離子型稀土礦浸取工藝對資源、環(huán)境的影響

鄒國良， 吳一丁， 蔡嗣經(jīng)

（1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083；2.江西理工大學有色金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究中心，江西 贛州341000）

0 引 言

離子型稀土礦開采經(jīng)歷了池浸、堆浸和原地浸礦等3種生產(chǎn)工藝[1]，池浸與堆浸生產(chǎn)工藝原理相同，其差異主要在于池浸采用溶浸池而堆浸采用堆浸場進行浸出稀土以及生產(chǎn)規(guī)模等方面的差別.鑒于目前堆浸取代池浸工藝已成為共識，為了研究的方便，本文只研究堆浸和原地浸礦這2種生產(chǎn)工藝對資源、環(huán)境的影響.

由于國家發(fā)改委出臺的 《產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整指導目錄（2011年版）》將離子型稀土礦堆浸和池浸工藝列為淘汰類生產(chǎn)工藝，《中國的稀土狀況與政策》白皮書（2012）明確規(guī)定“執(zhí)行強制淘汰制度，禁止采用離子型稀土礦堆浸、池浸選礦工藝”，因此，導致在離子型稀土礦實際生產(chǎn)中，絕大多數(shù)不符合原地浸礦工藝生產(chǎn)條件的離子型稀土礦山停產(chǎn).此外，環(huán)境保護及礦山管理部門、離子型稀土礦山企業(yè)等對原地浸礦生產(chǎn)工藝造成的資源損失和潛在的環(huán)境破壞表示嚴重擔憂.

一般來說，離子型稀土礦不同生產(chǎn)工藝其采選綜合回收率不同，造成的資源損失和環(huán)境破壞的種類、方式和可控程度也有差異.為降低資源損失和環(huán)境破壞造成的長期影響風險，讓人們更清楚地了解堆浸和原地浸礦生產(chǎn)工藝造成的資源損失和環(huán)境破壞的差異，本研究基于現(xiàn)有生產(chǎn)技術，將離子型稀土采選造成的資源損失分為暫時性損失和永久性損失，把環(huán)境破壞分為顯性破壞和隱性破壞，將資源損失和環(huán)境破壞按可控程度進行分類.通過較深入的比較，以期為相關政策的制定、行業(yè)的長遠發(fā)展以及生產(chǎn)工藝的選擇提供參考.

1 離子型稀土礦床特征及生產(chǎn)工藝原理

1.1 離子型稀土礦特征

1.1.1 礦床狀態(tài)

離子型稀土礦（也稱風化殼淋積型稀土礦）礦床為裸露地面的風化花崗巖或火山巖風化殼，大多處于海拔小于550 m、高差60～250 m的丘陵地帶，以平緩低山和水系發(fā)育為特征.礦床厚度為5～30 m，一般為8～10 m.礦體自上而下較明顯地分為腐殖層（含殘坡積層）、全風化層、半風化層以及基巖，稀土主要賦存在全風化層.根據(jù)原礦稀土品位隨礦體深度變化的規(guī)律，礦體分深潛式、淺伏式和表露式等3種分布形式（見表1）[2].由于礦床分布淺，因此不便采用地下開采形式.

表1 離子型稀土礦垂向分布形式及特征

1.1.2 離子型稀土礦浸取工藝特殊

由于離子型稀土礦中的稀土元素賦存形式為離子相[3]，其賦存形式?jīng)Q定了離子型稀土礦生產(chǎn)工藝不同于一般的金屬礦開采工藝，無法采用重選、磁選或浮選選礦方法，而需采用電解質(zhì)離子交換化學選礦法[4].

1.1.3 礦床底板發(fā)育程度差異大

離子型稀土礦礦床底板不同對工藝的選擇影響非常大，在我國南方離子型礦山中，具有良好底板的礦山只占10%左右，90%左右的礦床底板發(fā)育不良.礦床底板發(fā)育程度決定了離子型稀土生產(chǎn)工藝的選擇.

