原地浸礦采礦法氨氮對環(huán)境影響及控制措施

鄭偉強

(廣東省冶金建筑設(shè)計研究院)

原地浸礦采礦法氨氮對環(huán)境影響及控制措施

鄭偉強

(廣東省冶金建筑設(shè)計研究院)

原地浸礦采礦法一般采用的浸礦液為濃度1%～2%的硫酸銨溶液，浸礦液注入礦體后，由于礦土對氨氮的置換和吸附及硫酸銨浸滲液的滲漏，會對浸滲區(qū)(或開采區(qū))及其周邊一定范圍內(nèi)的區(qū)域造成氨氮超標，特別是浸滲區(qū)內(nèi)，氨氮超標嚴重。為了保護水土，在采用原地浸礦采礦法開采離子吸附型稀土礦同時，采取自然分解、清洗采場、設(shè)置過渡帶、加強集液效果及監(jiān)測監(jiān)控等措施，能夠有效地防止和減少氨氮對土壤和附近水體的影響，保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

原地浸礦采礦法 氨氮污染 環(huán)境影響 防治措施

風化殼離子吸附型稀土礦是我國20世紀70年代初發(fā)現(xiàn)的一種新的稀土礦種，廣泛分布于我國南方的江西、廣東、廣西、福建、湖南、云南等省。由于其富含世界上短缺的中、重稀土元素，具有很高的經(jīng)濟價值與戰(zhàn)略價值，被我國政府列為保護性開采的礦種之一。原地浸礦法是為了解決離子型稀土礦開采過程中產(chǎn)生的嚴重的水土流失和環(huán)境污染問題，而探索研究出來的一種新型的溶浸采礦方法，它適用于某些易浸出的表生礦床，而風化殼離子吸附型稀土礦正是這種表生礦床的典型。

1 原地浸礦原理及工藝

1.1 原地浸礦原理

[黏土礦物]·RE3++3NH4+→

[黏土礦物]·3NH4++RE3+，

式中，RE3+為稀土陽離子。

1.2 原地浸礦及水冶工藝

原地浸礦工藝：在離子吸附型稀土礦區(qū)進行補充地質(zhì)勘探的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山生產(chǎn)能力劃定礦塊，在待采礦塊上按設(shè)計參數(shù)布置和挖掘注液孔，將浸礦劑直接注入原生礦體礦塊的注液孔中，浸礦劑溶液沿風化礦體的孔裂隙進入礦體，在一定范圍內(nèi)均勻滲透。溶液中的NH4+與礦物表面的稀土發(fā)生離子交換，稀土離子擴散進入溶液，稀土浸取液流入礦體下部的收液系統(tǒng)，匯集后輸送至母液處理車間，進行稀土沉淀處理而得到稀土產(chǎn)品。

注、收液流程：由母液處理車間配液池將硫酸銨浸滲液輸送到山頂高位池，后由主輸液管自流進入采場分支管道，再自流進入設(shè)置在注液孔上方的注液管，注液管上安裝塑料水龍頭，控制注液順序及流量。原液進入注液孔內(nèi)，自流進入稀土礦體，經(jīng)過交換解吸反應(yīng)后(交換解吸速度較快，礦體中稀土陽離子遇到溶浸液中更活躍的NH4+陽離子時立即就被交換)，浸出液沿基巖底板進入集液系統(tǒng)(集液橫巷和集液平巷)，經(jīng)過集液管網(wǎng)輸送至集液池內(nèi)。

