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磷石膏（PG）堆存处置导致严重环境负担，而水泥缓凝剂利用具有最大碳减排效益（2.1吨CO?当量/吨PG），石膏产品经济效益最高（8±5.5美元/吨）。研究通过整合LCA与LCC方法，系统评估了PG在石膏建材、水泥缓凝、硫磺酸共制水泥及生态修复等四类新兴途径与传统堆存处置的环境经济表现，揭示资源化利用的协同效益，为政策制定提供量化依据。
曾敖|熊仕|张辉|邹秋霞|丁云昌|段华波|杨家宽
中国华中科技大学环境科学与工程学院，长江流域多媒体污染协同控制湖北省重点实验室，武汉
摘要
磷石膏（PG）作为磷酸盐化工行业的主要固体废弃物，由于其每年产生的量巨大（在中国约为7000-8000万吨），已成为一个重大挑战。尽管有多种利用方法，但确定最佳利用方式仍存在很大争议。本研究基于实地调查收集的前景数据，结合生命周期评估和经济评估方法，对四种典型的磷石膏利用和处置途径进行了研究和比较。结果表明，磷石膏的堆存处置在所有六个影响类别中都造成了严重的负担，而作为水泥缓凝剂的利用途径则带来了最大的环境效益，每吨磷石膏可减少高达2.1吨二氧化碳当量的排放。在各种利用途径中，石膏制品的盈利能力最高。环境货币化分析表明，石膏制品和水泥缓凝剂都是有前景的选择，分别每吨可产生8.0（±5.5）美元和23.0（±0.4）美元的利润，而堆存处置的成本为每吨40.0（±6.0）美元。这些发现强调了整合环境和经济评估的必要性，以支持可持续的磷石膏管理策略，并为业界和政策制定者提供可行的见解。
引言
磷石膏（PG）是湿法磷酸生产过程中的典型固体副产品。每生产一吨磷酸，大约会产生4-6吨磷石膏（Tayibi等人，2009年；Saadaoui等人，2017年）。磷石膏主要由硫酸钙二水合物（CaSO?·2H?O）组成，但也含有残留磷酸盐、氟化物、有机物、重金属和微量放射性核素等杂质（Chernysh等人，2021年）。这些杂质使磷石膏具有酸性，导致其直接使用受到限制。实际上，这些限制体现在法规和标准要求中，例如基于浸出的危险性分类和合规性测试，以及建筑产品的放射性筛选标准（Macías等人，2017年；Tayibi等人，2009年）。全球每年产生的磷石膏量约为2-3亿吨，累计堆存量已超过60-70亿吨（Xiao等人，2022年；Bilal等人，2023年）。填埋处置仍然是主要的磷石膏处理方式：约58%的磷石膏被堆存在尾矿池中，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）。大型磷石膏尾矿池占用土地资源，可能污染周围土壤和水体，并产生高昂的长期管理和监测成本（Tayibi等人，2009年；Saadaoui等人，2017年；Bilal等人，2023年）。因此，安全处置和有效利用磷石膏对于磷酸盐肥料行业的可持续发展和全球环境治理至关重要（Akfas等人，2024年）。
中国是全球磷石膏产量最大的国家，每年产量为7000-8000万吨。尾矿池中磷石膏的累计堆存量已超过8亿吨（Shi等人，2024年）。加强废物管理和激励政策使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、土木工程和农业领域（Qin等人，2023年）。在建筑领域，磷石膏主要用作水泥缓凝剂，部分替代天然石膏，并作为煅烧原料生产β-半水石膏，用于制造石膏板和块材（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层和路基稳定，也用于采空区和矿坑回填（Rashad，2017年；Zou等人，2024年）。在农业领域，磷石膏作为土壤改良剂，提供钙、硫和磷，改善土壤质量（Gao等人，2025年）。然而，大规模的农业应用受到重金属、氟化物和天然放射性核素等有害杂质的限制，这些杂质对土壤和食品安全构成长期风险（Guillén等人，2025年）。
除了这些传统应用外，近年来还开发了几种先进的磷石膏利用技术（Akfas等人，2024年）。一种重要的途径是同时生产硫酸和水泥熟料，其中磷石膏通过热还原生成SO?用于酸的生产，而富含钙的残渣则用作水泥原料（Chen等人，2023年）。其他先进的方法侧重于从磷石膏中回收增值产品，包括稀土元素、硫酸铵肥料和高纯度CaCO?或基于硫酸钙的 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，磷石膏还被研究作为CO?捕获和矿化的活性钙源，其中磷石膏衍生物与CO?反应生成碳酸盐产品，同时实现废物的价值化（Valdez-Castro等人，2023年）。
