輕稀土礦環境風險評估及污染治理研究進展

李陜 魏光普 于曉燕 于江蕊 康瑜

摘 要：本文以內蒙古包頭市白云鄂博輕稀土礦山為研究對象，針對露天開采導致的環境問題、環境風險評估和輕稀土污染治理進行綜合評判，研究內容包括：輕稀土礦露天開采工藝對生態環境的影響;輕稀土冶煉工藝中酸法、堿法和綠色冶煉分離工藝優缺點;輕稀土修復治理技術措施的物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術的方法，其中又詳述了遙感（RS）、物理模型法等多種新興技術治理污染的評價方法和特點。通過研究輕稀土礦的開采工藝、冶煉工藝造成不同的環境污染特征，探討不同治理技術措施對污染修復的優缺點尤顯迫切和必要，本研究以期為輕稀土礦區的生態修復提供科學理論方法。

關鍵詞：輕稀土 礦山 環境問題 生態修復

中圖分類號：S731.6? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Research Progress in Environmental Risk Assessment and Pollution Control of Light Rare Earth Mines

LI Shan， WEI Guangpu*， YU Xiaoyan， YU Jiangrui， KANG Yu

（Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou， Inner

Mongolia 014010， China ）

Abstract： This paper comprehensively evaluates the environmental problems and risks caused by the light rare earth ore mining in Bayan Obo， Baotou City， Inner Mongolia， and discusses the control measures. The research includes： the impact of the open-pit mining process of light rare earth ore on ecological environment; the advantages and disadvantages of the acid， alkali and green smelting separation processes in the light rare earth smelting course; the physical， chemical and biological technologies for light rare earth remediation， especially details on remote sensing （RS） and physical model method. Based on researches of environmental pollution characteristics caused by mining and smelting of light rare earth ore， analyzes the advantages and disadvantages of various control measures for pollution， hoping to provide scientific theoretical methods for the ecological remediation of light rare earth mine.

Key words： Light rare earth; mine; environmental problems; ecological restoration

隨著全球科技化發展，稀土在社會發展和日常生活中成為必不可少的重要資源，已被廣泛應用于醫療、航空和全民工業等各個領域。稀土作為重金屬是由元素周期表中鑭系的17個元素組成，可分為輕稀土和中、重稀土（離子型稀土）。其中輕稀土元素包括鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、釤（Sm）、钷（Pm）和銪（Eu）7個元素，其余10個元素被稱為中、重稀土。根據資料顯示，截至2018年底，中國稀土資源儲量達4400萬t，約占全球總儲量的36.67%，位居世界首位[1]。其中，內蒙古包頭白云鄂博是我國稀土資源工業儲備的主要產區，占全國儲量80%以上[2]。稀土礦產在我國分布廣泛，整體呈現出北輕南重的趨勢，內蒙古包頭市白云鄂博輕稀土礦主要以獨居石和氟碳鈰礦為主，江西贛南、四川和福建閩西等地區則主要出產富含中、重稀土的風化殼淋積型離子稀土礦[3]。其中，輕稀土應用范圍廣、且儲量較高，在各領域中占著重要的作用。當前，輕稀土礦產資源的需求量變得越來越大，礦山開采活動隨之增加，惡化的環境正日益成為阻礙生態文明建設和經濟發展的關鍵。如何合理有效的防治礦山環境污染，成為人們密切關注的問題。本文系統研究了輕稀土礦開采過程中導致環境問題的主要因素、環境風險評價方法以及輕稀土污染治理，提出了解決環境問題的思路和提高輕稀土回收率的研究方向，以期為礦區環境修復治理提供參考。

1 輕稀土礦選礦工藝及其產生的主要環境問題

1.1 輕稀土礦選礦工藝（以內蒙古白云鄂博稀土混合型輕稀土礦為例）

科學技術日益發展，我國輕稀土礦選工藝也在不斷改進和革新。從過去常用的單一浮選工藝到今日設計開發的新型綠色浮選工藝，礦選工藝發展實現了我國輕稀土產能的不斷提高。目前國內輕稀土生產主要以北方白云鄂博稀土礦為代表的混合型輕稀土礦和南方四川冕寧耗牛坪氟碳鈰輕稀土礦為主[4]。內蒙古白云鄂博礦也是世界上最大的多元素共生的大型綜合礦床，其中富含鐵、稀土、鈮及放射性元素釷等多種金屬元素[5]，輕稀土的儲量和產能均為國內第一。

