離子型稀土礦開采污染防治

張 誠 張啟軍 黃 彬

(1.贛州稀土集團有限公司, 江西 贛州 341099；2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

離子型稀土礦是含稀土的花崗巖、火山巖在濕熱氣候和低山、丘陵地貌等條件下，經(jīng)強烈的風化淋濾作用而形成的一種特殊而重要的礦床，具有配分全，中、重稀土元素含量高，放射性低，提取工藝相對簡單等優(yōu)點，是我國珍貴重要且不可再生的戰(zhàn)略資源，尤其因為重稀土元素含量高，離子吸附型稀土礦被全世界所重視[1]。因此，自離子型稀土礦1969年在江西龍南足洞發(fā)現(xiàn)以來，我國不斷完善離子型稀土開采工藝體系。近年來，環(huán)保要求的不斷提高，也對離子型稀土礦的開采工藝和環(huán)保管理提出了更高的要求。

1 離子型稀土礦開采工藝

1.1 池浸、堆浸工藝

南方離子型稀土早期開采采用池浸工藝，后發(fā)展為堆浸工藝。池浸、堆浸工藝是在劃定的礦段采用人工或機械的方式進行表土剝離和礦石剝離，然后將剝離的品位較高的礦石卸入浸礦池或堆場中，同時加入浸礦藥劑進行浸礦作業(yè)，最后把浸出的稀土母液收集并生產(chǎn)出稀土產(chǎn)品的工藝。

在特定的歷史條件下，池浸、堆浸工藝為國民經(jīng)濟作出了巨大的貢獻，但因生產(chǎn)工藝技術(shù)本身存在的缺陷，對生態(tài)環(huán)境及國家資源造成了不可估量的損失，包括資源浪費、生態(tài)環(huán)境破壞等。據(jù)統(tǒng)計，采用池浸、堆浸工藝，每生產(chǎn)1 t混合稀土氧化物破壞植被160～200 m2，排出尾砂1 500～2 000 t，而且礦產(chǎn)資源利用率較低，部分礦產(chǎn)資源被排出的廢渣所壓覆[2]。1995年，原地浸礦工藝研發(fā)成功并被推廣應(yīng)用；2008年，國家管理部門全面禁止池浸和堆浸工藝的應(yīng)用。

1.2 原地浸礦機理

原地浸礦是利用浸礦劑的陽離子從非均質(zhì)礦體中把呈吸附態(tài)的稀土離子交換出來生成稀土母液，并用沉淀等方法回收稀土母液中稀土元素的采礦方法。

根據(jù)離子型稀土礦的成礦理論，在亞熱帶溫暖濕潤的氣候條件下，含稀土礦物的花崗巖和火山巖，經(jīng)風化作用形成黏土礦物，如埃洛石、高嶺石、伊利石、蒙脫石等，同時稀土離子和其他陽離子解離出來，這些離子以水合陽離子的形式吸附在黏土礦上。稀土離子的富集成礦是一個經(jīng)歷遷移- 吸附- 風化解離- 遷移- 吸附，如些反復多次，最終在全風化層富集成礦的過程。具交換狀態(tài)的稀土陽離子遇到交換勢能更大的陽離子時，就被交換下來，反應(yīng)式如下：

[黏土礦物]m·nRE3++3nA+→[黏土礦物]m·3nA++nRE3+

(1)

浸礦液通過一定間距的注液井(孔)網(wǎng)格注入礦體內(nèi)。根據(jù)地下水動力學理論，由于注液井(孔)中的注液最終會形成穩(wěn)定的滲透錐體，其滲浸局限在一個穩(wěn)定的范圍以內(nèi)，浸礦液陽離子與稀土陽離子交換形成稀土母液[3]。如果存在隔水層，浸出來的稀土母液會沿其層面流出，只要設(shè)置收液巷道或集液溝、導流孔，就可將稀土母液匯集回收，這就是原地浸礦原理。

1.3 原地浸礦工藝流程

離子型稀土礦原地浸礦工藝流程如圖1所示。

圖1 原地浸礦開采工藝流程圖

1)確定待采礦體，進行生產(chǎn)勘探，探求121b類資源儲量。

2)對礦體進行塊段劃分，再根據(jù)礦體地質(zhì)特點，確定礦體開采工藝類型。

3)確定工藝類型后，對擬采礦塊進行礦塊設(shè)計和工程布置。

4)對設(shè)計的浸礦工程和收液工程進行施工。

5)浸礦液由水冶車間配液池泵送至礦塊高位池，通過注液系統(tǒng)自流進入注液井浸礦。

6)由礦塊收液系統(tǒng)收集到的母液送入水冶車間進行處理，經(jīng)處理后的上清液自流進入配液池，加入硫酸調(diào)整后泵送進入高位池，進入下一輪浸礦過程。