1.1.4 資源儲量難估算準確

離子型稀土礦中稀土元素呈離子態(tài)吸附于土壤之中，分布散、豐度低，品位分布不均勻，工業(yè)資源儲量的計算以“全相”稀土為依據(jù)，但可利用的“離子相”稀土只占稀土儲量（資源量）的一部分，而且“離子相”稀土儲量不容易估算準確[5].

1.2 堆浸、原地浸礦生產(chǎn)工藝流程

1.2.1 堆浸工藝

離子型稀土礦堆浸生產(chǎn)工藝需要砍伐地表植被，剝離礦體表土，然后將露天開采的礦石放入人造堆浸池中，采用硫酸銨溶液作為浸取劑，草酸或碳酸氫銨為沉淀劑將稀土沉淀.離子型稀土提取工藝流程如圖1所示.

1.2.2 原地浸礦工藝

離子型稀土礦原地浸取生產(chǎn)工藝只需較少破壞礦體地表植被，不剝離表土，直接在礦山上布置浸取劑注入孔和交換液收集孔，通過注入硫酸銨浸取劑，從集液溝內(nèi)收集稀土母液，最后用草酸或碳酸氫銨沉淀.原地浸礦生產(chǎn)工藝流程如圖2所示.

圖1 堆浸生產(chǎn)工藝流程

圖2 原地浸礦生產(chǎn)工藝流程

1.3 堆浸、原地浸礦生產(chǎn)工藝比較

1.3.1 相同點

（1）都會造成一定的礦山地表植被破壞.堆浸生產(chǎn)工藝被稱為“搬山運動”，對地表植被完全破壞，而原地浸礦生產(chǎn)工藝因要布置注液井和集液溝也要破壞20%左右的地表植被.

（2）選礦方法相同.這2種開采工藝均是采用化學選礦方法，采用浸取劑硫酸銨溶浸原礦，將稀土離子交換析出，然后用草酸或碳酸氫銨沉淀.

1.3.2 不同點

（1）生產(chǎn)工藝流程不同.堆浸生產(chǎn)工藝為露天開采，采選分離；原地浸礦生產(chǎn)工藝為溶浸開采，采選合一.堆浸生產(chǎn)工藝的明顯特征是造成地形地貌的顯著變化，而原地浸礦生產(chǎn)工藝基本不會改變地形地貌.

（2）生產(chǎn)條件要求不同.堆浸生產(chǎn)工藝對堆浸場地有大小和地形要求，而原地浸礦生產(chǎn)工藝對礦床底板完整程度有要求.堆浸一般為規(guī)模化生產(chǎn)，需要的場地較大，此外，對地形也有一定要求，以防止尾礦堆滑坡；原地浸礦工藝對采場底板要求較高，一般要求礦床底板自然發(fā)育良好或者建造人工假底板，此外，生產(chǎn)期間一般要避開雨季，以避免雨水對溶浸濃度的影響.

（3）技術要求不同.離子型稀土賦存淺，堆浸生產(chǎn)工藝過程為露天開采和淋浸，淋浸的時間和濃度等很重要，而原地浸礦布置注液和集（收）液系統(tǒng)很關鍵.因此，不同生產(chǎn)工藝其技術要求不同.

（4）對明確資源儲量的作用不同.采用堆浸生產(chǎn)工藝開采后根據(jù)資源回收率能比較準確地反演資源工業(yè)儲量，而稀土賦存地下的未知性以及殘留在礦體中稀土的不確定性決定了采用原地浸礦生產(chǎn)工藝開采后很難反演資源工業(yè)儲量.

