離子型稀土礦區(qū)小流域級地表水氨氮治理工程效果分析及建議

潘 偉，陳國梁，李 青

(1.贛州稀土集團(tuán)有限公司，江西 贛州 341000；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

稀土礦是我國特有的戰(zhàn)略資源和優(yōu)勢礦種，廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)、電子行業(yè)、環(huán)境保護(hù)、新能源行業(yè)等領(lǐng)域，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中必需的重要原料[1]?！吨袊圃?025》提出的新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、機(jī)器人、航空航天設(shè)備等重點(diǎn)領(lǐng)域，均與稀土產(chǎn)業(yè)高度關(guān)聯(lián)。尤其是南方的離子型稀土礦中蘊(yùn)含的重稀土，常應(yīng)用于高、精、尖武器的核心材料，是尖端技術(shù)產(chǎn)品的關(guān)鍵性資源。

目前，我國南方離子型稀土礦山開采主要采用原地浸礦開采工藝，使用硫酸銨和碳酸銨作為浸礦劑和沉淀劑[2]。歷史上采礦時(shí)比較粗放，未按照礦山開采技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件變化而實(shí)時(shí)調(diào)整，合理的礦床開采工業(yè)指標(biāo)，導(dǎo)致過量注入浸礦液[3]。再加上原地浸礦工藝的特點(diǎn)和南方離子型稀土礦山水文地質(zhì)條件，會使得注入礦山中的硫酸銨浸礦液無法全部回收，一部分硫酸銨浸礦液隨著含水層向下運(yùn)移，最終進(jìn)入礦山附近的地表溪流，從而導(dǎo)致在開采過程中普遍存在離子型稀土礦區(qū)地表水質(zhì)氨氮超標(biāo)[4]。地表水污染問題導(dǎo)致贛南稀土礦山這幾年無法正常開采。短期來看，環(huán)境污染問題得不到解決會對稀土行業(yè)的相關(guān)公司造成經(jīng)濟(jì)影響，長期來看，會對國家高精尖技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成阻礙。因此解決好南方離子型稀土礦山地表水污染問題十分緊迫。

1 離子型稀土礦山小流域污染防治技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)針對離子型稀土礦山污染治理提出了一些技術(shù)理論和試驗(yàn)研究，如礦冶科技集團(tuán)的祝怡斌和李青提出清污分流、人工防滲假底、三級監(jiān)控收液、溪流水回收、監(jiān)控應(yīng)急、生態(tài)恢復(fù)、地下水長期監(jiān)控等6項(xiàng)污染控制措施[5]；北京有色金屬研究總院的肖燕飛、黃小衛(wèi)等提出綠色浸取劑及浸出液綠色富集技術(shù)[6]；江西理工大學(xué)的鄧振鄉(xiāng)、秦磊等提出采取土壤淋洗技術(shù)去除氨氮，進(jìn)行注液工程與收液工程的優(yōu)化，無銨化浸礦以及礦山智能監(jiān)控系統(tǒng)[7]；中南工業(yè)大學(xué)的湯洵忠提出在礦山各種地形、地貌條件下對原地浸析采場實(shí)施水封閉工藝，減少硫酸銨浸礦液的滲漏[8]等。

但是目前國內(nèi)提出的防治技術(shù)主要是針對單個稀土采場而言，存在兩個明顯的局限性，首先針對稀土資源存在的“點(diǎn)多面廣”的特點(diǎn)，在一個十幾平方公里面積內(nèi)往往存在數(shù)十個稀土采場和數(shù)個母液處理車間，如果僅從單個稀土采場的角度進(jìn)行防治考慮，除非能夠做到極好的防治效果，使得該采場的硫酸銨浸礦液全部被攔截，不滲入地下水含水層從而進(jìn)入地表水中，否則仍然會有浸礦液進(jìn)入地表水中導(dǎo)致周邊地表水中的氨氮增加，而數(shù)十個礦山采場疊加效果往往會導(dǎo)致礦區(qū)范圍小流域地表水體出現(xiàn)數(shù)倍的氨氮超標(biāo)情況。

其次對于歷史遺留礦山較多的區(qū)域，由于礦山已經(jīng)進(jìn)行開采，很多源頭防治措施和采礦系統(tǒng)優(yōu)化措施無法進(jìn)行直接應(yīng)用，并且贛南地形地貌條件及同一區(qū)域土壤環(huán)境因子分布差距較大[9]，再加上歷史遺留礦山其往往是無序開采且開采密度較高，很難定位污染源，無法準(zhǔn)確圈定污染羽范圍，土壤污染范圍[10]，導(dǎo)致很多針對單個礦山的污染控制措施無法準(zhǔn)確控制污染外泄。

