离子型稀土矿区小流域级地表水氨氮治理工程效果分析及建议

潘 伟，陈国梁，李 青

(1.赣州稀土集团有限公司，江西 赣州 341000；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

稀土矿是我国特有的战略资源和优势矿种，广泛应用于国防工业、电子行业、环境保护、新能源行业等领域，是高新技术产业发展中必需的重要原料[1]。《中国制造2025》提出的新一代信息技术产业、机器人、航空航天设备等重点领域，均与稀土产业高度关联。尤其是南方的离子型稀土矿中蕴含的重稀土，常应用于高、精、尖武器的核心材料，是尖端技术产品的关键性资源。

目前，我国南方离子型稀土矿山开采主要采用原地浸矿开采工艺，使用硫酸铵和碳酸铵作为浸矿剂和沉淀剂[2]。历史上采矿时比较粗放，未按照矿山开采技术经济条件变化而实时调整，合理的矿床开采工业指标，导致过量注入浸矿液[3]。再加上原地浸矿工艺的特点和南方离子型稀土矿山水文地质条件，会使得注入矿山中的硫酸铵浸矿液无法全部回收，一部分硫酸铵浸矿液随着含水层向下运移，最终进入矿山附近的地表溪流，从而导致在开采过程中普遍存在离子型稀土矿区地表水质氨氮超标[4]。地表水污染问题导致赣南稀土矿山这几年无法正常开采。短期来看，环境污染问题得不到解决会对稀土行业的相关公司造成经济影响，长期来看，会对国家高精尖技术和产业的发展造成阻碍。因此解决好南方离子型稀土矿山地表水污染问题十分紧迫。

1 离子型稀土矿山小流域污染防治技术现状

目前国内针对离子型稀土矿山污染治理提出了一些技术理论和试验研究，如矿冶科技集团的祝怡斌和李青提出清污分流、人工防渗假底、三级监控收液、溪流水回收、监控应急、生态恢复、地下水长期监控等6项污染控制措施[5]；北京有色金属研究总院的肖燕飞、黄小卫等提出绿色浸取剂及浸出液绿色富集技术[6]；江西理工大学的邓振乡、秦磊等提出采取土壤淋洗技术去除氨氮，进行注液工程与收液工程的优化，无铵化浸矿以及矿山智能监控系统[7]；中南工业大学的汤洵忠提出在矿山各种地形、地貌条件下对原地浸析采场实施水封闭工艺，减少硫酸铵浸矿液的渗漏[8]等。

但是目前国内提出的防治技术主要是针对单个稀土采场而言，存在两个明显的局限性，首先针对稀土资源存在的“点多面广”的特点，在一个十几平方公里面积内往往存在数十个稀土采场和数个母液处理车间，如果仅从单个稀土采场的角度进行防治考虑，除非能够做到极好的防治效果，使得该采场的硫酸铵浸矿液全部被拦截，不渗入地下水含水层从而进入地表水中，否则仍然会有浸矿液进入地表水中导致周边地表水中的氨氮增加，而数十个矿山采场叠加效果往往会导致矿区范围小流域地表水体出现数倍的氨氮超标情况。

其次对于历史遗留矿山较多的区域，由于矿山已经进行开采，很多源头防治措施和采矿系统优化措施无法进行直接应用，并且赣南地形地貌条件及同一区域土壤环境因子分布差距较大[9]，再加上历史遗留矿山其往往是无序开采且开采密度较高，很难定位污染源，无法准确圈定污染羽范围，土壤污染范围[10]，导致很多针对单个矿山的污染控制措施无法准确控制污染外泄。

因此如何解决包含历史遗留矿山和停产稀土矿山的十几平方公里范围的小流域地表水氨氮污染问题，是解决地表水氨氮超标的问题关键。为了解决当前此类稀土矿山的重点、难点问题，赣州稀土集团有限公司2018年初开始在赣南某县近10 km2的小流域范围针对离子型稀土矿山小流域级地表水氨氮污染开展工程治理，并进行长期运行，这也是国内首例治理工程。本文主要通过治理工程介绍该项小流域级地表水治理技术、效果及关注要点。

2 稀土矿山小流域地表水氨氮污染治理工程简述

2.1 稀土矿区小流域地表水氨氮污染治理工程选址

治理工程所在小流域的面积近10 km2，其地形地貌为赣南典型的丘陵地貌，在山体周围随着地形地貌发育了数十条小溪，并最终在小流域下游出口汇流为一处，溪流水量约为2 000～6 000 m3/d。在该小流域范围内存在数十个稀土采场，其中有历史采场，也有停产采场，经过长期观测该小流域出口处的地表水氨氮浓度约为80～150 mg/L，超过15 mg/L标准5～10倍。该小流域在赣南地区具有很好的代表性。