2 堆浸、原地浸礦生產(chǎn)工藝對資源影響

對于堆浸工藝，國外相關研究表明，堆浸工藝對礦山表面覆蓋的土層進行剝離會導致大面積的地表植被和土壤被破壞，從而改變了土地的利用方式和當?shù)氐纳鷳B(tài)過程[6-7].國內(nèi)學者對離子型稀土開發(fā)中的資源環(huán)境問題進行了探討，認為池浸（堆浸）工藝容易造成植被破壞、水土流失和資源利用率低等現(xiàn)象；采用原地浸礦工藝會破壞地表1/3的植被，很多地表植被的地上部分枯死，但不知地表植被的地下部分是否枯死.此外，注入巖體中的浸礦劑可能污染地下水[8].

對于原地浸取工藝，國外相關研究表明，原地浸礦工藝的浸礦劑容易進入地下水和土壤中，會對周邊環(huán)境造成很大影響[9-10].研究還發(fā)現(xiàn)原地浸礦工藝雖然稀土回收率相對較高，但是因礦中殘留的浸礦劑在隨淋濾水遷移時會將礦中殘留稀土或下游礦體中的稀土帶入河溝溪水而造成資源流失[11-12].在原地浸礦工藝中，礦體中殘留的浸礦劑在降雨的沖刷和淋濾作用下，會攜帶稀土和重金屬離子進入下游水體[13].如果集液溝若防滲處理不當，含重金屬和稀土離子的廢液和廢渣會污染地下水和土壤環(huán)境[14-15].而且原地浸礦工藝的浸礦劑會造成植被根系萎縮，導致植物的根系逐步喪失保水固土作用[16].國內(nèi)相關研究表明，原地浸礦生產(chǎn)工藝會造成明顯或潛在的資源流失與環(huán)境保護問題，原地浸礦工藝的推廣應把解決該問題放在首位[17].稀土開采采用原地浸礦法表面上減少了水土流失，但隨著時間的推移容易造成嚴重的山體滑坡，而且因滑坡時間和地點的不確定性導致治理目標不明確[18].

堆浸、原地浸礦生產(chǎn)工藝對資源影響的差異主要體現(xiàn)在生產(chǎn)過程中造成的資源損失方面，包括資源損失的方式、資源損失的類型及資源損失可控性的不同，具體如表2所示.

表2 離子型稀土礦堆浸、原地浸礦生產(chǎn)工藝造成的資源損失比較

2.1 資源損失方式

堆浸生產(chǎn)工藝造成的資源損失方式包括未被開采及殘留在尾礦中的資源損失；原地浸礦生產(chǎn)工藝造成的資源損失主要來自因礦床地板發(fā)育不良或人造底板的局限性造成的資源滲漏及資源殘留礦體造成的資源損失.

在原地浸析開采工藝的實際運用中，經(jīng)常會因地質(zhì)勘探工作不充分導致礦塊儲量計算不準確，致使浸礦劑用量難以把握.此外，當?shù)V體中存在斷裂破碎帶，采用人工強制封底收液方式其收液效果仍不理想，冒然采用原地浸析將會造成重大的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染[19].

2.2 資源損失類型的差異

（1）概念的界定.資源的暫時性損失指目前損失了的、在未來可通過適當方式加以開采或回收的資源損失；資源的永久性損失指目前損失了的、在未來無法回收的資源損失.

（2）堆浸生產(chǎn)工藝的資源損失類型.從資源損失的方式來看，離子型稀土礦山采用堆浸生產(chǎn)工藝造成的資源損失類型為資源的暫時性損失，這種殘留在礦體和尾礦中的暫時性損失資源今后可通過回采和二次回收利用加以挽回.

堆浸工藝稀土回收率較低，會嚴重污染和破壞周圍環(huán)境；原地浸礦工藝因注液量大，注液時間長，容易導致滑坡，另外還存在資源流失問題及其推廣受地質(zhì)條件限制，并不適用所有礦區(qū)，因此無法完全替代堆浸工藝[20].利用負壓技術對原地浸礦生產(chǎn)工藝溶浸液進行收液[21]，該技術在地質(zhì)條件好的礦山比較好實施，收液技術還有待完善.對于無假底板或可能有裂隙的礦體，應結合土地平整和尾礦復墾，推廣堆浸工藝[22].