因此如何解決包含歷史遺留礦山和停產(chǎn)稀土礦山的十幾平方公里范圍的小流域地表水氨氮污染問題，是解決地表水氨氮超標(biāo)的問題關(guān)鍵。為了解決當(dāng)前此類稀土礦山的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，贛州稀土集團(tuán)有限公司2018年初開始在贛南某縣近10 km2的小流域范圍針對離子型稀土礦山小流域級地表水氨氮污染開展工程治理，并進(jìn)行長期運(yùn)行，這也是國內(nèi)首例治理工程。本文主要通過治理工程介紹該項(xiàng)小流域級地表水治理技術(shù)、效果及關(guān)注要點(diǎn)。

2 稀土礦山小流域地表水氨氮污染治理工程簡述

2.1 稀土礦區(qū)小流域地表水氨氮污染治理工程選址

治理工程所在小流域的面積近10 km2，其地形地貌為贛南典型的丘陵地貌，在山體周圍隨著地形地貌發(fā)育了數(shù)十條小溪，并最終在小流域下游出口匯流為一處，溪流水量約為2 000～6 000 m3/d。在該小流域范圍內(nèi)存在數(shù)十個稀土采場，其中有歷史采場，也有停產(chǎn)采場，經(jīng)過長期觀測該小流域出口處的地表水氨氮濃度約為80～150 mg/L，超過15 mg/L標(biāo)準(zhǔn)5～10倍。該小流域在贛南地區(qū)具有很好的代表性。

針對該小流域地表水氨氮污染問題，贛州稀土集團(tuán)有限公司在環(huán)評批復(fù)的基礎(chǔ)上通過多方論證，最終決定在該小流域地表水出口處(礦區(qū)范圍內(nèi))建設(shè)一個小流域級地表水氨氮水處理廠，將所有從該小流域上游來的地表水進(jìn)行氨氮去除處理再外排。該污水處理廠的處理規(guī)模為6 000 m3/d，設(shè)計(jì)進(jìn)水氨氮濃度在200 mg/L，出水氨氮濃度小于15 mg/L，達(dá)到《稀土工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 26451—2011)中新建企業(yè)直接排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 小流域級地表水氨氮治理工藝

小流域級地表水氨氮治理工藝為“pH調(diào)節(jié)+絮凝沉淀+AO2+二沉池+后處理”，如圖1所示。

污水由取水壩攔截，經(jīng)過提升泵提升至初沉池，添加液堿提高pH值，并投加PAC、PAM，去除大部分懸浮物。

然后污水進(jìn)入生化系統(tǒng)(O/A/O)，利用活性污泥法處理污水中氨氮。

首先進(jìn)入好氧池，進(jìn)行硝化反應(yīng)，通過好氧硝化菌的作用將廢水中的氨氮氧化為亞硝酸鹽或硝酸鹽，反應(yīng)方程式如下：

然后進(jìn)入缺氧池中，利用反硝化菌(脫氮菌)將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為氮?dú)舛鴱膹U水中逸出。其反應(yīng)方程式為：

最后進(jìn)入氧化池中，添加彈性填料，利用生物膜法處理前段剩余的氨氮及總氮。

經(jīng)過多次的硝化、反硝化反應(yīng)過程，污水中的氨氮及總氮濃度基本降低至出水水質(zhì)要求。生化出水進(jìn)入二沉池進(jìn)行泥水分離，若二沉池出水達(dá)標(biāo)則直接排放，出水不達(dá)標(biāo)則進(jìn)入后處理系統(tǒng)進(jìn)一步處理。

處理水進(jìn)入后處理系統(tǒng)，利用投加的MgCl2和Na2HPO4藥劑，與廢水中殘留的氨氮反應(yīng)生成難溶的磷酸銨鎂沉淀達(dá)到去除氨氮和總氮的目的。反應(yīng)公式如下：

污水在反應(yīng)沉淀池停留一定時(shí)間并固液分離后，再通過投加藥劑調(diào)節(jié)水質(zhì)為中性后達(dá)標(biāo)排放。系統(tǒng)中產(chǎn)生的污泥先經(jīng)濃縮沉淀，再用板框壓濾脫水后外運(yùn)處置。

3 稀土礦山小流域地表水氨氮處理廠運(yùn)行效果

為了說明該小流域污染治理工程的運(yùn)行效果，這里取兩個典型的月份的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，一個為2018年8月份，該月份為豐水期；另一個為2018年12月，該月份為當(dāng)?shù)乜菟?，下面分別對豐水期和枯水期時(shí)小流域污染治理工程運(yùn)行效果進(jìn)行分析。