原地浸礦及水冶工藝流程見圖1[2]。

圖1 原地浸礦及水冶工藝流程

2 環(huán)境影響狀況及影響程度分析

2.1 對水系產(chǎn)生的影響

根據(jù)多年的稀土礦山生產(chǎn)調(diào)查，花崗巖、次花崗斑巖和凝灰?guī)r形成的風化殼離子吸附型稀土礦床如不存在大的地質(zhì)構(gòu)造斷裂導(dǎo)水帶，一般浸礦液集液率在90%以上，例如廣東省大埔縣五豐稀土礦集液率為92.35%[3]，廣東省平遠縣仁居稀土礦集液率為93.92%[2]。但仍不可避免有部分浸礦液不能有組織地收集，或部分滲漏，或部分由土壤和植物吸收、蒸發(fā)。土壤和植物吸收、蒸發(fā)屬于無害消耗，對環(huán)境及地下水無任何影響。

對于花崗巖風化殼離子吸附型稀土礦床來說，如沒有大的斷裂破碎帶，花崗巖一般全地形塊狀產(chǎn)出，且一般幾十米甚至幾百米厚，基本不存在溶洞和地下暗河等，成為天然的隔水層，即使局部存在節(jié)理裂隙，但其裂隙發(fā)育程度一般不高，不存在節(jié)理裂隙連續(xù)并貫穿整個單元水體，形成導(dǎo)水帶，因此，即使少部分滲漏的浸滲液也不會直接進入地下水系，一般只會通過松散的風化帶滲入下游水體，單元水體的排泄條件單一。

根據(jù)《廣東省平遠縣仁居稀土礦工程地下水影響分析專題報告》[4]，按要求劃分在采區(qū)、下游老采區(qū)和未采區(qū)3種類型水文單元進行地下水監(jiān)測和評價，結(jié)果表明：下游老采區(qū)和未采區(qū)地下水氨氮濃度均未超標，氨氮在降雨及地下水的作用下，不斷向下游的溝谷地帶遷移，并逐漸消失，說明原地浸礦開采對地下水的影響范圍主要集中在開采區(qū)的水文地質(zhì)單元內(nèi)及其下游一定范圍內(nèi)，對下游大面積范圍及其他水文地質(zhì)單元的地下水影響較?。辉诓蓞^(qū)地下水氨氮濃度超標，說明原地浸礦開采浸滲液下滲含水層以后，明顯提高了開采區(qū)水文地質(zhì)單元內(nèi)地下水的氨氮濃度，實時監(jiān)測表明，開采結(jié)束后，但隨著時間的推移，污染范圍逐漸后退，可預(yù)測污染范圍消失。

2.2 對土壤產(chǎn)生的影響

以年產(chǎn)2 500 t混合稀土氧化物，采用原地浸礦采礦方法的花崗巖、次花崗斑巖和凝灰?guī)r形成的風化殼離子吸附型稀土礦床的廣東省平遠縣八尺稀土礦為例，在進行相關(guān)氨氮及硫酸根平衡(圖2)的研究發(fā)現(xiàn)[5]，氨氮與稀土陽離子進行置換之前，大量被浸滲的礦土吸附，吸附飽和以后方進行化學置換。因此，原地浸礦采礦如不采取措施(頂水清洗等)，采場及附近一定范圍內(nèi)的土壤可能存在大量的氨氮，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，礦土飽和吸附氨氮量可達0.966 96 kg/t[6]。

圖2 年產(chǎn)2 500 t混合稀土氧化物采場的

雖然土壤內(nèi)的氨氮可視為肥料的一部分，促進植被的生長，但是過多的氨氮可能造成區(qū)域內(nèi)植被畸形地過快生長，且植被過于茂密，造成區(qū)域水源貧瘠，打破原有的土壤營養(yǎng)平衡，最終造成土壤變質(zhì)。

殘留在土壤中的氨氮能被解吸，解吸主要在有水流的情況下發(fā)生，即在灌溉、雨水淋濾和洗礦的時候解吸，根據(jù)試驗結(jié)果，土壤解吸量約為吸附量的40%左右，解吸時間遠遠長于吸附時間，一般解吸時間為吸附時間的18倍左右，即認為土壤中的氨氮在以上3種情況時，會緩慢發(fā)生解吸，這部分能解吸的氨氮通過洗礦進行收集回用。

因此，在礦山采礦作業(yè)后期，流出液稀土降至0.03 g/L以下時，改注清水，待收集液pH值達到6時，氨氮濃度達到40×10-6以下時停止，洗出水進入下一個采區(qū)循環(huán)使用。

反硝化過程中，土壤中的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮在無氧或缺氧的條件下被反硝化菌還原轉(zhuǎn)化為N2的過程為生物反硝化。反應(yīng)方程式如下：

1/2N2+H2O+OH-,

1/2N2+H2O+OH-.

