前言

鉛作為重要的戰略性資源，以它良好的延展性和耐腐蝕性成為第四大工業基礎金屬。鉛鋅礦經過開采和冶煉進入下游消費領域制造含鉛產品，目前全球有近86%的鉛用于鉛酸電池制造。由于鉛礦開采和冶煉過程的高污染和高能耗的特點，造成了原生礦產鉛冶煉行業重金屬污染排放及生態破壞問題突出，往往是“開了一座山，污染一大片”。鉛酸電池使用壽命一般為2～3年，2016年中國鉛酸電池產量已達世界總產量的50%以上，大量報廢電池若未經合理回收利用會造成大量鉛資源浪費，還帶來重金屬和酸液等嚴重的環境污染問題。以廢鉛酸電池為主要原料的再生鉛冶煉行業的興起，實現了鉛資源從“搖籃—墳墓—搖籃”的可持續性循環代謝。

隨著再生鉛冶煉行業的日漸興起和不斷壯大，冶煉企業周邊兒童血鉛事件頻發，土壤和水體重金屬污染問題嚴重。近年來，再生鉛冶煉企業對環境造成的影響研究成為國內外學者研究的熱點和重點；少數學者從工藝替代角度探索性開展再生鉛濕法冶煉工藝研究，但受技術經濟成本、二次污染等因素影響，濕法冶煉工藝至今尚未大規模普及。為了有效開展再生鉛冶煉行業污染防控，2013年以來中國政府發布實施了再生鉛行業準入條件、污染物排放標準以及清潔生產標準等政策性文件，但由于行業工藝技術水平相對落后且管理模式粗放，企業普遍面臨著無法持續穩定達標的困境，資源高效利用和環境污染防控的雙重挑戰，已成為制約再生鉛冶煉行業綠色發展的巨大障礙。因此，如何科學有效地構建再生鉛冶煉過程資源能源消耗以及污染物產排系統分析和優化的方法學，科學指導和引領行業綠色發展政策制定和實施，系統規范和支撐行業企業開展清潔生產實現節能、降耗、減污和增效的目標，是支撐再生鉛冶煉行業綠色發展亟待解決的重大科學問題。

本書基于系統學和協同控制理論，提出了再生鉛冶煉過程物質代謝的清潔生產與末端治理協同代謝模式，彌補了傳統物質代謝僅關注生產系統“資源代謝”或末端治理系統“廢物代謝”模式的系統邊界和要素分析“局部性”的不足。基于清潔生產和循環經濟原理，首次將傳統物質代謝分析方法中的輸入流、儲存流和輸出流3類物質流指標，拓展為輸入流、中間產品流、產品輸出流、中間廢物產生流、一次污染物產生流、清潔生產回用流、末端治理循環流、一次污染物排放流和二次污染物排放流共計9類物質流，將傳統物質代謝“黑箱化”研究深化為“灰箱化”甚至“白箱化”研究。研究發現，通過優化配置冶煉過程各類代謝物質的代謝路徑、代謝節點和代謝種類，可實現再生鉛火法冶煉過程鉛回收率5.47%的提升以及16.00%～78.40%的產污負荷的降低。

為了有效表征物質代謝過程“量變化”與“質衰減”對代謝效率的影響，本書引入熱力學第二定律“”的概念，協同考慮物質代謝過程“量變化”和“質衰減”，提出物質代謝效率的“”代謝分析方法，實現了資源和能源協同代謝效率歸一化的核算，避免傳統物質代謝僅僅考慮“量變化”，無法統一核算不同計量單位的資源和能源代謝效率造成“虛高”評價的不足，為完善傳統物質代謝僅僅關注“量代謝”無法表征“質衰減”提供新的研究視角。同時，為了系統客觀評估再生鉛冶煉過程物質代謝的環境影響效果，本書基于大氣科學顆粒物化學組分譜分析、米氏散射的粒徑反演、重金屬形態分析以及Hakanson生態風險指數法等分析方法，系統集成提出再生鉛冶煉過程污染物“代謝形態”分析方法，完成再生鉛冶煉過程物質代謝廢物流“代謝形態”分析，從“代謝量”和“代謝形態”協同分析角度為物質代謝分析方法提供了新視角。本書首次構建了再生鉛冶煉煙氣化學成分譜，給出了冶煉渣中各類重金屬潛在環境風險的生物有效性系數，為大氣環境質量重金屬污染有效溯源以及再生鉛冶煉行業土壤和地下水重金屬污染風險防控提供科學依據。

基于冶金熱力學吉布斯自由能最小化原理，本書剖析了再生鉛冶煉過程物質代謝機理以及代謝規律，構建了冶煉過程資源和能源協同代謝模型；基于模擬試驗數據的模型泛化構建了再生鉛冶煉過程“5-25-15-4”物質代謝的BP神經網絡協同優化模型。優化模擬結果顯示，與現行火法冶煉工藝相比，優化后的冶煉過程可實現冶煉煙氣中鉛、硫、砷和鎘的產污負荷分別下降78.40%、52.00%、72.63%及16.00%。

本書基于系統學、協同學、物質代謝、冶金熱力學、清潔生產和循環經濟及神經網絡等基礎理論和方法，從物質代謝機理、代謝系統邊界、代謝物質流分類、代謝路徑、代謝模式、代謝量、代謝形態以及代謝效率8個方面，重點圍繞再生鉛冶煉過程清潔生產與末端治理協同代謝模式、資源和能源協同代謝效率、多污染物協同代謝機理和效率以及物質代謝量和代謝形態的協同優化的四個協同優化尺度，提出并構建了再生冶煉過程物質代謝及協同優化的理論和方法學體系，闡述了我國再生鉛冶煉行業物質代謝及其協同優化的實證研究，旨在豐富和創新工業生產過程物質代謝方法學體系，為再生鉛冶煉行業綠色發展提供科學理論和方法學指導，同時為其他工業代謝及其協同優化領域研究提供方法借鑒。本書具有較強的技術性和針對性，可供從事冶煉過程清潔生產、污染控制等的工程技術人員、科研人員和管理人員參考，也可供高等學校環境科學與工程、生態工程、冶金工程及相關專業師生參閱。

本書由李艷萍著，圖書編寫過程中得到了學術界和行業內大量專家、學者的指導和幫助，在此重點感謝中國環境科學研究院柴發合教授、北京仁博齊環境科技有限公司高境高級工程師、中國環境科學研究院張昕工程師、中國科學院戰略研究所郭建新博士、礦冶科技集團有限公司范艷青研究員在本書的總體框架、模型構建、試驗設計、數據核算等方面給予的悉心指導和大力幫助；同時感謝中國環境科學研究院喬琦研究員，北京師范大學趙傳鋒教授和何孟常教授，清華大學陳呂軍教授、張天柱教授和田金平教授，礦冶科技集團有限公司的楊曉松研究員和邵立南研究員，中國礦業大學（北京）何緒文教授以及南開大學于宏兵教授給予的幫助；特別感謝本書初稿校對張青玲，同時感謝楊奕、智靜、趙亞洲等同事的辛勤付出。本書能夠順利出版，還要特別感謝化學工業出版社編輯認真負責的態度、專業嚴謹的編校和高效的工作節奏。在此對給予本書支持和幫助的所有學者和同事表示真誠感謝。

限于著者水平及編寫時間，書中不足和疏漏之處在所難免，敬請各位專家學者批評指正。

著者

2020年8月于北京