離子型稀土礦開采的環(huán)境影響及治理措施

王秀麗，張哲源，李恒凱

（1.江西理工大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，江西贛州341000；2.江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西贛州341000）

稀土被稱作“工業(yè)黃金”，因其具有優(yōu)良的光電磁等物理特性，被廣泛應(yīng)用于機械、冶金、石油化工、電子信息等領(lǐng)域[1，2]。稀土分為輕稀土和重稀土兩類，其中重稀土更是與新材料，高端科技產(chǎn)品甚至尖端武器密切相關(guān)[3]。中國是稀土資源大國，已探明的稀土資源量約6588萬噸，根據(jù)國務(wù)院新聞辦2012年發(fā)布的《中國的稀土狀況與政策》白皮書顯示，我國稀土儲量約占世界總儲量的23%，江西贛南更是擁有全國30%以上的離子型重稀土，素有“稀土王國”的美譽[4，5]。然而，隨著市場需求的逐步擴大，投資者為了追求更大的利益迅速擴張，但是由于過渡開采、生產(chǎn)工藝落后、經(jīng)營方式不合理等原因，使得稀土礦區(qū)附近的生態(tài)環(huán)境遭到了較為嚴(yán)重的破壞，而開采產(chǎn)生的大量棄土廢渣堆積，在一定程度上也使得稀土礦區(qū)的土壤、河流等受到嚴(yán)重污染[6-8]。鑒于此，本研究通過分析稀土礦的開采工藝，探索稀土礦開采可能產(chǎn)生的環(huán)境問題并對此提出有效的建議，以期為其它研究者提供進一步的參考。

1 稀土礦的開采工藝

1.1 池浸工藝

我國離子型稀土礦中大約有85%的稀土元素的存在形式主要是離子，如高嶺土、蒙脫等，含量在0.05%～0.30%左右。常規(guī)的方法是采用物理選礦法對稀土礦進行提純，但是該方法很難將稀土礦加工成稀土精礦，因此在離子型稀土礦的開采初期，主要采用的是池浸工藝，池浸工藝屬于化學(xué)選礦法的一種，被稱作是“搬山運動”[9]。該工藝一般是將開采的原礦石放入浸取槽，利用浸礦劑將稀土元素從原礦石中交換出來，其中，浸礦劑一般選取7%濃度的氯化鈉溶液，然后再通過草酸溶液將交換出來的稀土元素在沉淀池中沉淀，最后經(jīng)過過濾、洗滌等一系列步驟，得到純度較高的稀土氧化物。但是池浸工藝在開采過程主要依靠人工，工作效率低下，而且對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，數(shù)據(jù)顯示，每產(chǎn)生1t稀土氧化物，植被破壞160～200m2，剝離表土約300m3，對礦區(qū)的植被破壞嚴(yán)重，嚴(yán)重時會造成地形地貌改變[10]，其次池浸工藝采用的氯化鈉浸礦劑會產(chǎn)生大量的浸礦廢液，部分企業(yè)為了減少成本直接將這些浸礦廢液對外排放，使得其通過滲透作用進入到河流中，影響植物的正常生長，礦區(qū)的土壤也可能因此受到污染，產(chǎn)生鹽堿化。

1.2 堆浸工藝

堆浸工藝對稀土礦的提取實質(zhì)上是加強的池浸工藝，兩者的原理相似，都屬于“搬山運動”，同樣會對礦區(qū)環(huán)境造成威脅[11]。相比池浸工藝而言，堆浸工藝提高了稀土的生產(chǎn)效率，資源利用率也有所提高，對純度較低的礦石也有較好的提取效果，并且堆浸工藝的機械化程度更高，利用大型設(shè)備來開挖礦體，并將其堆積在堆浸場中，再利用濃度為1%～4%的硫酸銨溶液作為新的浸礦劑[12]，相比濃度為7%的氯化鈉溶液，低濃度的硫酸銨溶液對水土的污染較小，而由于草酸造價昂貴，選取碳酸氫銨作為新的沉淀劑，既降低了提取稀土的成本，又減少了對環(huán)境的影響程度。但是由于堆浸工藝是在池浸工藝的基礎(chǔ)上改進的，因此采用堆浸工藝對稀土礦進行開采的過程中，仍然會使礦區(qū)植被破壞嚴(yán)重，也會產(chǎn)生大量的廢渣、廢液等，而部分堆浸場會循環(huán)往復(fù)使用多次，影響堆浸場的質(zhì)量，一旦發(fā)生泄漏，對生態(tài)環(huán)境的破壞比池浸工藝更大。