（3）原地浸礦生產(chǎn)工藝的資源損失類型.離子型稀土礦山采用原地浸礦生產(chǎn)工藝造成的資源損失類型包括資源的暫時性損失和資源的永久性損失2種.其中，因礦床底板發(fā)育不良或人造底板的局限性造成的資源滲漏損失為永久性資源損失，資源滲漏地下后將無法回收；采用原地浸礦工藝開采仍然會存在未浸出、殘留在礦體中的資源，該資源損失稱為暫時性資源損失.

離子型稀土原地浸礦工藝采用硫酸銨作浸礦液會因浸礦液滲入地下造成水體污染[23].因此提出用氯化鎂代替硫酸銨作為浸取劑，以減少氨氮廢水污染，對殘留有浸礦劑的尾礦進行生態(tài)修復與植被修復.盡管溶浸液的改進可能減少溶浸液本身對地下水的污染，但仍會因為滲漏造成資源漏損[24].

2.3 資源損失的可控性

（1）概念的界定.資源損失的可控性指人們通過適當方式控制資源損失或資源損失后回收資源的控制性程度.

（2）堆浸生產(chǎn)工藝的資源損失可控性.采用堆浸生產(chǎn)工藝造成的露天開采資源殘留礦體的損失和堆浸環(huán)節(jié)資源殘留尾礦堆的資源損失均容易分別采用提高剝采比和充分淋浸的方式控制資源損失，而且容易操作，資源損失屬于容易控制類型.

（3）原地浸礦生產(chǎn)工藝的資源損失可控性.采用原地浸礦生產(chǎn)工藝因礦床底板發(fā)育不良或人造底板的局限性造成的資源滲漏地下后將無法回收利用，而且減少這種滲漏損失的措施也非常有限.此外，那部分未浸出、殘留在礦體中的暫時性資源損失程度難以控制，主要因為：一方面由于離子型稀土的賦存特點及目前探礦手段的局限性，離子型稀土礦山地質(zhì)儲量和工業(yè)儲量等不明確，造成采用原地浸礦生產(chǎn)工藝其采選綜合回收率達120%甚至更高，由此也很難知道未浸出而殘留在礦體中的那部分暫時性損失程度；另一方面，采用原地浸礦生產(chǎn)工藝容易產(chǎn)生 “管涌”現(xiàn)象，由于礦床分布的不均勻性，在浸礦過程中會形成越來越明顯的滲流通道，以至于一部分區(qū)域溶浸不充分致使資源殘留礦體，這部分暫時性資源損失盡管可以通過加密注液井的布置以減少損失，但是仍然難以明確殘留礦體的資源量.此外，盡管有學者提出用氯化鎂代替硫酸銨作為浸取劑，以減少氨氮廢水污染，但是，仍會因為滲漏造成資源損失.因此，采用原地浸礦生產(chǎn)工藝造成的資源永久性損失和資源暫時性損失均屬很難控制類型.

原地溶浸與池浸等工藝相比較雖然具有資源利用率和生產(chǎn)效率高以及對環(huán)境和生態(tài)的破壞小等優(yōu)點，但由于稀土礦床的構成復雜和對原地溶浸基礎理論研究不夠深入，無法建立相應的模型來指導實際生產(chǎn)，因此，推廣程度仍然不高[25].

3 堆浸、原地浸礦生產(chǎn)工藝對環(huán)境影響的比較

堆浸、原地浸礦生產(chǎn)工藝對環(huán)境影響的差別主要體現(xiàn)在生產(chǎn)過程中造成的環(huán)境破壞方面，包括環(huán)境破壞的方式、環(huán)境破壞的類型及環(huán)境破壞可控性的不同，具體如表3所示.

