深入研究中国铜铅锌冶炼行业中铅（Pb）、汞（Hg）、铬（Cr）、镉（Cd）和砷（As）排放的时空动态及多情景预测

《Journal of Hazardous Materials》：Deepening insights into the spatiotemporal dynamics and multi-scenario projections of Pb, Hg, Cr, Cd, and As emissions from China’s copper-lead-zinc smelting industry

大气重金属排放时空异质性与减排潜力研究：基于中国铅锌冶炼行业2013-2023年动态清单分析。研究构建了包含行业分类、产品类型、冶炼工艺和污染控制技术的四级清单体系，量化分析了Pb、Hg、Cr、Cd、As排放的时空分布特征。结果显示全国2023年总排放346.9吨，较2013年下降87.8%，其中Cd减排最显著（92%），Cr排放微增。九大重点省份贡献率66.2%-76.8%，但减排贡献率从2013-2018年的39.7%降至2018-2023年的18.8%。预测2050年铅锌冶炼行业减排潜力16.5%-84.4%，铜冶炼需强化管控。

　　

郭凤辉|童亚莉|姜艳|李国亮|高佳佳|岳涛

北京科技大学能源与环境工程学院，中国北京100083

摘要

铜铅锌（CLZ）冶炼行业是大气重金属（HM）污染的主要来源之一。本研究建立了2013-2023年间中国CLZ冶炼行业五种重点控制重金属（Pb、Hg、Cr、Cd和As）的全面大气排放清单，分析了其时空异质性，并评估了产业发展和环境控制对减排的潜在影响。结果显示，2023年这五种金属的全国排放量分别为238.7吨、24.7吨、20.9吨、21.3吨和41.3吨。与2013年相比，Pb、Hg、Cd和As的排放量分别减少了87.6%、77.3%、92.0%和92.1%，而Cr的排放量略有增加。这些重金属的大气排放存在显著的空间异质性，主要集中在安徽、湖南、江西、云南、甘肃、内蒙古、河南、山东和陕西等九个省份，这些省份在2013-2023年间贡献了全国总排放量的66.2%-76.8%。然而，关键减排省份的贡献率在不同时间段有所变化：2013-2018年间，湖南、云南和甘肃的减排量占全国总量的39.7%，而在2018-2023年间这一比例下降至18.8%。此外，预测到2050年，所有情景下铅冶炼产生的五种重金属排放量都将显著减少，减少幅度在16.5%到84.4%之间。然而，如果没有加强污染控制措施，铜锌冶炼产生的五种重金属排放量预计将反弹，这突显了缺乏额外控制措施的风险。本研究结果可为该行业重金属的精准、区域化治理提供关键数据。

引言

有色金属是重要的基础材料，但其生产过程也是全球重金属（HM）排放的主要人为来源[1]。在高温冶炼过程中，矿石中的重金属会释放出来，并通过烟气进入大气环境，对人类健康和生态环境构成严重威胁[2][3][4]。由于铅、汞、铬、镉和砷具有高毒性、生物累积潜力以及不同的环境迁移性，它们是全球最受关注的重金属元素[5][6][7]。铜铅锌（CLZ）冶炼由于生产规模大且相关重金属的排放特性独特，成为有色金属冶炼领域重金属污染研究的重点[8]。中国在全球铜、铅和锌的生产中处于领先地位，2023年其精炼铜、精炼铅和精炼锌的产量分别占全球总量的48.0%、51.6%和50.8%[9][10][11]。随着新能源产业的快速发展和基础设施投资的持续增加，中国CLZ冶炼行业的规模预计将继续扩大[12][13][14][15]。因此，中国CLZ冶炼行业产生的铅、汞、铬、镉和砷的大气排放一直备受关注。

中国政府将铅、汞、铬、镉和砷列为重点控制的重金属元素[16]。CLZ冶炼行业不仅是重金属污染控制的重点领域，也是中国全面空气污染治理计划中的关键领域。目前，该行业大气排放的控制主要依靠最初为颗粒物（PM）、二氧化硫（SO₂）和氮氧化物（NOx）设计的空气污染控制装置（APCDs）的协同减排[17][18][19]。多项现场测量研究证实了各种APCDs对重金属的协同控制效果[8][17][19][20]。双转化双吸收（DCDA）+湿法烟气脱硫（WFGD）+静电除雾器（ESD）的集成系统对铅、汞、铬、镉和砷的协同去除效率分别为61.6%、91.5%、66.8%、90.4%和73.7%[19][21][22][23]。此外，CLZ冶炼行业也是中国碳排放减排战略的关键领域[24][25]。因此，中国政府在CLZ冶炼行业实施了一系列与重金属排放相关的空气污染控制和碳排放减排措施[26][27][28][29]。显然，中国的CLZ冶炼行业在冶炼工艺、产业结构和APCDs方面发生了显著变化，因此迫切需要准确了解该行业铅、汞、铬、镉和砷的时空排放情况，并预测未来的排放变化。