1.3 原地浸礦工藝

雖然堆浸工藝相比池浸工藝對稀土礦的提取有所提高，但是仍存在諸多缺點，針對這一現(xiàn)狀，在20世紀(jì)90年代，我國研發(fā)出了原地浸礦工藝這種新的開采工藝，在不破壞礦區(qū)表面植被的情況下對稀土礦進行提取，這一方法在目前仍被認(rèn)為是最環(huán)保的離子型稀土礦的開采工藝[13，14]。該工藝不用開挖原礦石，通過在礦區(qū)的表面挖掘一定數(shù)量的注液井，將配置好的硫酸銨浸出液經(jīng)注液井流入礦體，溶液中的NH4+離子會將礦體表面的稀土元素交換出來，將流出礦體的稀土母液用集液溝收集起來，然后再利用碳酸銨溶液將其沉淀得到稀土。因為這種開采工藝不必挖掘礦體，減少了礦區(qū)水土流失以及地形地貌改變，但是仍會引起部分環(huán)境問題，由于該工藝需要挖掘注液井，造成礦體內(nèi)部空虛，當(dāng)?shù)V區(qū)遇到大范圍的降雨時，可能會發(fā)生山體滑坡等災(zāi)害；而殘留的硫酸銨溶液長時間侵蝕礦體，通過滲透作用會污染礦區(qū)的地下水以及土壤等，同時也會加劇對植被的破壞作用；此外，浸取液中的NH4+會將一些重金屬元素的化學(xué)形態(tài)發(fā)生變化，這些重金屬元素通過側(cè)滲作用進入地下水進而造成整個水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化的問題。

2 稀土開采對環(huán)境產(chǎn)生的影響

2.1 大氣污染

在稀土礦的開采過程中，由于礦石破碎會產(chǎn)生大量的粉塵，粉塵會隨風(fēng)向下風(fēng)向擴散，導(dǎo)致礦區(qū)附近的空氣能見度降低，空氣污染范圍增大；而在稀土礦的提取過程中，利用沉淀劑得到草酸稀土或碳酸稀土，需要進行灼燒以得到氧化稀土，投資者為了節(jié)約成本，通常的做法是在礦區(qū)就地灼燒，燃燒產(chǎn)生了大量的SO2、CO、CO2等氣體，導(dǎo)致溫室效應(yīng)、酸雨等大氣污染，對礦區(qū)附近居民的正常生活和生產(chǎn)造成了影響，同時也對周邊環(huán)境的生態(tài)平衡發(fā)展具有一定的威脅。

2.2 水資源污染

目前采用的開采工藝主要是以原地浸礦工藝為主，經(jīng)過浸出，沉淀等工序仍會產(chǎn)生大量的廢水，這些廢水中含有草酸根，硫酸根等離子，導(dǎo)致廢水的酸性極強，但是絕大部分的廢水是沒有經(jīng)過處理就直接對外排放，嚴(yán)重污染了水體[15]。而且，堆積的尾砂會通過淋濾作用進入水體，造成水中的重金屬離子以及稀土元素的含量過高。此外稀土開采的過程中難免會有浸礦劑殘留，經(jīng)過降雨的沖刷和滲透作用，將會導(dǎo)致大量的重金屬離子進入地下水造成嚴(yán)重的污染。

2.3 土壤環(huán)境損傷

在稀土礦的開采前期，主要采用的是池浸或堆浸工藝，對植被破壞嚴(yán)重，造成表土分離，而礦區(qū)植被的復(fù)墾率較低，礦區(qū)基本沒有對水土流失的保護措施，加上贛南地區(qū)雨季持續(xù)時間長，導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失，使得土壤養(yǎng)分和有機肥減少，生產(chǎn)力降低；而由于稀土開采產(chǎn)生的廢渣、廢液等污染物通過水體流入土壤，會增加土壤的重金屬含量[16]，改變土壤養(yǎng)分，嚴(yán)重時會使得土壤鹽堿化，礦區(qū)的可利用土地面積減少。