3.1 夏季和冬季水量情況

2018年8月和12月的小流域污水處理廠日處理水量見圖2。由圖2可知，8月份污水處理廠處理水量為4 681～6 423 m3/d，平均水量約為5 561 m3/d；12月份污水處理廠處理水量為1 903～2 095 m3/d，平均水量約為2 009 m3/d，由此可知，豐水期和枯水期處理水量變化較大，豐水期由于是雨季其處理水量約為枯水期的2.76倍。

3.2 夏季和冬季進(jìn)水氨氮濃度情況

2018年8月和12月的小流域污水處理廠進(jìn)水氨氮濃度見圖3。由圖3可知，8月份污水處理廠進(jìn)水氨氮濃度61.2～153.6 mg/L，平均濃度約為100.5 mg/L；12月份污水處理廠進(jìn)水氨氮濃度121.2～169.6 mg/L，平均濃度約為169.4 mg/L，由此可知，豐水期和枯水期進(jìn)水氨氮濃度變化較大，其中枯水期是豐水期氨氮濃度的1.69倍，主要原因?yàn)榭菟?，自然降水大量減少，使得小流域中的溪流水量大大減小，最終導(dǎo)致小流域溪流中氨氮濃度增加。

3.3 夏季和冬季處理出水氨氮濃度情況

2018年8月和12月的小流域污水處理廠處理出水氨氮濃度見圖4。由圖4可知，8月份污水處理廠處理出水氨氮濃度5.5～9.6 mg/L，平均濃度約為7.3 mg/L；12月份污水處理廠出水氨氮濃度11.2～14.4 mg/L，平均濃度約為12.9 mg/L，由此可知，枯水期是豐水期氨氮濃度的1.76倍，主要原因有兩個，首先是枯水期的進(jìn)水氨氮濃度相對于豐水期高1.69倍，其次12月份為冬季，溫度較低，雖然贛南地區(qū)不會導(dǎo)致水結(jié)冰，但是整體溫度相較于夏季仍然大幅度降低，導(dǎo)致水處理廠中的微生物活動降低，氨氮生物處理效率也相應(yīng)降低，由于后端有保障處理工藝，因此能夠維持氨氮出水小于15 mg/L，能夠有效降低稀土礦區(qū)對下游地表水水體的氨氮污染。

4 稀土礦山小流域地表水氨氮污染運(yùn)行關(guān)注要點(diǎn)

通過這1年多的現(xiàn)場運(yùn)行與數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為該類小流域級地表水氨氮處理水廠在運(yùn)行時(shí)需要關(guān)注要點(diǎn)如下：

1)小流域地表水量變化較大

小流域地表水流量因天氣、季節(jié)變化范圍較大，在1 900～6 400 m3/d波動，其水量大小與該區(qū)域的天氣降雨情況是密切相關(guān)的，大流量的情況往往跟隨著連續(xù)降雨幾天的時(shí)候出現(xiàn)。

這與普通污水處理廠進(jìn)水水量在20%的范圍內(nèi)波動完全不同。處理水量的大范圍變化，會不可避免的對處理系統(tǒng)造成沖擊。雖然沒有超過設(shè)計(jì)進(jìn)水流量，但是在實(shí)際操作中，由于不同進(jìn)水水量導(dǎo)致的加藥量、頻率、停留時(shí)間、曝氣量等參數(shù)均不呈線性變化，需要隨時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，直接增加水處理廠的運(yùn)行成本和能量消耗。

2)小流域地表水水質(zhì)變化較大

小流域地表水氨氮濃度變化范圍為61.2～169.6 mg/L。夏季豐水期時(shí)，地表水中水量較大，其氨氮濃度總體偏低；冬季枯水期時(shí)，地表水中水量較小，其氨氮濃度總體偏高。

推測小流域地表水氨氮濃度與降雨存在一定關(guān)系，通過礦山滲入地表水體的氨氮量主要與地下水含水層中污染介質(zhì)的遷移速度相關(guān)，而在地下水含水層該遷移速度基本是一個變化不大的定值，其受外界環(huán)境影響較小。在降雨量較大的豐水期，雖然降雨也會一定程度上加速地下水運(yùn)移速度，但是降雨導(dǎo)致地表水中水量增加更快，事實(shí)上實(shí)現(xiàn)了對氨氮污染的自然稀釋過程，表現(xiàn)出豐水期氨氮濃度較低，而在枯水期情況就恰恰相反，出現(xiàn)地表水氨氮濃度增加。

