轻稀土矿环境风险评估及污染治理研究进展

李陕 魏光普 于晓燕 于江蕊 康瑜

摘 要：本文以内蒙古包头市白云鄂博轻稀土矿山为研究对象，针对露天开采导致的环境问题、环境风险评估和轻稀土污染治理进行综合评判，研究内容包括：轻稀土矿露天开采工艺对生态环境的影响;轻稀土冶炼工艺中酸法、碱法和绿色冶炼分离工艺优缺点;轻稀土修复治理技术措施的物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术的方法，其中又详述了遥感（RS）、物理模型法等多种新兴技术治理污染的评价方法和特点。通过研究轻稀土矿的开采工艺、冶炼工艺造成不同的环境污染特征，探讨不同治理技术措施对污染修复的优缺点尤显迫切和必要，本研究以期为轻稀土矿区的生态修复提供科学理论方法。

关键词：轻稀土 矿山 环境问题 生态修复

中图分类号：S731.6                  文献标识码：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

随着全球科技化发展，稀土在社会发展和日常生活中成为必不可少的重要资源，已被广泛应用于医疗、航空和全民工业等各个领域。稀土作为重金属是由元素周期表中镧系的17个元素组成，可分为轻稀土和中、重稀土（离子型稀土）。其中轻稀土元素包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钐（Sm）、钷（Pm）和铕（Eu）7个元素，其余10个元素被称为中、重稀土。根据资料显示，截至2018年底，中国稀土资源储量达4400万t，约占全球总储量的36.67%，位居世界首位[1]。其中，内蒙古包头白云鄂博是我国稀土资源工业储备的主要产区，占全国储量80%以上[2]。稀土矿产在我国分布广泛，整体呈现出北轻南重的趋势，内蒙古包头市白云鄂博轻稀土矿主要以独居石和氟碳铈矿为主，江西赣南、四川和福建闽西等地区则主要出产富含中、重稀土的风化壳淋积型离子稀土矿[3]。其中，轻稀土应用范围广、且储量较高，在各领域中占著重要的作用。当前，轻稀土矿产资源的需求量变得越来越大，矿山开采活动随之增加，恶化的环境正日益成为阻碍生态文明建设和经济发展的关键。如何合理有效的防治矿山环境污染，成为人们密切关注的问题。本文系统研究了轻稀土矿开采过程中导致环境问题的主要因素、环境风险评价方法以及轻稀土污染治理，提出了解决环境问题的思路和提高轻稀土回收率的研究方向，以期为矿区环境修复治理提供参考。

1 轻稀土矿选矿工艺及其产生的主要环境问题

1.1 轻稀土矿选矿工艺（以内蒙古白云鄂博稀土混合型轻稀土矿为例）

科学技术日益发展，我国轻稀土矿选工艺也在不断改进和革新。从过去常用的单一浮选工艺到今日设计开发的新型绿色浮选工艺，矿选工艺发展实现了我国轻稀土产能的不断提高。目前国内轻稀土生产主要以北方白云鄂博稀土矿为代表的混合型轻稀土矿和南方四川冕宁耗牛坪氟碳铈轻稀土矿为主[4]。内蒙古白云鄂博矿也是世界上最大的多元素共生的大型综合矿床，其中富含铁、稀土、铌及放射性元素钍等多种金属元素[5]，轻稀土的储量和产能均为国内第一。

由于“连续浮选—磁选”、“超重力场辅助浮选”等新型绿色矿选工艺尚在实验阶段，目前，“弱磁选—强磁选—浮选”联合选矿工艺是我国矿物型轻稀土矿工业应用最为广泛的最先进稀土矿选矿工艺。通过此工艺，可得到高含量原矿元素的铁精矿与稀土精矿，（联合选矿工艺流程见图1）。白云鄂博矿通过“弱磁选—强磁选—浮选”先进工艺技术成功实现了轻稀土的产业化，并成为我国乃至世界上最大的轻稀土原料产地和供应地[6]。稀土矿物本身具有赋存特性，使其在分离回收的过程中难度较大，部分稀土矿进入破、磨和尾矿库堆存，致其资源的利用率也较低[4]，且在开采选别过程中面临着严峻的生态环境问题。如何在高效选矿的同时做到生态开采、绿色开采，是目前亟待解决的问题。