表3 離子型稀土礦堆浸、原地浸礦生產(chǎn)工藝造成的環(huán)境破壞比較

3.1 環(huán)境破壞的方式

堆浸生產(chǎn)工藝造成的環(huán)境破壞方式包括露天開采造成的植被破壞、采場植被破壞后生態(tài)未及時恢復造成的水土流失、尾礦堆滑坡、尾礦堆和堆浸的溶浸液泄漏造成的水土污染等方面；原地浸礦生產(chǎn)工藝造成的環(huán)境破壞主要來自注液井布置造成的植被破壞、采場滑坡塌陷以及溶浸液滲漏地下造成的地下水污染等方面.

3.2 環(huán)境破壞類型的不同

（1）概念的界定.環(huán)境的顯性破壞人們?nèi)菀淄ㄟ^表象觀察到的破壞，如植被破壞、水土流失、水土污染和滑坡等；環(huán)境的隱性破壞指破壞表征不明顯的破壞，如地下水污染.

（2）堆浸生產(chǎn)工藝的環(huán)境破壞類型.從環(huán)境破壞的方式來看，離子型稀土礦山采用堆浸生產(chǎn)工藝造成的環(huán)境破壞類型為顯性破壞，這種類型的破壞現(xiàn)象比較直觀，容易識別.例如，離子型稀土礦山露天開采造成的植被破壞、水土流失、水土污染及尾礦堆滑坡等.

（3）原地浸礦生產(chǎn)工藝的環(huán)境破壞類型.離子型稀土礦山采用原地浸礦生產(chǎn)工藝造成的環(huán)境破壞類型既有顯性破壞，也有隱性破壞.其中，原地浸礦開采布置注液井造成的植被破壞和滑坡屬顯性破壞，開采中的采場滑坡屬顯性破壞；開采后的采場滑坡現(xiàn)象不易覺察，屬隱性破壞；溶浸液滲漏地下造成的水土污染屬隱性破壞.

3.3 環(huán)境破壞的可控性

（1）概念的界定.環(huán)境破壞的可控性指環(huán)境破壞的范圍和程度以及破壞后的可修復或可治理程度.

（2）堆浸生產(chǎn)工藝的環(huán)境破壞可控性.離子型稀土礦山“搬山式”露天開采會造成植被的完全破壞，但是破壞后可進行生態(tài)恢復，如果生態(tài)恢復及時，水土流失也可得到有效控制.堆浸產(chǎn)生的溶浸液以及尾礦堆廢液泄漏也可通過采取適當措施加以解決，從而避免水土污染.此外，尾礦堆滑坡現(xiàn)象也容易控制，尾礦堆可通過資源回收利用、國土整治以及作為建筑材料加以利用.因此，堆浸生產(chǎn)工藝造成的環(huán)境顯性破壞屬于容易控制類型.

（3）原地浸礦生產(chǎn)工藝的環(huán)境破壞可控性.原地浸礦開采布置注液井一般會造成的20%左右的植被破壞，但容易自我修復，因此植被破壞屬于容易控制類型.開采中的采場滑坡可通過控制注液速度、注液強度以及加強監(jiān)測等措施減少滑坡現(xiàn)象的發(fā)生，因此，開采中的滑坡屬容易控制型.但是，開采后的采場滑坡成因較復雜，屬很難控制類型.此外，地下水污染很難控制，而且滲漏至地下后也很難治理，這種地下水污染屬于很難控制類型.總而言之，離子型稀土堆浸和原地浸礦生產(chǎn)工藝均存在不足，都會造成一定的資源損失和環(huán)境破壞.然而，人們選擇生產(chǎn)工藝更多考慮的是表面上資源損失和環(huán)境破壞，關于如何基于時間維度考慮資源損失和環(huán)境破壞的方式、類型及可控程度等方面研究較少.上述研究表明，原地浸礦工藝不可能完全取代堆浸工藝，應基于地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，根據(jù)地質(zhì)條件選擇合適的采礦方式[25].