针对该小流域地表水氨氮污染问题，赣州稀土集团有限公司在环评批复的基础上通过多方论证，最终决定在该小流域地表水出口处(矿区范围内)建设一个小流域级地表水氨氮水处理厂，将所有从该小流域上游来的地表水进行氨氮去除处理再外排。该污水处理厂的处理规模为6 000 m3/d，设计进水氨氮浓度在200 mg/L，出水氨氮浓度小于15 mg/L，达到《稀土工业污染物排放标准》(GB 26451—2011)中新建企业直接排放标准。

2.2 小流域级地表水氨氮治理工艺

小流域级地表水氨氮治理工艺为“pH调节+絮凝沉淀+AO2+二沉池+后处理”，如图1所示。

污水由取水坝拦截，经过提升泵提升至初沉池，添加液碱提高pH值，并投加PAC、PAM，去除大部分悬浮物。

然后污水进入生化系统(O/A/O)，利用活性污泥法处理污水中氨氮。

首先进入好氧池，进行硝化反应，通过好氧硝化菌的作用将废水中的氨氮氧化为亚硝酸盐或硝酸盐，反应方程式如下：

然后进入缺氧池中，利用反硝化菌(脱氮菌)将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气而从废水中逸出。其反应方程式为：

最后进入氧化池中，添加弹性填料，利用生物膜法处理前段剩余的氨氮及总氮。

经过多次的硝化、反硝化反应过程，污水中的氨氮及总氮浓度基本降低至出水水质要求。生化出水进入二沉池进行泥水分离，若二沉池出水达标则直接排放，出水不达标则进入后处理系统进一步处理。

处理水进入后处理系统，利用投加的MgCl2和Na2HPO4药剂，与废水中残留的氨氮反应生成难溶的磷酸铵镁沉淀达到去除氨氮和总氮的目的。反应公式如下：

污水在反应沉淀池停留一定时间并固液分离后，再通过投加药剂调节水质为中性后达标排放。系统中产生的污泥先经浓缩沉淀，再用板框压滤脱水后外运处置。

3 稀土矿山小流域地表水氨氮处理厂运行效果

为了说明该小流域污染治理工程的运行效果，这里取两个典型的月份的运行数据进行分析，一个为2018年8月份，该月份为丰水期；另一个为2018年12月，该月份为当地枯水期，下面分别对丰水期和枯水期时小流域污染治理工程运行效果进行分析。

3.1 夏季和冬季水量情况

2018年8月和12月的小流域污水处理厂日处理水量见图2。由图2可知，8月份污水处理厂处理水量为4 681～6 423 m3/d，平均水量约为5 561 m3/d；12月份污水处理厂处理水量为1 903～2 095 m3/d，平均水量约为2 009 m3/d，由此可知，丰水期和枯水期处理水量变化较大，丰水期由于是雨季其处理水量约为枯水期的2.76倍。

3.2 夏季和冬季进水氨氮浓度情况

2018年8月和12月的小流域污水处理厂进水氨氮浓度见图3。由图3可知，8月份污水处理厂进水氨氮浓度61.2～153.6 mg/L，平均浓度约为100.5 mg/L；12月份污水处理厂进水氨氮浓度121.2～169.6 mg/L，平均浓度约为169.4 mg/L，由此可知，丰水期和枯水期进水氨氮浓度变化较大，其中枯水期是丰水期氨氮浓度的1.69倍，主要原因为枯水期，自然降水大量减少，使得小流域中的溪流水量大大减小，最终导致小流域溪流中氨氮浓度增加。

3.3 夏季和冬季处理出水氨氮浓度情况

2018年8月和12月的小流域污水处理厂处理出水氨氮浓度见图4。由图4可知，8月份污水处理厂处理出水氨氮浓度5.5～9.6 mg/L，平均浓度约为7.3 mg/L；12月份污水处理厂出水氨氮浓度11.2～14.4 mg/L，平均浓度约为12.9 mg/L，由此可知，枯水期是丰水期氨氮浓度的1.76倍，主要原因有两个，首先是枯水期的进水氨氮浓度相对于丰水期高1.69倍，其次12月份为冬季，温度较低，虽然赣南地区不会导致水结冰，但是整体温度相较于夏季仍然大幅度降低，导致水处理厂中的微生物活动降低，氨氮生物处理效率也相应降低，由于后端有保障处理工艺，因此能够维持氨氮出水小于15 mg/L，能够有效降低稀土矿区对下游地表水水体的氨氮污染。

4 稀土矿山小流域地表水氨氮污染运行关注要点

通过这1年多的现场运行与数据分析，认为该类小流域级地表水氨氮处理水厂在运行时需要关注要点如下：

1)小流域地表水量变化较大

小流域地表水流量因天气、季节变化范围较大，在1 900～6 400 m3/d波动，其水量大小与该区域的天气降雨情况是密切相关的，大流量的情况往往跟随着连续降雨几天的时候出现。