7)母液濃度在達到工業(yè)指標時，加清水對礦塊進行淋洗。收集的淋洗后液達標后，該礦塊開采完畢。

8)礦段開采完畢后，進行注液井回填及植被恢復工作。

2 離子型稀土礦采場污染防治

目前離子型稀土礦采用原地浸礦的開采工藝，相比以前的池浸、堆浸工藝，原地浸礦具有不破壞地表植物、不產(chǎn)生尾渣等優(yōu)勢，但開采中也存在表土崩落、地表水和淺層地下水污染等隱患，且污染隱患主要發(fā)生在采礦主體的采場中[4]。為了使礦區(qū)及周邊的生態(tài)環(huán)境擾動控制在可控范圍內(nèi)，實現(xiàn)離子型稀土礦綠色礦山建設(shè)，應(yīng)加強對采場的環(huán)境保護管理[5]。

2.1 設(shè)計階段

設(shè)計前，除了要詳細解讀所采礦塊的儲量核實報告、水文地質(zhì)調(diào)查報告、工程地質(zhì)報告及礦塊物探簡報等資料，設(shè)計人員還要進行大量實地踏勘，盡可能明確所采礦體底板情況，如是否存在斷層、破碎帶等不良水構(gòu)造。設(shè)計時，要根據(jù)掌握的礦塊情況，科學合理的設(shè)置注液、收液系統(tǒng)和環(huán)保措施，各工程設(shè)計應(yīng)合理布局，明確浸礦需要的原材料數(shù)量、浸采路線及浸礦各階段濃度。

2.2 施工階段

施工階段應(yīng)根據(jù)設(shè)計方案盡責施工，特別關(guān)注以下環(huán)保措施的施工：

1)礦體邊緣以上10～20 m范圍內(nèi)不設(shè)置浸采注液工程，而是作為保安礦柱防止山體滑坡，以及作為緩沖帶防止原巖重金屬遷移。

2)防滲措施。收液系統(tǒng)的收液溝及母液收集池必須做好防滲措施，防止稀土母液外滲到自然環(huán)境中。

3)清污分流措施。在所采礦塊收液溝上部一定距離設(shè)置封閉的避水溝，將采場的地表水截流，以防止雨水混入收液溝；采場外側(cè)設(shè)置排水溝，將相鄰山體的地表水進行截流，防止其他地表水匯流混入收液溝。

4)監(jiān)測回收措施。根據(jù)采場的水文地質(zhì)單元在礦塊的下游設(shè)置若干口觀察井，井深以到潛水層或見基巖為準，生產(chǎn)時取樣監(jiān)測；在礦塊下游地下水匯水處設(shè)置環(huán)?；厥站?，井深以到潛水層或見基巖為準，接入管線，一旦發(fā)現(xiàn)浸礦劑因子超標，即啟動回收。

5)應(yīng)急措施。在采場母液收集池設(shè)置一個同容積的應(yīng)急池，當母液中轉(zhuǎn)池出現(xiàn)滲漏等事故時可啟用應(yīng)急池；浸礦液及母液輸送管線每隔一定距離，設(shè)置止回閥。

2.3 生產(chǎn)階段

正式生產(chǎn)前檢查所有注液、收液及環(huán)保工程，確保每項工程施工能達到設(shè)計要求。

驗收合格后開始注液，注液生產(chǎn)階段環(huán)保管理主要關(guān)注以下方面：

1)配制浸礦液的原材料總量。應(yīng)以儲量核實的總量反算的需要量作為浸礦液原料總量控制的依據(jù)，加注的浸礦劑濃度先濃后淡，最后加注頂水，浸礦液各階段濃度選擇以所收母液的稀土濃度判斷。

2)詳細記錄每天的注液量、注液濃度及收液量、收液中的稀土濃度，并詳細分析數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性以指導下一步生產(chǎn)，應(yīng)特別關(guān)注在采場注液水路疏通后每天的注液量及收液量是否平衡。

3)生產(chǎn)期間，每天必須到采場實地巡查，檢查每個注液井內(nèi)的水量及每個注液區(qū)域是否出現(xiàn)裂縫，如出現(xiàn)異常則停止該區(qū)域的注液。

4)監(jiān)測井定期取樣監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)浸礦劑因子超標，則立即啟動回收井的回收措施，直至監(jiān)測井水樣達標為止。

5)定期巡查各項環(huán)保措施是否完好，如出現(xiàn)破損處應(yīng)及時修復，保障環(huán)保措施運行正常。

2.4 生產(chǎn)后期

當回收的母液稀土濃度達到工業(yè)指標時，利用礦塊的注液系統(tǒng)繼續(xù)加清水對礦塊進行淋洗，將礦體中存留的過量浸礦劑離子等淋洗出來，淋洗的尾水也通過收液系統(tǒng)收至水冶車間配液系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)需要添加浸礦藥劑輸送至下一礦塊作為浸礦液。淋洗的終點為淋洗尾水穩(wěn)定達到《離子型稀土礦山開采水污染物排放標準》(DB36 1016—2018)一級排放標準且持續(xù)一周以上時間。淋洗結(jié)束后，將注液孔周邊的巖土回填，封堵閉孔并進行生態(tài)恢復，保留收液系統(tǒng)和環(huán)保措施，對自然淋洗的尾水進行收集和監(jiān)測一定時間，直到尾水中特征因子持續(xù)穩(wěn)定達標后，再封堵收液系統(tǒng)，并對該礦塊的收液和環(huán)保工程進行拆除和復綠。