1.2 对地质环境的影响

轻稀土中富含La、Ce、Pr、Nd、Sm、Pm和Eu稀土元素，开采轻稀土矿物使其脱离原本相对封闭的地下环境，直接裸露于地表环境中或与大气中的其他物质（氧气、水等）发生化学反应[7]。稀土元素与地面环境接触，容易导致土地失去原有的自然性质，造成矿区内的土壤污染问题。铈的4种同位素，其中只有142 Ce有轻微放射性，在白云鄂博矿区的6个区域内调查显示，7种稀土元素的含量分布具有一致性，为wCe>wLa>wPr>wNd>wSm>wY>wEu，在7种检测的稀土元素中，除Y的全量超标率为83.33%外，其余6种元素的全量超标率均达到100%[8]，土壤和空气的污染显而易见。

由于轻稀土矿资源的广泛分布，因而由地下形成的地面塌陷现象也较为普遍。大面积的地面塌陷导致绿地面积减少，甚至产生安全隐患，危及到人类的生存环境，造成不必要的人员伤亡及财产损失[9]。在稀土矿的开采中不可避免废弃土石和少部分稀土矿的外排，这些废弃物多堆积于河岸、坡道等处，若没有有效的防护设施，一旦有暴雨或洪水降临，带动残余的废弃物，极易导致一定范围内泥石流的爆发，给矿山带来巨大损失。

1.3 对植被的影响

在轻稀土矿采选过程中伴随着多种污染物，如在稀土矿浸选过程中使用的硫酸铵和碳酸氢铵;尾矿渣中残留的氰化钠;能源矿山和使用有机选矿药剂矿山附近也会有含多环芳香烃等有机污染物等，这些污染物一旦接触到土壤便会加剧土地沙化。稀土在土壤环境中长期非自然积累，植被逐渐不复存在，从而影响到土壤生态环境和粮食生产安全，进而会给人类健康带来一定危害[10]。在对呼伦贝尔盟市部分矿山初步统计中发现，因开采矿山而破坏的草地面积达到70 km2，直接影响了当地生态环境[4]。且在轻稀土矿的开采初期往往需要剥离大量表层土，产生废弃石、土、矿渣、尾矿等固体废弃物，占用大面积土地、破坏植被。这些废弃物在采空区和废渣、废矿乱大量堆叠、无序且杂乱，压矿现象严重，不仅改变了原有地形地貌、影响周边景观，更破坏了当地生态环境，导致矿区基本荒漠化、植被破坏、复垦率极低。

1.4 对水环境的影响

在采矿过程中，有的轻稀土矿山、尾矿未及时合理地采取防护措施，任其弃渣、废石露天堆放，含污染元素的矿物通过工业废水排放和农田地表径流释放在环境中。进入水体的稀土元素不断增加导致流经的河道被污染，河中悬浮物和尾矿渣大量增加，地表水混浊不堪。近几年，因采矿导致水环境污染的事件时有发生。例如白云鄂博矿区曾经不合理地开采后，致使尾矿区里的少些废水流经到矿区周围的水体环境中[11]。这些废水大多含有有毒的矿物离子，对周围居民的生活用水和农业用水产生一定程度的污染，不经过有效的治理和防护更会致使动物生长出现畸形、发育不良等问题，甚至危及周边群众生命财产安全。除了对地表水和地下水的影响外，在采矿时对矿坑涌水的排放还会造成区域性地下水位下降[12]，甚至会出现地下水疏干、地面坍塌等一系列生态环境问题。