迄今为止，已有多项研究建立了CLZ冶炼行业的大气重金属排放清单和排放预测[30][31][32][33][34][35][36]。以往的研究探讨了多种空间尺度（即全球、国家和省级）上的重金属排放特征。叶等人[33]利用冶炼工艺比例和省级活动数据建立了1949-2010年中国CLZ冶炼行业的大气汞排放清单。李等人[35]基于企业级别的产品类型和产量数据建立了长期大气重金属排放清单，但忽略了冶炼工艺和APCDs的差异，导致数据存在较大不确定性。总体而言，由于详细数据的缺乏，以往的研究未能构建出高精度的中国CLZ冶炼行业大气重金属排放清单。此外，虽然有一些研究调查了冶炼工艺和APCDs对重金属排放的影响[32]，但缺乏关于污染控制措施升级、产业结构调整与重金属排放之间相关性的定量分析。在未来的排放预测方面，以往的研究采用情景分析方法，结合了矿物金属产量、先进冶炼工艺的普及率和APCDs安装率等因素来预测CLZ冶炼行业的未来排放趋势[8][36][37]。然而，这些研究忽略了次要金属发展的影响，未能全面评估未来重金属减排的潜力。总体而言，关于中国CLZ冶炼行业大气重金属排放的时空异质性仍缺乏深入研究，这限制了针对大气重金属污染的精准治理政策的制定。

在本研究中，我们首次建立了2013-2023年间中国CLZ冶炼行业五种典型重金属（Pb、Hg、Cr、Cd和As）的动态排放清单，采用了企业级和技术级的自下而上方法。通过定量分析历史趋势、产业结构变化和重金属排放的驱动因素，全面研究了大气重金属排放的长期演变。此外，还详细分析了年度内空间变化和多年省级排放变化的特点，并预测了2025-2050年期间的大气重金属排放情况，并量化了在多种发展路径和环境控制组合下的减排效益。这些结果可为区域大气重金属建模和针对重金属污染物的控制策略制定提供重要数据。

研究框架和数据描述

我们建立了一个全面的研究框架，用于分析中国CLZ冶炼行业大气重金属（Pb、Hg、Cr、Cd和As）的排放情况，包括构建大气排放清单和预测未来排放的两个模块（见图1）。在清单建立模块中，我们提出了一个四层排放源分类系统“行业类别-产品类型-冶炼工艺-空气污染控制技术”（见图S1）。

大气重金属的总体排放变化

2023年，中国CLZ冶炼行业这五种重金属的全国总排放量约为346.9吨，其中铅、汞、铬、镉和砷分别占总排放量的68.8%、7.2%、6.0%、6.1%和11.9%（见图2a）。值得注意的是，这五种金属的总体排放量从2013年到2023年逐年下降（见图2b）。与2013年的基准水平相比，这五种金属的累计排放量减少了87.8%（Pb、Hg、Cr、Cd和As的总和）。

结论

利用2023年的企业级数据和2013-2022年的省级数据，建立了中国CLZ冶炼行业的大气重金属（Pb、Hg、Cr、Cd和As）排放清单。结果显示，2023年这四种金属的排放量分别为238.7吨、24.7吨、20.9吨、21.3吨和41.3吨。与2013年相比，Pb、Hg、Cd和As的排放量分别减少了87.6%、77.3%、92.0%和92.1%，而Cr的排放量

环境影响

重金属（HM）因其对环境质量和人类健康的严重威胁而被归类为有害物质。铜铅锌（CLZ）冶炼行业被认为是重金属的重要人为排放源，因为这些金属与矿石相关并在冶炼过程中释放。本研究建立了五种重点控制重金属（Pb、Hg、Cr、Cd和As）的更新大气排放清单，并全面明确了

作者贡献声明

岳涛：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理。高佳佳：方法论、形式分析。童亚莉：撰写、审稿与编辑、监督、方法论。郭凤辉：撰写、原始稿件撰写、数据整理、概念构建。李国亮：数据可视化、软件开发。姜艳：数据调查、数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2024YFC3907901）和中国国家自然科学基金（项目编号42403066；项目编号52330003）的支持。同时，我们也感谢编辑和匿名审稿人对本文提出的宝贵意见和建议。