由于“連續浮選—磁選”、“超重力場輔助浮選”等新型綠色礦選工藝尚在實驗階段，目前，“弱磁選—強磁選—浮選”聯合選礦工藝是我國礦物型輕稀土礦工業應用最為廣泛的最先進稀土礦選礦工藝。通過此工藝，可得到高含量原礦元素的鐵精礦與稀土精礦，（聯合選礦工藝流程見圖1）。白云鄂博礦通過“弱磁選—強磁選—浮選”先進工藝技術成功實現了輕稀土的產業化，并成為我國乃至世界上最大的輕稀土原料產地和供應地[6]。稀土礦物本身具有賦存特性，使其在分離回收的過程中難度較大，部分稀土礦進入破、磨和尾礦庫堆存，致其資源的利用率也較低[4]，且在開采選別過程中面臨著嚴峻的生態環境問題。如何在高效選礦的同時做到生態開采、綠色開采，是目前亟待解決的問題。

1.2 對地質環境的影響

輕稀土中富含La、Ce、Pr、Nd、Sm、Pm和Eu稀土元素，開采輕稀土礦物使其脫離原本相對封閉的地下環境，直接裸露于地表環境中或與大氣中的其他物質（氧氣、水等）發生化學反應[7]。稀土元素與地面環境接觸，容易導致土地失去原有的自然性質，造成礦區內的土壤污染問題。鈰的4種同位素，其中只有142 Ce有輕微放射性，在白云鄂博礦區的6個區域內調查顯示，7種稀土元素的含量分布具有一致性，為wCe>wLa>wPr>wNd>wSm>wY>wEu，在7種檢測的稀土元素中，除Y的全量超標率為83.33%外，其余6種元素的全量超標率均達到100%[8]，土壤和空氣的污染顯而易見。

由于輕稀土礦資源的廣泛分布，因而由地下形成的地面塌陷現象也較為普遍。大面積的地面塌陷導致綠地面積減少，甚至產生安全隱患，危及到人類的生存環境，造成不必要的人員傷亡及財產損失[9]。在稀土礦的開采中不可避免廢棄土石和少部分稀土礦的外排，這些廢棄物多堆積于河岸、坡道等處，若沒有有效的防護設施，一旦有暴雨或洪水降臨，帶動殘余的廢棄物，極易導致一定范圍內泥石流的爆發，給礦山帶來巨大損失。

1.3 對植被的影響

在輕稀土礦采選過程中伴隨著多種污染物，如在稀土礦浸選過程中使用的硫酸銨和碳酸氫銨;尾礦渣中殘留的氰化鈉;能源礦山和使用有機選礦藥劑礦山附近也會有含多環芳香烴等有機污染物等，這些污染物一旦接觸到土壤便會加劇土地沙化。稀土在土壤環境中長期非自然積累，植被逐漸不復存在，從而影響到土壤生態環境和糧食生產安全，進而會給人類健康帶來一定危害[10]。在對呼倫貝爾盟市部分礦山初步統計中發現，因開采礦山而破壞的草地面積達到70 km2，直接影響了當地生態環境[4]。且在輕稀土礦的開采初期往往需要剝離大量表層土，產生廢棄石、土、礦渣、尾礦等固體廢棄物，占用大面積土地、破壞植被。這些廢棄物在采空區和廢渣、廢礦亂大量堆疊、無序且雜亂，壓礦現象嚴重，不僅改變了原有地形地貌、影響周邊景觀，更破壞了當地生態環境，導致礦區基本荒漠化、植被破壞、復墾率極低。