3 防治措施效果

在贛州市龍南足洞離子型稀土礦山進行了上述環(huán)保措施有效性論證，試驗自2020年1月20日開始，歷時7個月，至8月2日全部結(jié)束。通過試驗積累的工藝參數(shù)和環(huán)保數(shù)據(jù)，可以有效指導礦山實際生產(chǎn)和環(huán)保管理工作。

3.1 工藝技術(shù)

本試驗礦塊的母液回收率為90.06%，稀土采選綜合回收率為89.3%，最大程度將原礦配分中的稀土回收，且高價值鋱、鏑等元素配分比原礦配分有所增加。

3.2 環(huán)保措施

1)試驗工程的主要環(huán)保措施有防滲、雨污分流、清水淋洗、尾水處理、設(shè)置環(huán)?；厥站?，其中防滲措施主要是在池底和池壁鋪設(shè)防滲篷布。經(jīng)檢測和效果驗證，篷布平均厚度為0.47 mm，垂直滲透系數(shù)小于7.47×10-13cm/s。試驗過程中防滲篷布未出現(xiàn)撕裂和滲漏現(xiàn)象，效果良好，簡單經(jīng)濟，耐用且實用，滿足環(huán)保要求。

2)在母液收集結(jié)束后開始清水淋洗，自7月2日開始至8月1日結(jié)束，淋洗周期32 d，淋洗措施將礦體中的大量浸礦劑清洗出來，大大降低了礦體的污染源強，淋洗措施工藝簡單，經(jīng)濟有效，切實可行。

3)地表水影響情況：試驗礦塊下游地表水中的特征污染因子硫酸根濃度，從開采前的140 mg/L上升到開采后的892 mg/L，隨著礦塊清水淋洗的進行，下降到131 mg/L；礦區(qū)外地表水體均滿足《離子型稀土礦山開采水污染物排放標準》(DB36 1016—2018)一級排放標準。以上數(shù)據(jù)說明，本次試驗對下游地表水的環(huán)境影響是有限的、局部的，僅對臨近采場的地表水有一定影響，特征污染因子濃度隨著試驗進程先增加后降低，最終隨著試驗結(jié)束恢復到浸采前的環(huán)境水平，其他地表水斷面的特征因子變化趨勢不顯著。

4)地下水影響情況：試驗礦塊下游地下水中特征污染因子硫酸根濃度，在開采準備期、開采高峰期和清水淋洗期均小于100 mg/L,滿足《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)Ⅲ類地下水限值。試驗礦塊的開采，對地下水的影響主要集中在離試驗礦塊較近的地下水監(jiān)測點，對礦區(qū)上游和礦區(qū)外的地下水監(jiān)測點的影響均不明顯，且所有監(jiān)測點隨著淋洗的開始水質(zhì)逐漸變好。可見，試驗項目對采區(qū)臨近的地下水影響是短期的，局部的；試驗項目對礦區(qū)外的地下水影響較小且不顯著，不改變礦區(qū)外的地下水環(huán)境質(zhì)量類別，對地下水的環(huán)境影響在可控范圍內(nèi)。

5)土壤影響情況：試驗礦塊開采各階段砷、鎘、六價鉻、銅、鉛、汞、鎳等重金屬指標均可滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)篩選值第二類用地要求。坡腳表層土壤中出現(xiàn)了輕度鹽化，但是影響短暫，隨著后期清水淋洗過程的進行，最終恢復至原地浸礦之前的未鹽化水平，其余各土壤監(jiān)測點的表層土壤均未出現(xiàn)鹽化。試驗期間礦塊未出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，環(huán)境影響可接受。這說明項目試驗對礦塊下游土壤的影響較小；對山頂、邊坡、坡腳土壤產(chǎn)生一定的環(huán)境影響，但經(jīng)過清水淋洗試驗后土壤質(zhì)量好轉(zhuǎn)。

5)生態(tài)影響情況：現(xiàn)場對照實驗表明，受注液影響的礦山和周邊未受影響的對照點的植物生長情況、葉綠素含量基本相同、土壤微生物數(shù)量處于同一數(shù)量級，這表明開采對植被、土壤、水生物、微生物的影響可接受。

4 結(jié)束語

綜上所述，對離子型稀土礦采場采用合理的污染防治和環(huán)保管理措施，離子型稀土資源開發(fā)過程對礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境的擾動完全在可控制范圍內(nèi)，可實現(xiàn)建設(shè) “綠色離子型稀土礦山”的目標。