2.4 地質(zhì)損害

地質(zhì)損害同樣是稀土礦開采產(chǎn)生的環(huán)境問題之一，不管是池浸工藝、堆浸工藝的“搬山運動”，還是原地浸礦工藝的“環(huán)保開采”對礦區(qū)附近的地質(zhì)環(huán)境造成了不同程度的損害[17]。在稀土礦的開采過程中，池浸和堆浸工藝都需要將礦區(qū)表層土進行剝離，大面積的破壞植被，造成礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的改變，而原地池浸工藝挖取較多數(shù)量的注液井，造成礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，極易發(fā)生泥石流、滑坡、礦體崩塌等災(zāi)害。

3 環(huán)境污染的治理措施

3.1 浸出污染控制

盡管原地浸礦工藝的使用降低了污染，但是由于開采過程中仍使用大量的浸礦劑，其殘留物對地下水和地表水的安全造成了威脅，因此需要對浸出污染采取以下控制措施：①清污分流措施，主要是指利用礦區(qū)內(nèi)的收液系統(tǒng)對地表水進行清污分流處理，防止廢水、廢液等匯集進入地表水造成污染；②人工防滲假底措施，利用水泥砂漿在礦區(qū)的集液溝、收液巷道以及水平監(jiān)控孔等地的底板構(gòu)筑人工防滲假底，防止母液泄漏流入地下水和地表水造成污染；③建立收液監(jiān)控系統(tǒng)，借助于原有的管道系統(tǒng)，構(gòu)建巷道—水平孔—垂直孔的三級收液監(jiān)控系統(tǒng)，降低母液的泄露率以減少對礦區(qū)地下水及土壤的污染；④長期監(jiān)測地下水，建立一個包括采礦點地下水、母液地下水和礦區(qū)下游地下水的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過系統(tǒng)掌握礦區(qū)的實時水質(zhì)變化情況并作出相應(yīng)的處理措施。

3.2 工程治理

受到稀土開采的影響，礦區(qū)土壤以及山體的結(jié)構(gòu)松散，極易受降雨等外部條件的影響，造成較大的危害，因此在對礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)前需進行工程治理處理。池浸以及堆浸開采工藝主要造成了礦區(qū)內(nèi)部的采空區(qū)和尾砂場區(qū)，其中采空區(qū)的結(jié)構(gòu)相對堅穩(wěn)，利用浸取池和積液池的管道系統(tǒng)，在其表面挖掘溝渠，便于植被的復(fù)墾，尾砂場區(qū)由于尾砂堆積，可興建攔沙壩進而防止水土的進一步流失；原地浸礦工藝對植被的破壞較小，但是由于浸礦劑的殘留，礦區(qū)內(nèi)部受到了嚴(yán)重的侵蝕，因此需要對回填的平地進行人工切坡，形成穩(wěn)定化的梯田，結(jié)合全南縣的治理經(jīng)驗，首先應(yīng)該將開采產(chǎn)生的較大的沖刷口填補，形成梯形平臺并對其進行平整；其次，沿著平臺的邊界修建排水溝渠和土坎以阻截尾砂，排水溝渠的修建借助于原有的管道系統(tǒng)；最后盡可能地消減高陡邊坡，降低梯臺的上坡面和下坡面之間的落差，加強邊坡的穩(wěn)定性，穩(wěn)定基底以減少滑坡等危害。

3.3 生態(tài)修復(fù)

3.3.1 土壤改良。土壤環(huán)境中缺少鉀、磷等有機元素，造成土壤養(yǎng)分流失；而重金屬等有害元素含量較高，影響土壤微生物的生長，造成土壤酶活性較低，嚴(yán)重?fù)p害植被恢復(fù)的程度。因此，在對礦區(qū)進行基質(zhì)穩(wěn)定化的同時，也要適量的增加土壤中的有機元素，對土壤的環(huán)境進行改良。由于開采工藝不同，具體的處理措施也不同，對于采空區(qū)來講，可采用噴漿工藝在其周圍的土壤中添加纖維材料、各類肥料和土壤改良劑，用以提高土壤的保水性，增強土壤顆粒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；對于尾砂場區(qū)，可根據(jù)植被種植地的實際土壤情況壘放客土，不僅可以加固梯田坡面的穩(wěn)定性，同時還可以增加土壤的肥力；對于原地浸礦工藝造成的注液井而言，首先需要對注液井回填客土，拌入動物糞便、農(nóng)作物殘留物等有機肥，其中富含的氮、磷、鉀等元素不僅能為植物提供全面營養(yǎng)，而且肥效長，可增加和更新土壤有機質(zhì)，促進微生物繁殖，改善土壤的理化性質(zhì)和生物活性。