1.4 對水環境的影響

在采礦過程中，有的輕稀土礦山、尾礦未及時合理地采取防護措施，任其棄渣、廢石露天堆放，含污染元素的礦物通過工業廢水排放和農田地表徑流釋放在環境中。進入水體的稀土元素不斷增加導致流經的河道被污染，河中懸浮物和尾礦渣大量增加，地表水混濁不堪。近幾年，因采礦導致水環境污染的事件時有發生。例如白云鄂博礦區曾經不合理地開采后，致使尾礦區里的少些廢水流經到礦區周圍的水體環境中[11]。這些廢水大多含有有毒的礦物離子，對周圍居民的生活用水和農業用水產生一定程度的污染，不經過有效的治理和防護更會致使動物生長出現畸形、發育不良等問題，甚至危及周邊群眾生命財產安全。除了對地表水和地下水的影響外，在采礦時對礦坑涌水的排放還會造成區域性地下水位下降[12]，甚至會出現地下水疏干、地面坍塌等一系列生態環境問題。

1.5 其他影響

伴隨礦產資源采選過程中會產生大量廢水、廢氣和固體廢棄物[13]。例如，礦選后輕稀土精礦和尾礦中有總α放射性比活度高于一般環境水平的產物，由此可見放射性元素富集于其中。在輕稀土礦山開采的過程中，不可避免會產生大量含釷等放射性元素的粉塵，白云鄂博稀土礦粉塵年排放量約為61.8 t[14]，向大氣排放的粉塵比活度遠遠高于環境土壤平均值。且輕稀土精礦中含有螢石（CaF2），用濃硫酸高溫焙燒分解精礦時會產生含HF、SO2、SO3等其它污染物的含塵煙氣，嚴重影響大氣環境[15]。

2 輕稀土礦環境風險評估

2.1 輕稀土礦環境監測

由于開發利用與管理比較粗放，輕稀土礦出現了濫采亂挖等問題，礦產資源被嚴重浪費的同時還引發了一系列環境問題，影響人們的生活。中國地質調查局于2006年起相繼啟動了“礦產資源開發多目標遙感調查與監測”、“礦山開發遙感調查與監測”等多個項目[16]。隨著衛星對地觀測技術的快速發展，遙感技術代替傳統國土資源動態巡查，已經廣泛應用于礦產資源環境監測中。礦山開發遙感識別具有獨特的特征，不僅可以直接解釋色調、大小、形狀、位置、布局、圖案和紋理等標志[17]，還可以根據礦山開采基地的地形地貌和地質體影像進一步判定解譯目標。

近十年，研究人員開始將遙感技術運用于輕稀土礦開采過程中的環境變化。安志宏等[18]利用遙感技術，通過對白云鄂博礦區高分辨率遙感圖像的提取、解譯進行調查研究，統計出了具體的因采礦造成的水體污染面積、因開采占用的礦山采場排土（石）場和尾礦庫面積等，得出較為準確、客觀的環境信息，為日后礦山開發和環境保護提供了指導思想。楊顯華等[19];利用衛星圖像遙感方法對四川冕寧牦牛坪稀土礦進行研究，并對其野外調查，較為準確地解釋該礦區的礦山地質災害點、礦山環境污染面積、尾礦庫分布點等現狀，并由此提出恢復治理的方案與建議。通過遙感技術的監測，不僅可以迅速、實時、準確地提取地表及淺地表信息，還可以實時高分辨監測遙感數據，在管理中定期排查，從而避免環境的污染和資源的浪費。

2.2 環境評價

礦山環境評價是對礦山場地進行調研和對已有的成果資料進行收集分析整理之后，根據整合采集到的各種環境問題來作出相應的現狀模擬和預測預報[20]。21世紀以來，我國環境評價技術已逐漸成熟[21]，目前常用的評價方法主要包括：預測模型法、地理信息系統（GIS）[22]、遙感（RS）、人工神經網絡法（BP）、層次分析法（AHP）[23]、物理模型法、大氣環境質量法等。針對于不同的廢棄物和污染情況，研究者對其有不同的評價方法。例如：針對于采礦導致的地面沉陷變形，可采用物理模型法進行環境評價，即應用相似的材料營造小比例尺的環境，模擬實驗法再現采礦過程中的變化[24]。通過物理模型法，可生動形象地再現采礦中巖層與地表移動的特征，如可觀察到開采沉陷過程中誘發的裂縫生長和擴展情況等。此外，還可結合特殊的采礦條件模擬不同的采礦環境，進行反復試驗，便于考慮地質采礦方面的參數，適用面較廣。類似的方法在國外的環境評價中也有很有效的利用。2010年，TNC（大自然保護協會）評估了大規模采礦項目對美國克維查克（Kvichak）流域大麻哈魚和布里斯托爾灣努沙加克（Nushagak）流域的影響。通過對現場調查和兩年多的數據收集，TNC模擬了露天開采的礦山環境、甚至是尾礦庫以及廢石堆可能會給流域帶來的潛在影響[25]。環境評價表明，采礦活動將會影響這些流域流量減少，排放的污染物甚至可能導致水體水質標準下降，帶來明顯的環境負效應。在國內，環境評價也已在實踐中推廣應用。通過對稀土礦區礦產開采方式、開采強度、地形地貌、地質構造、植被覆蓋率、地下水類型等指標的分析，結合遙感數據進行信息提取，并基于證據權重法分別計算各項指標的權重[26]。通過具體矢量要素來發現空間的分布規律，從而建立相關模型，構建礦區環境評價指標體系，這對于稀土礦區災害評價和災害防護具有重要意義[27]。