小流域地表水水質(zhì)的大幅度變化，要求對污水處理工藝的操作準(zhǔn)確、調(diào)節(jié)及時(shí)，造成了污水處理廠運(yùn)行過程中，很難僅按照一種設(shè)置好的工藝參數(shù)進(jìn)行長期穩(wěn)定運(yùn)行，增加了運(yùn)行管理成本。

3)生物反應(yīng)的碳源不足

氨氮處理工藝核心采用AO2的硝化—反硝化方法，需要消耗相應(yīng)比例的碳源，為生物反應(yīng)提供能量來源。而該小流域地表水水體中的碳氮比不高，無法單純依靠自身的碳源完成氨氮去除效果。

在實(shí)際運(yùn)營中，需要對生化工藝環(huán)節(jié)投入大量的外加碳源，以葡萄糖為主。大量碳源的添加也加重了水處理成本增加，再加上水量變化和水質(zhì)變化幅度較大，因此很難控制好碳源的添加劑量，在實(shí)際操作中為了保證出水質(zhì)量往往都是過量添加，也進(jìn)一步增加了處理成本。

4)冬季運(yùn)行難度

在冬季，該區(qū)域氣溫下降明顯，基本在幾度左右，降低了生物活性和反應(yīng)速度。與普遍污水處理廠不同的地方在于，在溫度降低的同時(shí)污水處理廠還需要面對水質(zhì)中氨氮濃度增加的情況，因此需要做好停留時(shí)間、曝氣量、藥劑添加量等參數(shù)的調(diào)整準(zhǔn)備。

5)運(yùn)行成本較高

該稀土礦山小流域地表水氨氮處理廠為了實(shí)現(xiàn)小流域礦區(qū)出口的處理出水達(dá)標(biāo)，每年運(yùn)行成本約為1 200萬元。從經(jīng)濟(jì)上來講，其運(yùn)行壓力較大，考慮到該小流域礦區(qū)范圍內(nèi)稀土礦山正常生產(chǎn)情況下，其混合稀土氧化物生產(chǎn)利潤約為3 000萬元左右，該污水處理廠的運(yùn)行成本占總利潤的40%左右，比例較高。

5 結(jié)論及建議

總的來講，在稀土礦區(qū)設(shè)置小流域級地表水氨氮污染水處理廠，能夠?qū)崿F(xiàn)礦區(qū)范圍出口處氨氮小于15 mg/L，從而直接解決整個小流域中稀土礦山帶來的水體污染問題，能夠?qū)崿F(xiàn)稀土礦山生產(chǎn)的環(huán)境保護(hù)。而且稀土礦山小流域級污染治理的思路，超越了單個稀土采場，從一個獨(dú)立水文地質(zhì)單位的流域來發(fā)現(xiàn)問題，解決了水體污染問題，起到“兜底”的作用，從而避免了在十幾平方公里范圍內(nèi)，對單個稀土礦山的逐一管控、多點(diǎn)作戰(zhàn)的情況，從一定程度上節(jié)省了人力物力。對于存在著較多歷史遺留采場和稀土停產(chǎn)采場的區(qū)域來講，是一種較為適宜的處理思路。

但是也應(yīng)看到，在稀土礦山小流域級氨氮污水廠運(yùn)行時(shí)也存在由于小流域地表水特征帶來的運(yùn)行管理難度增加，如水質(zhì)的大幅變化、水量的大幅變化等。同時(shí)由于小流域級污水處理廠屬于“兜底”污染治理工程，即上游來的污染均要實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，這帶來了較大的運(yùn)行壓力和經(jīng)濟(jì)壓力。

建議：

1)針對此類存在歷史遺留礦山和停產(chǎn)稀土礦山的區(qū)域，仍然需要采用可行的方法進(jìn)行源頭控制、源頭削減，減低下游治理的壓力。

2)在可行的條件下，將周邊范圍的老百姓的生活污水集中并引入污水處理生化系統(tǒng)，通過技術(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)協(xié)同處理，在依靠生活污水提供部分碳源的同時(shí)，也解決周邊的生活污水問題，降低運(yùn)行成本。

3)有條件的停產(chǎn)稀土礦山和新建稀土礦山應(yīng)該從建設(shè)時(shí)進(jìn)行污染防治，從源頭上減少污染，降低后端污染治理的壓力。

4)探索多種小流域級污染治理技術(shù)，如小流域級生態(tài)濕地治理技術(shù)，優(yōu)化處理效果，降低建設(shè)成本和運(yùn)行成本。