磷尾矿库环境现状及综合治理对策

2020-03-07韩京辰苏培东

广州化工 2020年23期

韩京辰，苏培东

(西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500)

尾矿库是矿山企业正常运行的必要组成部分，占据矿山总投资的5%～10%，尾矿库的安全与稳定对矿山企业的生态安全和正常生产具有直接的影响[1-2]。据统计，世界上各类尾矿库总数超过2万座[3]。尾矿库发生安全事故后影响十分严重，不仅阻碍矿山企业的正常运行，而且会威胁到下游地区人民的财产安全，同时造成生态环境的破坏[4]。加大对尾矿库的关注和治理力度至关重要。磷是农作物生长的必要元素，也是重要的化工原料，工业用磷主要从磷矿中提取。我国磷矿资源总量较为丰富，但中低品位磷矿占据总资源的80%以上，中低品位的磷矿含杂质较多，在开采过程中会产生大量的废渣，过量废渣需要堆存在尾矿库中[5-7]。同时，磷化工企业中采用硫酸法处理磷精矿后会产生大量的磷石膏，不能完全处理消耗的磷石膏也需要堆存于尾矿库中。因此，磷尾矿库主要可分为两大类，一是用于堆存矿山开采过程中选矿工艺产生的尾矿及废渣[8]；二是用于堆存冶炼工艺硫酸法处理磷精矿后产生的磷石膏[9]。

1 磷尾矿库的环境现状

早期我国尾矿库总量呈逐年增长的趋势，截止2010年底登记在册的尾矿库区总数为12718座，占用了大量的土地资源，同时对环境有很大的影响[3]。随着国家生态文明建设政策的推进，管理部门已经制定了一些相应的管理措施，数据显示2018年全国尾矿库数量比2012年减少了40%。2020年2月21日，应急管理部等八部委印发《防范化解尾矿库安全风险工作方案》，自2020年起全国尾矿库数量原则上只减不增。磷矿是我国重要的非金属矿产资源，尾矿库也存在相应的环境问题，主要体现在地质环境、水环境、土壤环境、生态环境等方面的影响。

1.1 地质环境的影响

尾矿库工程常分布于矿区山谷、洼地。且多利用自然沟谷地形，筑坝成库，三面环坡，上游汇水面积较大,直接面对暴雨、山洪冲击[10]。从地质条件分析，尾矿库是一个具有高势能人造泥石流的来源[11]，因渗流破坏、坝体失稳、排洪设施损坏等因素的影响，尾矿库存在溃坝的安全风险，溃坝后易导致泥石流造成严重的安全事故[12]。据统计，2001-2009年期间我们共计发生了66起溃坝安全事故，总死亡人数达356人。最为严重的事故是2008年山西襄汾县某矿业公司尾矿库溃坝，导致277人死亡，4人失踪，33人受伤，经济损失巨大，后果极其严重[13]。尾矿库事故总体上可以分为岩土体破坏和排洪设施破坏两个方面。排尾矿库排洪设施的损坏后易导致尾矿库事故的发生。岩土体破坏主要是坝体本身存在渗水、漏矿等问题，长期积累后导致问题严重，也可能由于地震造成坝体的内部结构的损坏，从而导致尾矿库事故的发生。

1.2 矿区水环境污染

磷矿开采过程中形成的尾矿主要由钙镁碳酸盐矿物组成，尾矿库泄露后对水体的污染主要是选矿废水中的选矿药剂本身的污染，以及磷元素和共伴生的重金属或氟元素等有害物质富集后流入河流、地下水等，造成淡水资源的污染，影响人们的正常生活[14]。但是，在磷化工厂中磷石膏尾矿库带来的水污染问题更加严重。磷石膏是磷精矿经硫酸分解后产生的副产物。磷石膏具有酸性强，磷、氟、有机物等有害元素含量多等特点[9]。尾矿库长期存放后，酸性废水容易将废渣中的重金属浸出并富集，渗入地下后造成较为严重的地下水污染，废水流入河流后还会造成地表水的污染。

1.3 矿区土壤环境污染

磷尾矿库区土壤污染和一般的矿区污染既有共性也有个性。磷石膏尾矿库是硫酸分解后的副产物，长期受雨水冲洗会有酸性较强的污水迁移至附近的土地和农田中，破坏土壤中原有的生态平衡。同时，尾矿中还含有少量的重金属、放射性元素、氟化物等[6]，长期在酸性环境中堆存，易于发生迁移，造成附近较为严重的污染。以我国磷矿资源较富集的四川沱江流域磷矿矿区为例，2017年通过对其流域沿岸土壤土样进行调研工作，结果表明，受磷矿开采和尾矿堆积的影响，其岸边土壤平均总磷含量分别较四川省土壤背景值超出约2倍，平均总磷含量较中国土壤背景值超出1.56倍，总磷污染严重。矿区土壤污染后，土壤中酸碱平衡被破坏，重金属、放射性元素、氟化物等有害物质超过原有背景值，会直接影响动植物的生长发育，威胁到人们的食品安全，造成当地生态系统的损坏。