4 結論及建議

從植被破壞程度及采選回收率的高低選擇離子型稀土生產(chǎn)工藝具有片面性.離子型稀土生產(chǎn)工藝的選擇要考慮植被的破壞程度，但更重要的是要考慮植被破壞后的可修復程度，考慮環(huán)境破壞的可治理程度.采用堆浸工藝植被破壞可進行生態(tài)恢復，而采用原地浸礦生產(chǎn)工藝造成的地下水目前很難治理.由于資源賦存狀態(tài)特殊，資源工業(yè)儲量難以計算準確，因此不能以采選回收率的高低作為評價離子型生產(chǎn)工藝好壞的指標.離子型稀土實際生產(chǎn)中，有些礦山采用原地浸礦生產(chǎn)工藝其采選回收率大于100%就是很好的例子.

堆浸生產(chǎn)工藝因露天開采造成的植被破壞和水土流失等現(xiàn)象是顯性的，資源和環(huán)境損失也容易控制.但對于礦床底板發(fā)育不好的礦山或采用人造底板的礦山，采用原地浸礦工藝因溶浸液不可避免地會滲漏地下而造成資源流失和地下水污染等現(xiàn)象是隱性的，資源損失和環(huán)境破壞很難控制.

資源永久性損失、環(huán)境隱性破壞及其可控性值得重視.離子型稀土礦采選造成的暫時性影響和顯性影響均可通過人類行為得到較好治理或控制，而地下水污染和資源漏損等隱性影響和持久性影響具有不可控性，可修復或可治理性差.對于大部分離子型稀土礦山來說，其礦床底板發(fā)育不良，采用原地浸礦生產(chǎn)工藝會產(chǎn)生很大的資源漏損和地下水污染風險，而且這種風險的可控性小，因此，選擇原地浸礦生產(chǎn)工藝應慎重.

離子型稀土生產(chǎn)工藝的選擇應考慮其采選的負外部性.堆浸工藝造成的植被破壞及水土流失等顯性成本容易被納入離子型稀土礦采選成本，但是，原地浸礦生產(chǎn)工藝造成的地下水污染的負外部性往往被忽視.然而，基于時間維度，原地浸礦工藝造成的負外部性治理成本難以估算.

離子型稀土堆浸及原地浸礦等生產(chǎn)工藝均有其優(yōu)缺點，且有其適用條件.生產(chǎn)工藝的選擇應結合礦山地形地貌及礦床地質(zhì)條件（尤其是底板發(fā)育狀況）進行選擇.對于礦床底板發(fā)育較好的礦山，宜優(yōu)先選擇原地浸礦工藝；對于大部分（約90%）礦床沒有底板或底板發(fā)育不好的礦山及雞窩狀礦山，應避免采用原地浸礦生產(chǎn)工藝.

離子型稀土生產(chǎn)工藝選擇應以保護資源和環(huán)境為前提并加以系統(tǒng)考慮.離子型稀土生產(chǎn)工藝的選擇應首先考慮生產(chǎn)工藝造成的資源損失和環(huán)境破壞是否可控，然后從離子型稀土礦整個開發(fā)周期的系統(tǒng)角度考慮方案的經(jīng)濟性.

離子型稀土礦的開發(fā)是一項系統(tǒng)工程，應結合生產(chǎn)工藝，將采前準備、開采、稀土浸出沉淀與開采后生態(tài)恢復及尾礦治理利用等環(huán)節(jié)視為一個整體（即所謂的礦山開發(fā)模式）來考慮.離子型稀土生產(chǎn)工藝的選擇應以保護資源和環(huán)境為目的，此外，為便于比較離子型稀土礦開發(fā)模式，應考慮環(huán)境成本，采用成本收益法對不同開發(fā)模式進行比較.

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