这与普通污水处理厂进水水量在20%的范围内波动完全不同。处理水量的大范围变化，会不可避免的对处理系统造成冲击。虽然没有超过设计进水流量，但是在实际操作中，由于不同进水水量导致的加药量、频率、停留时间、曝气量等参数均不呈线性变化，需要随时进行参数调整和优化，直接增加水处理厂的运行成本和能量消耗。

2)小流域地表水水质变化较大

小流域地表水氨氮浓度变化范围为61.2～169.6 mg/L。夏季丰水期时，地表水中水量较大，其氨氮浓度总体偏低；冬季枯水期时，地表水中水量较小，其氨氮浓度总体偏高。

推测小流域地表水氨氮浓度与降雨存在一定关系，通过矿山渗入地表水体的氨氮量主要与地下水含水层中污染介质的迁移速度相关，而在地下水含水层该迁移速度基本是一个变化不大的定值，其受外界环境影响较小。在降雨量较大的丰水期，虽然降雨也会一定程度上加速地下水运移速度，但是降雨导致地表水中水量增加更快，事实上实现了对氨氮污染的自然稀释过程，表现出丰水期氨氮浓度较低，而在枯水期情况就恰恰相反，出现地表水氨氮浓度增加。

小流域地表水水质的大幅度变化，要求对污水处理工艺的操作准确、调节及时，造成了污水处理厂运行过程中，很难仅按照一种设置好的工艺参数进行长期稳定运行，增加了运行管理成本。

3)生物反应的碳源不足

氨氮处理工艺核心采用AO2的硝化—反硝化方法，需要消耗相应比例的碳源，为生物反应提供能量来源。而该小流域地表水水体中的碳氮比不高，无法单纯依靠自身的碳源完成氨氮去除效果。

在实际运营中，需要对生化工艺环节投入大量的外加碳源，以葡萄糖为主。大量碳源的添加也加重了水处理成本增加，再加上水量变化和水质变化幅度较大，因此很难控制好碳源的添加剂量，在实际操作中为了保证出水质量往往都是过量添加，也进一步增加了处理成本。

4)冬季运行难度

在冬季，该区域气温下降明显，基本在几度左右，降低了生物活性和反应速度。与普遍污水处理厂不同的地方在于，在温度降低的同时污水处理厂还需要面对水质中氨氮浓度增加的情况，因此需要做好停留时间、曝气量、药剂添加量等参数的调整准备。

5)运行成本较高

该稀土矿山小流域地表水氨氮处理厂为了实现小流域矿区出口的处理出水达标，每年运行成本约为1 200万元。从经济上来讲，其运行压力较大，考虑到该小流域矿区范围内稀土矿山正常生产情况下，其混合稀土氧化物生产利润约为3 000万元左右，该污水处理厂的运行成本占总利润的40%左右，比例较高。

5 结论及建议

总的来讲，在稀土矿区设置小流域级地表水氨氮污染水处理厂，能够实现矿区范围出口处氨氮小于15 mg/L，从而直接解决整个小流域中稀土矿山带来的水体污染问题，能够实现稀土矿山生产的环境保护。而且稀土矿山小流域级污染治理的思路，超越了单个稀土采场，从一个独立水文地质单位的流域来发现问题，解决了水体污染问题，起到“兜底”的作用，从而避免了在十几平方公里范围内，对单个稀土矿山的逐一管控、多点作战的情况，从一定程度上节省了人力物力。对于存在着较多历史遗留采场和稀土停产采场的区域来讲，是一种较为适宜的处理思路。

但是也应看到，在稀土矿山小流域级氨氮污水厂运行时也存在由于小流域地表水特征带来的运行管理难度增加，如水质的大幅变化、水量的大幅变化等。同时由于小流域级污水处理厂属于“兜底”污染治理工程，即上游来的污染均要实现达标排放，这带来了较大的运行压力和经济压力。

建议：

1)针对此类存在历史遗留矿山和停产稀土矿山的区域，仍然需要采用可行的方法进行源头控制、源头削减，减低下游治理的压力。

2)在可行的条件下，将周边范围的老百姓的生活污水集中并引入污水处理生化系统，通过技术优化实现协同处理，在依靠生活污水提供部分碳源的同时，也解决周边的生活污水问题，降低运行成本。

3)有条件的停产稀土矿山和新建稀土矿山应该从建设时进行污染防治，从源头上减少污染，降低后端污染治理的压力。

4)探索多种小流域级污染治理技术，如小流域级生态湿地治理技术，优化处理效果，降低建设成本和运行成本。