1.5 其他影响

伴随矿产资源采选过程中会产生大量废水、废气和固体废弃物[13]。例如，矿选后轻稀土精矿和尾矿中有总α放射性比活度高于一般环境水平的产物，由此可见放射性元素富集于其中。在轻稀土矿山开采的过程中，不可避免会产生大量含钍等放射性元素的粉尘，白云鄂博稀土矿粉尘年排放量约为61.8 t[14]，向大气排放的粉尘比活度远远高于环境土壤平均值。且轻稀土精矿中含有萤石（CaF2），用浓硫酸高温焙烧分解精矿时会产生含HF、SO2、SO3等其它污染物的含尘烟气，严重影响大气环境[15]。

2 轻稀土矿环境风险评估

2.1 轻稀土矿环境监测

由于开发利用与管理比较粗放，轻稀土矿出现了滥采乱挖等问题，矿产资源被严重浪费的同时还引发了一系列环境问题，影响人们的生活。中国地质调查局于2006年起相继启动了“矿产资源开发多目标遥感调查与监测”、“矿山开发遥感调查与监测”等多个项目[16]。随着卫星对地观測技术的快速发展，遥感技术代替传统国土资源动态巡查，已经广泛应用于矿产资源环境监测中。矿山开发遥感识别具有独特的特征，不仅可以直接解释色调、大小、形状、位置、布局、图案和纹理等标志[17]，还可以根据矿山开采基地的地形地貌和地质体影像进一步判定解译目标。

近十年，研究人员开始将遥感技术运用于轻稀土矿开采过程中的环境变化。安志宏等[18]利用遥感技术，通过对白云鄂博矿区高分辨率遥感图像的提取、解译进行调查研究，统计出了具体的因采矿造成的水体污染面积、因开采占用的矿山采场排土（石）场和尾矿库面积等，得出较为准确、客观的环境信息，为日后矿山开发和环境保护提供了指导思想。杨显华等[19];利用卫星图像遥感方法对四川冕宁牦牛坪稀土矿进行研究，并对其野外调查，较为准确地解释该矿区的矿山地质灾害点、矿山环境污染面积、尾矿库分布点等现状，并由此提出恢复治理的方案与建议。通过遥感技术的监测，不仅可以迅速、实时、准确地提取地表及浅地表信息，还可以实时高分辨监测遥感数据，在管理中定期排查，从而避免环境的污染和资源的浪费。

2.2 环境评价

矿山环境评价是对矿山场地进行调研和对已有的成果资料进行收集分析整理之后，根据整合采集到的各种环境问题来作出相应的现状模拟和预测预报[20]。21世纪以来，我国环境评价技术已逐渐成熟[21]，目前常用的评价方法主要包括：预测模型法、地理信息系统（GIS）[22]、遥感（RS）、人工神经网络法（BP）、层次分析法（AHP）[23]、物理模型法、大气环境质量法等。针对于不同的废弃物和污染情况，研究者对其有不同的评价方法。例如：针对于采矿导致的地面沉陷变形，可采用物理模型法进行环境评价，即应用相似的材料营造小比例尺的环境，模拟实验法再现采矿过程中的变化[24]。通过物理模型法，可生动形象地再现采矿中岩层与地表移动的特征，如可观察到开采沉陷过程中诱发的裂缝生长和扩展情况等。此外，还可结合特殊的采矿条件模拟不同的采矿环境，进行反复试验，便于考虑地质采矿方面的参数，适用面较广。类似的方法在国外的环境评价中也有很有效的利用。2010年，TNC（大自然保护协会）评估了大規模采矿项目对美国克维查克（Kvichak）流域大麻哈鱼和布里斯托尔湾努沙加克（Nushagak）流域的影响。通过对现场调查和两年多的数据收集，TNC模拟了露天开采的矿山环境、甚至是尾矿库以及废石堆可能会给流域带来的潜在影响[25]。环境评价表明，采矿活动将会影响这些流域流量减少，排放的污染物甚至可能导致水体水质标准下降，带来明显的环境负效应。在国内，环境评价也已在实践中推广应用。通过对稀土矿区矿产开采方式、开采强度、地形地貌、地质构造、植被覆盖率、地下水类型等指标的分析，结合遥感数据进行信息提取，并基于证据权重法分别计算各项指标的权重[26]。通过具体矢量要素来发现空间的分布规律，从而建立相关模型，构建矿区环境评价指标体系，这对于稀土矿区灾害评价和灾害防护具有重要意义[27]。