1.4 生态环境的破坏

磷尾矿库一般是围地形成或在谷口筑坝拦截而成，在堆存的过程中会带来一定的生态环境的破坏，主要表现在三方面：首先，尾矿库直接占用土地，导致原有的耕地、林地遭到破坏，荒地面积增加；其次，磷尾矿库对当地的生物环境造成了破坏，大面积的尾矿库破坏了地表植被等，原有生态系统被打破，改变了野生动物的生存环境；最后，磷尾矿库会不同程度的影响当地的水质、土壤、空气等，从而导致矿区居民的生活环境遭到破坏，严重影响了周边村庄的生态平衡。

2 磷尾矿库综合治理对策

磷尾矿库的治理是一个系统工程，需要管理、资金、技术等方面的配合与支持才能切实改善磷矿尾矿库的环境现状。本文结合应急管理部门布的《防范化解尾矿库安全风险工作方案》，从综合治理的角度，提出了以下几点治理措施。

2.1 加强监管，完善相关的法律法规

生态环境治理，首先得做到有法可依。法律是制定相关政策的依据，也是实践治理措施的保障[15]。20世纪80年代以来，我国陆续制定并颁布了一系列与环境保护相关的法律法规，其中与涉及磷矿污染防治的主要有《环境保护法》、《水污染防治法》、《大气污染防治法》、《环境影响评价法》、《矿山地质环境保护规定》、《矿山生态环境保护与恢复治理方案》、《全国矿山地质环境保护与治理规划(2009-2015)》、《污水综合排放标准》、《环境空气质量标准》、《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》等等，这些法律法规对磷矿的规范性开采起到了良好的约束作用，但同时也看到，即使有这些法律的颁布与实施，我国对磷矿尾矿库的生态环境治理效果仍然不够理想。其主要原因是针对尾矿库的法律法规欠缺，而目前正在实施的法律法规其针对性和可操作性不够强，目前有很多矿山开发者仍然在走“先污染，后治理”的老路。因此，针对磷矿尾矿库的生态环境问题，各级人民政府应加快推动立法，从法律上明确环境治理责任主体，从根本上确保矿山生态环境防治有法可依。同时，当地政府及管理部门应结合具体实际，在各项土地法规及环保法的基础上制定符合自身管理实际的法律法规，增强法律法规的针对性和可操作性。

2.2 加强尾矿环境影响评价

环境影响评价是指对建设项目和规划项目实施后可能造成的环境污染问题进行分析、预测和评估。纵观磷矿的生产及尾矿库堆存，其主要环境问题主要集中在水土污染及植被侵占和破坏。因此，其环境影响评价也主要集中在水污染影响评价、土壤污染影响评价、生态环境影响评价[16]。(1)水污染影响评价。磷尾矿在长期堆放过程中，受内外因素的影响，会析出如重金属、有机物、硫酸根等污染物，这些污染物经渗滤液进入周边水系污染地表水，对周边居民饮用水造成不利影响。因此，尾矿需进行严格的防渗处理及水污染影响评价，防止地下水污染，危害人体健康。(2)土壤污染影响评价。选冶过程中会使用大量药剂，尾矿在堆放过程中，会析出大量有机及无机污染物，污染物进入土壤，造成植物枯萎焉、作物减产，同时造成严重的食品安全问题。因此对磷尾矿周边土壤需进行严格的土壤污染评价，严防尾矿库周边土壤污染。(3)生态环境影响评价。磷尾矿在施工过程中，涉及到剥离表土、植被清理等，从而造成水土流失及生态环境破坏。因此，同样需对磷尾矿进行生态环境影响评价，从而保证当地生态系统的稳定性。

2.3 合理选择磷矿尾矿库库址

尾矿库是矿山生产必不可少的组成部分，其主要功能是用来堆积选矿产生的固体废弃物，也是矿山企业最大的污染防控工程项目，因此在堆积前的合理选址就显得尤为重要[17]。从生态环境保护的角度来看，磷矿尾矿库应选择在水源地、水产基地、居民区以及重点保护名胜古迹的下游，从而避免废渣、废石等固体废弃物中的污染物迁移而导致严重污染下游水体、土壤的情况，以保障居民健康安全；同时，磷矿尾矿库的选址还应尽量避免在农田及村庄附近，防止尾矿库的污染物对农作物造成污染，危害人体健康；还应尽可能少占或不占用农田，避免迁移村庄，如实在无法避免，应尽量少迁；此外，应充分考察预选址的地层结构，尽量避免在地质状况不良的位置选址，防止污染物透过基岩缝隙污染地下水。从选冶经济成本的角度来看，尾矿库应离磷矿选矿厂要近，这样可使尾矿的运输距离减少，造成的扬程少，并且也可降低对选厂的负面影响；同时，磷矿尾矿库库址不应选在有开采价值的矿床上部，避免造成资源浪费[18]。