3 輕稀土礦環境的污染治理研究

3.1 政策法規與制度建設

自20世紀80年代以來，我國頒布了《中華人民共和國水污染防治法》《中華人民共和國環境保護法》《中華人民共和國清潔生產促進法》和《中華人民共和國放射性污染防治法》[7]等相關法律，嚴格的規定了稀土采礦企業的采選冶煉流程，提出了相關企業應有效保護和合理利用資源;《稀土工業中長期發展規劃》、《稀土開采總量控制指標》和《稀土工業污染物排放標準》等相關文件，明確了稀土生產企業對于各污染物的排放限值，保證了稀土工業在新型工業化道路的進程中健康持續發展。在相關法律和政策的支持下，還應在管理建設與法制建設上采取有力措施。贛縣五礦稀土子公司因車間存在明顯的氯化氫和有機廢氣無組織排放問題被群眾多次舉報，該企業面臨環境污染久拖不治后終被停產整頓。國家產業政策是相關企業生產發展的有力保證，如存在生產技術較落后、資源開發較為浪費、超標排放污染物和嚴重破壞生態環境等現象的稀土礦山企業，要限期關停或轉產[7]。

3.2 廢水、廢氣處理

通過碳銨沉淀轉型生產碳酸稀土是混合型稀土精礦濃硫酸焙燒礦浸出液常用的生產途徑，之后需要經過鹽酸溶解、氨皂等萃取分離，生產過程中一般會產生大量的氨氮廢水[28]，難以防治。近年來，有研究者成功開發了在H2SO4和Hcl的混合介質中，非皂化P2O4和P5O7經過混合萃取體系，可以萃取分離出稀土的新工藝[29]。通過此工藝可有效地消除氨氮廢水對環境帶來的污染，提高水的循環利用率。此技術已成功應用于處理包頭混合型稀土礦等幾家稀土廠。由包頭華美稀上高科有限公司自主研發成功的“分餾一逆流置換萃取生產高純單一稀土”新工藝，目前已應用在多個稀土礦廠高純單一稀土氧化物的分離生產線上。相較于現行的萃取工藝，該工藝在酸堿消耗方面都大量降低，這樣不僅節約了生產成本，更減少了酸、堿廢水對環境的污染。

針對于用濃硫酸高溫焙燒處理輕稀土精礦工藝易產生含、二氧化硫、三氧化硫廢氣等問題，已有研究者開發出濃硫酸低溫焙燒新工藝[15]。此工藝流程中硫酸不易分解，產生的HF經過NH3吸收可生成NH4HF2產品，可避免廢水、廢氣的生產。該工藝目前也已成功應用于山東微山輕稀土礦的冶煉開采中。