3 轻稀土矿环境的污染治理研究

3.1 政策法规与制度建设

自20世纪80年代以来，我国颁布了《中华人民共和国水污染防治法》《中华人民共和国环境保护法》《中华人民共和国清洁生产促进法》和《中华人民共和国放射性污染防治法》[7]等相关法律，严格的规定了稀土采矿企业的采选冶炼流程，提出了相关企业应有效保护和合理利用资源;《稀土工业中长期发展规划》、《稀土开采总量控制指标》和《稀土工业污染物排放标准》等相关文件，明确了稀土生产企业对于各污染物的排放限值，保证了稀土工业在新型工业化道路的进程中健康持续发展。在相关法律和政策的支持下，还应在管理建设与法制建设上采取有力措施。赣县五矿稀土子公司因车间存在明显的氯化氢和有机废气无组织排放问题被群众多次举报，该企业面临环境污染久拖不治后终被停产整顿。国家产业政策是相关企业生产发展的有力保证，如存在生产技术较落后、资源开发较为浪费、超标排放污染物和严重破坏生态环境等现象的稀土矿山企业，要限期关停或转产[7]。

3.2 废水、废气处理

通过碳铵沉淀转型生产碳酸稀土是混合型稀土精矿浓硫酸焙烧矿浸出液常用的生产途径，之后需要经过盐酸溶解、氨皂等萃取分离，生产过程中一般会产生大量的氨氮废水[28]，难以防治。近年来，有研究者成功开发了在H2SO4和Hcl的混合介质中，非皂化P2O4和P5O7经过混合萃取体系，可以萃取分离出稀土的新工艺[29]。通过此工艺可有效地消除氨氮废水对环境带来的污染，提高水的循环利用率。此技术已成功应用于处理包头混合型稀土矿等几家稀土厂。由包头华美稀上高科有限公司自主研发成功的“分馏一逆流置换萃取生产高纯单一稀土”新工艺，目前已应用在多个稀土矿厂高纯单一稀土氧化物的分离生产线上。相较于现行的萃取工艺，该工艺在酸碱消耗方面都大量降低，这样不仅节约了生产成本，更减少了酸、碱废水对环境的污染。

针对于用浓硫酸高温焙烧处理轻稀土精矿工艺易产生含、二氧化硫、三氧化硫废气等问题，已有研究者开发出浓硫酸低温焙烧新工艺[15]。此工艺流程中硫酸不易分解，产生的HF经过NH3吸收可生成NH4HF2产品，可避免废水、废气的生产。该工艺目前也已成功应用于山东微山轻稀土矿的冶炼开采中。

3.3 二次回收、再利用

轻稀土矿经过几十年的开采，采出的稀土（REO）和二氧化钍排入尾矿坝堆存，已然成为一个新的稀土和钍矿，含稀土、钍等元素的尾矿砂被风吹散，更会污染周边环境[30]。白云鄂博矿是全国最大的轻稀土矿床，其采矿过程中会产生大量尾矿，通过再次提取尾矿中的有用成分，可实现尾矿产量有效的二次回收。张悦[31]等对包钢稀土尾矿中的稀土进行二次浮选，采用1粗3精2扫、中矿顺序返回流程，得到REO品位达45.08%，回收率达75. 25%的稀土精矿，品位提高了近8倍。除了通过再回收减少尾矿的量，也可将尾矿二次利用于其他领域，如作为原料生产功能性材料、作为催化剂促进反应进行等。王蕾[32]等对白云鄂博稀土尾矿进行研究，通过对以尾矿为原料的处理，采用水热/溶剂热方法，制备了新型的复合氧化物催化材料，且以此所得材料的氧化还原电催化性能较高。