3.3.2 植被復(fù)墾。植被復(fù)墾是進行生態(tài)修復(fù)的重要方式之一，數(shù)據(jù)顯示，未經(jīng)過植被復(fù)墾的礦區(qū)的土壤侵蝕速度是原礦區(qū)的50倍，然而即使進行了礦區(qū)穩(wěn)定化、土壤改良的措施，礦區(qū)的土壤環(huán)境依舊較差，并且客土的成本較高，難以對礦區(qū)進行大面積覆蓋，因此植被的選取是礦區(qū)植被能夠恢復(fù)的關(guān)鍵問題，首先選取的植被應(yīng)盡可能的是礦區(qū)原本的物種，其較外地物種更容易適應(yīng)礦區(qū)的環(huán)境，同時還可減少外來物種入侵的可能性，造成對礦區(qū)生態(tài)群落的擾動。其次，在水土流失較嚴(yán)重的區(qū)域，多選擇生命力強、生態(tài)周期短的生草灌，如山蒼子、百喜草等植物。此外，選取的植物可以對礦區(qū)的土壤進行良性改造，如豆類植物等，這些植物不僅僅是改善土壤的物理屬性，同時還可增加土壤的有機物質(zhì)，使得更適合自身的生長，也有利于更多新物種的進入，形成良性循環(huán)。

3.4 企業(yè)合理開發(fā)

企業(yè)應(yīng)在開發(fā)前對礦區(qū)原有的生態(tài)環(huán)境進行實際調(diào)查，作為生態(tài)修復(fù)的參照，包括水質(zhì)地質(zhì)、土壤等情況，在礦山實際開采的過程中，合理使用浸礦劑，盡可能地減少開采過程對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)造成較大的擾動；建立安全組織機構(gòu)，避免開采不當(dāng)對環(huán)境造成更大的損害，如在開采現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)礦體存在較大空隙、裂縫等情況，及時停止開采過程。此外，針對不同的礦區(qū)環(huán)境，尤其是開發(fā)難度較大的礦區(qū)，工作人員和特種作業(yè)人員需要持相應(yīng)的證件上崗，同時需要對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境進行常態(tài)監(jiān)測，制定切實有效的環(huán)境保護和恢復(fù)治理方案，組織專家舉辦聽證會，對其進行論證，方案通過后，企業(yè)應(yīng)嚴(yán)格按照方案執(zhí)行，對開采后的礦區(qū)進行生態(tài)修復(fù)。

3.5 政府加強監(jiān)管

政府應(yīng)該加強監(jiān)管措施，對礦山實行生產(chǎn)總量控制，政府按照計劃下發(fā)生產(chǎn)指標(biāo)，并且對稀土焙燒所用的燃料進行整改，禁止使用木柴、煤等污染較大的燃料，加大清潔燃料的使用，規(guī)范稀土市場的秩序，嚴(yán)格要求企業(yè)按照開采規(guī)則和指標(biāo)對稀土進行開發(fā)。

4 結(jié)論

4.1 盡管原地浸礦工藝相比池浸、堆浸工藝有了較大的改進，但浸礦劑的殘留經(jīng)滲透作用進入地下水和土壤仍會造成環(huán)境污染，建議針對浸礦劑的濃度，注液強度等參數(shù)進行研究，根據(jù)實際確定合理的濃度。

4.2 早期稀土開采遺留下了大量的廢棄礦山，礦區(qū)內(nèi)的植被復(fù)墾率低下，盡管采用改良劑提高土壤的有機質(zhì)含量，但是成本高，改良效果差，建議研究保水多肥且低成本的新的改良劑。

4.3 由于稀土是不可再生的戰(zhàn)略性資源，且稀土資源的利用率低下，造成了大量的資源浪費，建議進一步研究開采工藝，提高勘探技術(shù)，提高資源利用率，促進稀土行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。