3.3 二次回收、再利用

輕稀土礦經過幾十年的開采，采出的稀土（REO）和二氧化釷排入尾礦壩堆存，已然成為一個新的稀土和釷礦，含稀土、釷等元素的尾礦砂被風吹散，更會污染周邊環境[30]。白云鄂博礦是全國最大的輕稀土礦床，其采礦過程中會產生大量尾礦，通過再次提取尾礦中的有用成分，可實現尾礦產量有效的二次回收。張悅[31]等對包鋼稀土尾礦中的稀土進行二次浮選，采用1粗3精2掃、中礦順序返回流程，得到REO品位達45.08%，回收率達75. 25%的稀土精礦，品位提高了近8倍。除了通過再回收減少尾礦的量，也可將尾礦二次利用于其他領域，如作為原料生產功能性材料、作為催化劑促進反應進行等。王蕾[32]等對白云鄂博稀土尾礦進行研究，通過對以尾礦為原料的處理，采用水熱/溶劑熱方法，制備了新型的復合氧化物催化材料，且以此所得材料的氧化還原電催化性能較高。

3.4 土壤修復和生態修復

稀土礦被開采后致使大量的外源稀土進入土壤，絕大部分滯留在土壤表層[33]，高濃度的稀土元素的累積會抑制植株根系伸長率，降低農作物發芽率，并與細胞膜蛋白結合，抑制細胞內酶的活性，從而影響植被的生長。近年來，關于稀土礦山土壤污染治理的方法可以借鑒重金屬元素污染的治理方法，主要有物理法、化學法和生物法三種方法。物理法主要有土壤淋洗法、工程措施法、電熱修復法等，化學法就是向土壤種投入改良劑，通過對重金屬的吸附、氧化還原等作用降低其生物有效性[34]。生物修復法包括微生物修復法、植物修復法和植物-微生物聯合修復法。物理、化學修復法雖然簡單快捷見效很快，但是存在花費較大、治理效果一般等問題。其中，物理法存在污染還會擴散的風險性，化學法也有可能會破壞土壤結構，導致土壤生物活性和肥力下降等問題。因此，均難以應用于改良較大面積土壤的污染。而生物修復法具有花費成本低、應用較簡便、不易產生二次污染等優點，在土壤的修復中具備良好的市場前景和開發利用。

其中，生物法中的植物修復法被人們廣泛利用于稀土礦山土壤污染治理，該方法成本低，操作簡單、高效、環境友好且適合大規模推廣。它是利用植物的特殊生理功能，把受污染土壤或土壤中的污染物轉移到植物其它部位或圍堵，從而達到減少污染的目的。研究表明，一些灌木及草本植物（如香根草、木豆、山毛豆等）具有較好的抗滲透脅迫性和耐酸性[35]。有研究者證明叢枝菌根真菌具有修復稀土-重金屬復合污染王壤的潛力，其可促進玉米等植株的生長和礦質營養元素的吸收，可增強玉米等植株對稀土和重金屬的抗性[36]。魏光普等[37]在包頭輕稀土礦區中發現海綿植物（指對污染物吸收系數高于1的植物）能夠主動吸收土壤環境中的稀土元素，可用于修復土壤污染。研究表明，植物修復法具有應用于稀土廢棄礦區生態修復的潛力，是目前備受歡迎的清潔環保、綠色原位修復技術之一。

4 結論與展望

輕稀土礦環境的保護與治理是一項涉面較廣、任務艱巨、難度較大的工作，當前工作的重中之重是礦山環境恢復工作與礦山地質災害的防治。綠水青山就是金山銀山，環保比稀土的產量更為重要。因此，綜述輕稀土環境問題與相關治理問題對其更高程度更大范圍的應用意義重大。根據目前的現狀，結合當前生態文明建設的相關要求，對未來工作提出以下建議：

（1）繼續深入各種稀土礦環境可適用的環境影響評價方法，推廣和開發其在工業實踐中的應用。研究輕稀土礦床的結構特征，設計嚴謹的綠植和環保方案，防治水土流失、坍塌等地質災害。

（2）開發研究輕稀土礦中伴生其他有用礦物（如重晶石、螢石等），尋找和研究輕稀土采礦中的新藥劑與新流程，為今后提高尾礦復合資源利用率提供技術支撐。

（3）推廣“連續浮選—磁選”、“超重力場輔助浮選”等新型綠色礦選工藝廣泛應用于輕稀土礦的開采中，研究和合成萃取性能更好、輕毒甚至無毒的新型萃取劑，實現稀土礦綠色高效利用和清潔綠色工藝的可能性。

（4）研究新型植物修復技術，探索新的化學和生物結合方式對輕稀土尾礦土壤修復的方法，更有效的治理土壤污染問題。

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