尽管中国推出了各种补贴和激励措施来促进磷石膏的利用，但这些措施并未从根本上解决其经济和环境挑战。在湖北省的实地调查显示，许多磷石膏回收企业的利润率仍然非常低，即使当地每吨处理磷石膏的补贴约为0.1-0.15美元。更重要的是，磷石膏含有酸性和有毒杂质。使用前处理不足可能导致这些污染物在土壤、地下水和作物中的渗漏和积累，从而带来长期的环境和健康风险（Jalali等人，2019年；Guillén等人，2025年）。因此，与其他大宗工业固体废弃物一样，磷石膏的利用涉及技术选择、环境性能和经济可行性之间的艰难权衡（Tsioka和Voudrias，2020年）。对于企业和政策制定者来说，目前尚不清楚哪些磷石膏利用途径能够在可接受的成本下带来显著的环境效益，哪些途径应优先获得补贴支持。因此，有必要开发综合评估框架，将生命周期环境评估与经济分析相结合，以支持磷石膏的管理（Chen等人，2025年）。
为了支持对磷石膏和其他工业固体废弃物的复杂决策，生命周期评估（LCA）已成为比较不同废物管理方案的标准工具。最近的综述表明，LCA现在被广泛用于分析城市和工业固体废物系统，包括回收、能源回收和填埋选项（Mulya等人，2022年）。基于这种方法论基础，一些研究将LCA应用于磷石膏管理，通常结合经济指标。Mohammed等人（2018年）对将磷石膏转化为纸张填充剂和肥料的共生过程进行了可持续性评估，发现基于磷石膏的纸张和肥料在环境和经济上都不优于传统产品，尽管它们提供了额外的就业机会等社会效益。Tsioka和Voudrias（2020年）使用LCA比较了四种磷石膏管理途径——砖生产、土壤改良、道路建设和堆存处置，结果表明，作为土壤改良剂的磷石膏具有最低的环境足迹，而堆存处置是最不受欢迎的选择。最近，Chen等人（2025年）对中国主要的磷石膏利用途径进行了综合生命周期环境和经济评估，显示了水泥缓凝剂、建筑材料和硫酸与水泥联产在不同环境和成本方面的巨大差异。然而，大多数研究仅关注特定工厂或个别产品，未能比较新兴的大规模处置选项，如矿坑回填和生态修复，这些选项在中国越来越受到关注。此外，大多数研究未能有效整合环境和经济评估，从而限制了大规模规划的决策过程。
为了填补这些空白，本研究全面考察了中国四种代表性的磷石膏利用途径：石膏制品、水泥缓凝剂、硫酸联产水泥以及生态修复等新兴选项，并将其与传统的磷石膏堆存处置作为参考途径进行比较。与以往通常关注单一案例评估或狭义技术比较的研究不同，本研究通过评估每种途径的2-4个不同工厂或案例，增强了结果的代表性和稳健性。本研究的具体目标是：（1）使用实地调查的前景数据，为这些途径开发基于过程的生命周期清单，并通过LCA量化其从摇篮到大门的环境影响；（2）通过生命周期成本（LCC）评估每种途径的私人成本和收入，并确定磷石膏的平准化处理成本；（3）将LCA结果货币化，并与LCC结合，估计反映环境外部性和经济绩效的净社会效益。通过在一致的功能单元和系统边界下评估所有途径，本研究阐明了主要磷石膏管理选项之间的环境-经济权衡，为中国的磷石膏大规模管理提供了有价值的定量证据。
目标和范围定义
本研究中的LCA方法遵循目标和范围定义、生命周期清单、影响评估和解释的四步框架（ISO，2006年）。目标是评估四种磷石膏利用途径的环境性能，并将其与传统的磷石膏堆存处置（DS）进行比较。功能单元定义为处理1吨磷石膏。每种途径的系统边界如图1所示。
13种情况的整体环境性能
图2显示了13种磷石膏处理情况在六个中间指标（AP、EP、GWP、POCP、HTP和LU）上的表征结果。在所有六个指标中，DS显示出正面值，除了POCP略有改善外，表明传统的DS在所有途径中造成了最大的环境负担。这一模式与最近的LCA研究一致，这些研究也认为DS是最糟糕的选项，因为它会导致长期向空气、水和土壤的排放以及永久性土地污染。
结论
本研究结合了LCA、LCC和环境货币化方法，比较了四种代表性的磷石膏利用途径与传统的DS。在所有指标中，资源利用途径通过减少环境负担并在大多数情况下提高经济性能而优于DS。GP和CR途径取得了最佳的整体性能，提供了较低的净影响和正收益。相比之下，SAC仍然能源密集型，仅带来适度的收益，而ER则...
CRediT作者贡献声明
曾敖：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，方法论，调查，形式分析，概念化。熊仕：撰写——审稿与编辑，方法论，调查，形式分析，概念化。张辉：撰写——审稿与编辑，监督，方法论，形式分析，数据整理。邹秋霞：撰写——审稿与编辑，监督，方法论。丁云昌：撰写——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3027401）和中国三峡集团研究计划（项目编号：202403033）的财政支持。