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究[6]，氨氮硝化和反硝化的降解曲線基本符合一級動力學方程。氨氮通過硝化和反硝化反應(yīng)前，濃度降解到35%，3 d后的降解系數(shù)大幅度下降，按0.05/d考慮，則氨氮濃度降解到土壤吸附濃度的1%需要71 d；約100 d后，土壤中殘存的氨氮濃度約為土壤吸附量的0.2%；200 d后，土壤中殘存的氨氮濃度約為土壤吸附量的0.01%。因此，殘留的氨氮對土壤產(chǎn)生的影響不大。

3 相關(guān)控制措施

3.1 開采礦段合理選擇

對擬開采礦段進行詳細地質(zhì)勘查，采用物探等方法，了解擬開采礦段的裂隙發(fā)育程度，避免將擬開采礦段設(shè)置在大的斷裂帶范圍內(nèi)及其附近范圍。不明礦體不輕易開采，對于礦體水文地質(zhì)情況不明的礦塊或工程措施過程中發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象的礦塊，待補充探測清楚后，決定是否開采或重新設(shè)計施工。

同時在對擬采礦段進行硫酸銨注液前，采取防滲漏測試，采用清水對采場進行注液測試，并對注液及集液進行計量。注液一段時間后，采場集液溝開始滲出清水，此后水量將逐步增加，并且滲出水量將逐漸接近注入量。再經(jīng)過10～15 d，采場礦層所含原地下水已逐步被浸出液擠出，清水浸出量將趨于穩(wěn)定，此時進行清水回收計量，計算集液率，集液率越大，說明注液流失越少，采場浸滲效果越好；集液率越小，說明注液流失越大，采場浸滲效果越差，此時需找出注液流失原因，如因裂隙發(fā)育導(dǎo)致流失等不可控情況，視集液率大小情況確定是否對該礦塊進行注液。一般集液率小于85%的礦塊不開采，待查明原因后視情況而定。

3.2 氨氮吸附過渡帶設(shè)置

如果開采區(qū)(注液區(qū))下游排泄區(qū)直接進入地表水體，或者過渡帶不足，如未采取有效措施，氨氮將直接進入地表水體，影響水質(zhì)。如果注液區(qū)(開采區(qū))下游地帶與溪流、河流、暗溪等水體之間有一定寬度的氨氮吸附過渡帶，根據(jù)相關(guān)研究，氨氮在礦土與無礦土的吸附量等同，因此，氨氮在過渡帶土壤的吸附作用下停留，不會對水體直接影響。氨氮吸附過濾帶示意見圖3。

圖3 氨氮吸附過渡帶示意

吸附帶寬度Q計算公式如下：

(1)

式中,Q為吸附帶寬度，m；m為土壤密度，t/m3；q為注液區(qū)氨氮流失量，t；B為注液區(qū)影響地表水域?qū)挾龋琺；h為土壤厚度，m。

留設(shè)足夠?qū)挾鹊陌钡綆挾群?，滲漏損失溶液的氨氮經(jīng)過土層吸附后，最終滲入地下水的氨氮含量極低，且?guī)缀醪缓⊥岭x子，注液區(qū)流失的氨氮量對地表水影響不大。但有個前提是注液區(qū)及吸附過渡帶沒有直接導(dǎo)水的節(jié)理裂隙或斷裂帶。