3.4 土壤修复和生态修复

稀土矿被开采后致使大量的外源稀土进入土壤，绝大部分滞留在土壤表层[33]，高浓度的稀土元素的累积会抑制植株根系伸长率，降低农作物发芽率，并与细胞膜蛋白结合，抑制细胞内酶的活性，从而影响植被的生长。近年来，关于稀土矿山土壤污染治理的方法可以借鉴重金属元素污染的治理方法，主要有物理法、化学法和生物法三种方法。物理法主要有土壤淋洗法、工程措施法、电热修复法等，化学法就是向土壤种投入改良剂，通过对重金属的吸附、氧化还原等作用降低其生物有效性[34]。生物修复法包括微生物修复法、植物修复法和植物-微生物联合修复法。物理、化学修复法虽然简单快捷见效很快，但是存在花费较大、治理效果一般等问题。其中，物理法存在污染还会扩散的风险性，化学法也有可能会破坏土壤结构，导致土壤生物活性和肥力下降等问题。因此，均难以应用于改良较大面积土壤的污染。而生物修复法具有花费成本低、应用较简便、不易产生二次污染等优点，在土壤的修复中具备良好的市场前景和开发利用。

其中，生物法中的植物修复法被人们广泛利用于稀土矿山土壤污染治理，该方法成本低，操作简单、高效、环境友好且适合大规模推广。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转移到植物其它部位或围堵，从而达到减少污染的目的。研究表明，一些灌木及草本植物（如香根草、木豆、山毛豆等）具有较好的抗渗透胁迫性和耐酸性[35]。有研究者证明丛枝菌根真菌具有修复稀土-重金属复合污染王壤的潜力，其可促进玉米等植株的生长和矿质营养元素的吸收，可增强玉米等植株对稀土和重金属的抗性[36]。魏光普等[37]在包头轻稀土矿区中发现海绵植物（指对污染物吸收系数高于1的植物）能够主动吸收土壤环境中的稀土元素，可用于修复土壤污染。研究表明，植物修复法具有应用于稀土废弃矿区生态修复的潜力，是目前备受欢迎的清洁环保、绿色原位修复技术之一。

4 结论与展望

轻稀土矿环境的保护与治理是一项涉面较广、任务艰巨、难度较大的工作，当前工作的重中之重是矿山环境恢复工作與矿山地质灾害的防治。绿水青山就是金山银山，环保比稀土的产量更为重要。因此，综述轻稀土环境问题与相关治理问题对其更高程度更大范围的应用意义重大。根据目前的现状，结合当前生态文明建设的相关要求，对未来工作提出以下建议：

（1）继续深入各种稀土矿环境可适用的环境影响评价方法，推广和开发其在工业实践中的应用。研究轻稀土矿床的结构特征，设计严谨的绿植和环保方案，防治水土流失、坍塌等地质灾害。

（2）开发研究轻稀土矿中伴生其他有用矿物（如重晶石、萤石等），寻找和研究轻稀土采矿中的新药剂与新流程，为今后提高尾矿复合资源利用率提供技术支撑。

（3）推广“连续浮选—磁选”、“超重力场辅助浮选”等新型绿色矿选工艺广泛应用于轻稀土矿的开采中，研究和合成萃取性能更好、轻毒甚至无毒的新型萃取剂，实现稀土矿绿色高效利用和清洁绿色工艺的可能性。

（4）研究新型植物修复技术，探索新的化学和生物结合方式对轻稀土尾矿土壤修复的方法，更有效的治理土壤污染问题。

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