要的是，磷石膏含有酸性和有毒雜質。使用前處理不足可能導致這些污染物在土壤、地下水和作物中的滲漏和積累，從而帶來長期的環境和健康風險（Jalali等人，2019年；Guillén等人，2025年）。因此，與其他大宗工業固體廢棄物一樣，磷石膏的利用涉及技術選擇、環境性能和經濟可行性之間的艱難權衡（Tsioka和Voudrias，2020年）。對于企業和政策制定者來說，目前尚不清楚哪些磷石膏利用途徑能夠在可接受的成本下帶來顯著的環境效益，哪些途徑應優先獲得補貼支持。因此，有必要開發綜合評估框架，將生命周期環境評估與經濟分析相結合，以支持磷石膏的管理（Chen等人，2025年）。
為了支持對磷石膏和其他工業固體廢棄物的復雜決策，生命周期評估（LCA）已成為比較不同廢物管理方案的標準工具。最近的綜述表明，LCA現在被廣泛用于分析城市和工業固體廢物系統，包括回收、能源回收和填埋選項（Mulya等人，2022年）。基于這種方法論基礎，一些研究將LCA應用于磷石膏管理，通常結合經濟指標。Mohammed等人（2018年）對將磷石膏轉化為紙張填充劑和肥料的共生過程進行了可持續性評估，發現基于磷石膏的紙張和肥料在環境和經濟上都不優于傳統產品，盡管它們提供了額外的就業機會等社會效益。Tsioka和Voudrias（2020年）使用LCA比較了四種磷石膏管理途徑——磚生產、土壤改良、道路建設和堆存處置，結果表明，作為土壤改良劑的磷石膏具有最低的環境足跡，而堆存處置是最不受歡迎的選擇。最近，Chen等人（2025年）對中國主要的磷石膏利用途徑進行了綜合生命周期環境和經濟評估，顯示了水泥緩凝劑、建筑材料和硫酸與水泥聯產在不同環境和成本方面的巨大差異。然而，大多數研究僅關注特定工廠或個別產品，未能比較新興的大規模處置選項，如礦坑回填和生態修復，這些選項在中國越來越受到關注。此外，大多數研究未能有效整合環境和經濟評估，從而限制了大規模規劃的決策過程。
為了填補這些空白，本研究全面考察了中國四種代表性的磷石膏利用途徑：石膏制品、水泥緩凝劑、硫酸聯產水泥以及生態修復等新興選項，并將其與傳統的磷石膏堆存處置作為參考途徑進行比較。與以往通常關注單一案例評估或狹義技術比較的研究不同，本研究通過評估每種途徑的2-4個不同工廠或案例，增強了結果的代表性和穩健性。本研究的具體目標是：（1）使用實地調查的前景數據，為這些途徑開發基于過程的生命周期清單，并通過LCA量化其從搖籃到大門的環境影響；（2）通過生命周期成本（LCC）評估每種途徑的私人成本和收入，并確定磷石膏的平準化處理成本；（3）將LCA結果貨幣化，并與LCC結合，估計反映環境外部性和經濟績效的凈社會效益。通過在一致的功能單元和系統邊界下評估所有途徑，本研究闡明了主要磷石膏管理選項之間的環境-經濟權衡，為中國的磷石膏大規模管理提供了有價值的定量證據。
目標和范圍定義
本研究中的LCA方法遵循目標和范圍定義、生命周期清單、影響評估和解釋的四步框架（ISO，2006年）。目標是評估四種磷石膏利用途徑的環境性能，并將其與傳統的磷石膏堆存處置（DS）進行比較。功能單元定義為處理1噸磷石膏。每種途徑的系統邊界如圖1所示。
13種情況的整體環境性能
圖2顯示了13種磷石膏處理情況在六個中間指標（AP、EP、GWP、POCP、HTP和LU）上的表征結果。在所有六個指標中，DS顯示出正面值，除了POCP略有改善外，表明傳統的DS在所有途徑中造成了最大的環境負擔。這一模式與最近的LCA研究一致，這些研究也認為DS是最糟糕的選項，因為它會導致長期向空氣、水和土壤的排放以及永久性土地污染。
結論
本研究結合了LCA、LCC和環境貨幣化方法，比較了四種代表性的磷石膏利用途徑與傳統的DS。在所有指標中，資源利用途徑通過減少環境負擔并在大多數情況下提高經濟性能而優于DS。GP和CR途徑取得了最佳的整體性能，提供了較低的凈影響和正收益。相比之下，SAC仍然能源密集型，僅帶來適度的收益，而ER則...
CRediT作者貢獻聲明
曾敖：撰寫——審稿與編輯，撰寫——初稿，監督，方法論，調查，形式分析，概念化。熊仕：撰寫——審稿與編輯，方法論，調查，形式分析，概念化。張輝：撰寫——審稿與編輯，監督，方法論，形式分析，數據整理。鄒秋霞：撰寫——審稿與編輯，監督，方法論。丁云昌：撰寫——
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文工作的競爭性財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了中國國家重點研發計劃（項目編號：2023YFC3027401）和中國三峽集團研究計劃（項目編號：202403033）的財政支持。