3.3 集液效果加強

采取相關(guān)措施加強集液效果，提高集液率，減少浸滲液的流失。

集液橫巷必須盡量緊貼微風化基巖布置，如遇到(礦層)較厚風化層，可增加集液橫巷(集液橫巷間距不小于5 m)，或在集液平巷增加集液鉆孔，加強集液，提高集液率。集液巷道布置見圖4。

圖4 集液巷道布置示意

如中風化層難以掘進集液橫巷，布置的集液橫巷與微風化層之間存有一定厚度的中風化層，在集液橫巷靠近山體一側(cè)中風化層鉆水平注漿孔，水平注漿孔深度需達到微風化隔水層，并強制注漿，形成人造底板，截流半風化層內(nèi)溢流浸出液。注液孔布置見圖5。

3.4 非正常條件下控制措施

雨天停止浸礦，并在工藝池下游統(tǒng)一設(shè)置事故池；收液池四周高出地面0.5 m以上，防止雨水匯入其中；使用雨污分流池；注液孔在注液前已做封閉處理，孔底塞稻草，并在上面覆土和覆蓋植被，不讓雨水直接進入。

圖5 注液孔布置示意

3.5 監(jiān)測監(jiān)控措施

在采區(qū)山腳下每隔50 m建一個深3 m、直徑2 m 能隔離地表水的監(jiān)控井，并每天監(jiān)測水質(zhì)變化；在距采區(qū)下游300～500 m處或礦區(qū)邊緣設(shè)立深2 m、直徑1 m的監(jiān)測點，當監(jiān)控井水質(zhì)發(fā)生變化時，在監(jiān)測點每隔8 h取樣分析，發(fā)現(xiàn)地下水氨氮有超標的趨勢，及時停止注液，分析原因，采取必要的防控措施，做到原因不明不注液。

4 結(jié) 論

對于原地浸出采礦法開采離子吸附型稀土礦，采取相關(guān)控制措施后，遺留的氨氮對礦土及附近水系等環(huán)境產(chǎn)生的影響較小，在理論論證及實際生產(chǎn)中，均是基本可控的。風化殼離子吸附型稀土礦床采用原地浸礦采礦法開采，相對原有的池浸和堆浸工藝，原地浸礦工藝不但幾乎不破壞植被，而且沒有尾砂排放，最大程度地保護了生態(tài)環(huán)境，稀土資源回收率大于80%，浸礦劑循環(huán)利用，幾乎不排放。如采取相關(guān)有效措施后，原地浸礦法是國家強制推廣應(yīng)用的高效環(huán)保提取離子型稀土資源的先進技術(shù)。

[1] 古德生．現(xiàn)代金屬礦床開采科學技術(shù)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社.

[2] 鄭偉強．廣東省平遠縣仁居稀土礦年產(chǎn)1000噸混合稀土(氧化物)項目可行性研究報告[R]．廣州：廣東省冶金建筑設(shè)計研究院，2012.

[3] 鄭偉強．廣東省大埔縣五豐礦及擴大區(qū)稀土礦年產(chǎn)500噸混合稀土(氧化物)可行性研究報告[R]．廣州：廣東省冶金建筑設(shè)計研究院，2012.

[4] 朱云江.廣東省平遠縣仁居稀土礦工程地下水影響分析專題報告[R].廣州：中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，2014.

[5] 鄭偉強．廣東省平遠縣八尺稀土礦年產(chǎn)2500噸混合稀土(氧化物)項目可行性研究報告[R]．廣州：廣東省冶金建筑設(shè)計研究院，2014.

[6] 楊幼明.平遠縣仁居稀土礦稀土浸出過程主要物質(zhì)平衡實驗研究報告[R].江西：江西理工大學，2012.

[7] 張 杰．廣東省平遠縣仁居稀土礦年產(chǎn)1000噸REO項目環(huán)境影響報告書[R]．廣州：中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，2013.

2015-04-06)

鄭偉強(1981—)，男，工程師,510055 廣東省廣州市越秀區(qū)中山二路35號。