2.4 尾矿资源化利用

尾矿是指在矿山的生产过程中，因受限于当时的经济技术条件而产生的固体“废弃物”，随着选冶技术的提高，又可能成为二次矿产资源。面对日益严峻的资源形式和环境问题，磷矿尾矿的资源化利用不仅解决了部分尾矿的“去留”问题，同时也产生了一定的经济效益，为解决磷矿尾矿库的环境问题提供了重要的研究途径[8]。

磷选矿尾矿中P2O5的质量分数一般在13%以下，处于较低水平，目前一般采用尾矿再选、制备肥料、制备建筑生产材料、制备微晶玻璃等方法对磷矿尾矿库进行资源化利用[19]。(1)尾矿再选。目前对磷矿尾矿再选回收技术的研究报道较多，其回收利用理论研究也较为完善。在美国，对磷尾矿中富集含量较高的白云石，可直接采用浮选的方法予以脱出，从而回收磷酸盐[20]。(2)制备肥料。将磷尾矿制成肥料是磷矿尾矿资源化的重要创新途径。据郑君花[21]报道，将磷尾矿与酱油渣、秸秆混合，并通过生物发酵制备的肥料能显著改善土壤理化性质，并且肥效持久。(3)制备建筑生产材料。我国利用磷尾矿生产建筑材料的研究较早，始于19实际80年代，是磷尾矿资源化利用的重要途径，其主要是利用磷尾矿制备水泥和建筑用砖[22-23]。(4)制备微晶玻璃。将磷尾矿制成微晶玻璃具有广阔的发展前景及应用前景。其生产具有工业附加值高、生产过程污染程度低等特点，是目前研究的热点领域之一[24]。

对磷石膏的资源化，目前主要集中在建筑行业、农业、化肥工业等[25]，资源化利用手段有以下几个方面：(1)制成水泥缓凝剂以及硫酸联产水泥。王英等[26]采用磷石膏与石灰混合后，在适当的温度下煅烧制成水泥缓凝剂，水凝的初凝时间提前，抗压强度有一定提高；王辛龙[27]利用硫磺分解磷石膏制备高浓度二氧化硫，建立了低温分解磷石膏制酸的示范装置，使磷石膏达到了99%的转化率(硫磺分解磷石膏制硫酸技术进展及推广应用)。(2)制成建筑材料以及工程基础材料。将磷石膏用作建筑基础材料，不仅可以减少环境污染，还可以降低建筑成本[25,28]。(3)制成土壤改良剂。以磷石膏为原材料制备土壤改良剂，不仅解决了其去留问题，还改善了土壤环境[29-30]。(4)制作化肥。磷石膏中含有大量植物生长所需的营养元素，如磷、钙、硫等，将磷石膏制成肥料可促进植物生长，增加作物产量[31]。

2.5 加强地质灾害灾情评估

地质灾害灾情评估是指通过调查评估区的地质状况，分析、预测、评价建设项目和规划项目对地质环境的影响及可能引发的地质灾害的危险性，并提出预防措施[32]。研究表明，磷矿尾矿库主要存在溢流井坍陷及溃坝的风险。康明雄对磷矿尾矿库溃坝的环境风险进行了分析，在发生特大暴雨，下坝坡抗滑安全系数不满足要求时，其尾矿库溃坝风险值高达1.8×10-2，属于不可接受的范围[7]。因此，必须对尾矿的地质灾害灾情进行评估，并采用削坡整形、覆土种草护坡、坝体加固改造等手段增加坝体的稳定性，同时设置排渗降水工程，降低坝体浸润线，增加坝体的安全性[33-34]。

2.6 构建基于物联网的磷尾矿监测系统

物联网是通过红外感应器、激光扫描器、射频识别以及全球定位系统等信息传感设备，把物品与互联网连接起来，从而实现物品的识别、跟踪、定位和监控的一种网络，目前物联网已成为我国的五大新型战略性产业之一。磷尾矿可基于物联网，同时结合GIS系统，构建尾矿实时安全监测、分析与预警系统，对尾矿进行综合设计及实时监测[35-37]。张浩在分析国内外尾矿安全监测现状的基础上，提出了基于物联网的尾矿自动监测系统，并成功应用到黄麦岭磷化工尾矿，有效地监控了其尾矿库的运行状态，对于尾矿的安全运行和矿山的安全生产具有十分重大的意义[11]。