吳錦標(biāo)+刁增輝

摘 要：本文介紹了礦山尾礦的現(xiàn)狀及危害，重點分析了礦山尾礦處理技術(shù)，總結(jié)了國內(nèi)外礦山尾礦在綜合利用方面取得的成就及存在的差距。最后展望了我國礦山尾礦處理技術(shù)及資源化利用的前景，提出必須以資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展為前提，樹立科學(xué)的發(fā)展觀念，大力推行礦山循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)；依靠科技進(jìn)步，提高資源和環(huán)境效率，實現(xiàn)尾礦綜合利用和減排，最終實現(xiàn)資源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的健康可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：礦山開采、尾礦處理、資源化、酸性礦山廢水、減排

礦產(chǎn)資源被認(rèn)為是我們?nèi)祟愘囈陨婧桶l(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，既促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會的進(jìn)步，同時也帶來了因礦產(chǎn)資源大量被開發(fā)而產(chǎn)生的諸多社會問題，比如緊張的礦產(chǎn)資源供需矛盾、嚴(yán)重的礦山尾礦污染問題等[1]。在我國，礦產(chǎn)的品位普遍較低，絕大多數(shù)為貧礦或伴生礦，由于技術(shù)、設(shè)備等因素的原因?qū)е铝说V產(chǎn)資源的整體利用率偏低，很多礦產(chǎn)資源沒有得到充分的利用而被棄于尾礦中。據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計，全世界每年產(chǎn)生出來的尾礦大約在100億t以上，而我國現(xiàn)有礦山堆存的尾礦量就高達(dá)50億t，并以每年約5億t的排放速度增加，預(yù)計到2020年將會達(dá)到80億t以上[2]。如此數(shù)量巨大的尾礦不僅要占用大量寶貴的土地資源，還會引起嚴(yán)重的酸性礦山廢水（AMD）環(huán)境污染，給人類的生存和發(fā)展帶來巨大的威脅[3]。然而，隨著日益緊張的礦產(chǎn)資源供需矛盾形勢及礦山開采、選礦技術(shù)水平的提高，礦山尾礦因含有大量可回收的有價元素越來越受到人們的關(guān)注，已被看作為一種寶貴的再開發(fā)利用資源[4]。目前，我國礦山尾礦處理及綜合利用程度較低，還處于發(fā)展的初級階段，尾礦所引發(fā)的災(zāi)害和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重。因此，開展礦山尾礦治理與綜合利用已成為我國政府相關(guān)部門亟待解決的重大課題[5]。

1. 我國礦山尾礦現(xiàn)狀及危害

1.1 我國礦山尾礦現(xiàn)狀特點

在我國，絕大多數(shù)的金屬礦山都是屬于共、伴生類型的，品位普遍較低、選礦設(shè)備、技術(shù)的相對落后，造成了大量礦山資源的浪費。據(jù)統(tǒng)計，與國外高達(dá)75%的采選回收率相比，我國的采選回收率只有一半左右[6]，現(xiàn)堆存的礦山尾礦平均利用率也僅為8.2%[7-8]。一般而言，礦山尾礦的主要成分為顆粒極細(xì)的礦石、脈石及圍巖等礦物[9]，這些尾礦卻包含有多達(dá)40種金屬元素，具有巨大的二次利用前景。然而，我國現(xiàn)存的礦山尾礦又以金屬硫化物為主，這些金屬硫化物在自然環(huán)境里容易被氧化形成對環(huán)境有嚴(yán)重危害的酸性礦山廢水[9-10]，給生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來嚴(yán)重的威脅。

1. 2 我國礦山尾礦的危害性

隨著我國采礦工業(yè)快速發(fā)展，礦山資源的大量開采所引起的尾礦在工業(yè)固體廢棄物中的比例越來越高，據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)有堆積尾礦占全部工業(yè)固體廢棄物堆存總量的30%左右，礦山尾礦的大量排放，占用廣闊的土地資源，造成大量珍貴土地資源的損失，更嚴(yán)重的是，尾礦所引起的環(huán)境污染嚴(yán)重危害人類正常生活和生存環(huán)境[11-12]，其主要表現(xiàn)在：

（1）形成環(huán)境污染源

未能有效處理的礦山尾礦被暫時存放在自然環(huán)境，這些尾礦會發(fā)生氧化作用從而產(chǎn)生大量的酸性礦山廢水，形成礦山尾礦帶給自然環(huán)境最嚴(yán)重的污染源，此種酸性廢水不但酸度低，還含有很多高毒性的重金屬離子[13]。這些有毒有害的重金屬離子在環(huán)境中都能很穩(wěn)定的存在，生物體往往很難把它們?nèi)拷到舛?，反而非常容易富集到土壤和農(nóng)作物里面，并通過食物鏈的傳遞進(jìn)入人體，最終危害人類的健康安全[14-15]。此外，因選礦而存在于尾礦中的有毒的殘留藥劑如氰化物、重鉻酸鉀等試劑也對人體直接產(chǎn)生直接危害[1]，酸性礦山廢水通過地表徑流的方式污染寶貴的耕地土壤，直接破壞農(nóng)作物生長環(huán)境，致使農(nóng)作物受到污染、甚至減產(chǎn)；還會使地面水體或地下水源受到污染，毒害環(huán)境水體的水生生物。

（2）誘發(fā)自然災(zāi)害

隨著礦山資源的大規(guī)模開發(fā)，尾礦的土地存放面積也隨著變大，從而使尾礦庫的壩體高度也隨之增加，存在的安全隱患日益增大，如此巨大數(shù)量的尾礦，一旦發(fā)生尾礦庫潰壩事故，極其容易誘發(fā)山體滑坡、泥石流等重大自然災(zāi)害[16]。據(jù)統(tǒng)計，我國大約有三分之一的尾礦庫存在嚴(yán)重的安全隱患，并且，我國大部分尾礦庫都呈現(xiàn)超期服務(wù)、超庫容使用的現(xiàn)象，因此，每年都有尾礦庫潰壩的事故發(fā)生，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失[17]。據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計，自從上世紀(jì)50年代以來，我國已發(fā)生過很多次重大的的尾礦庫潰壩事故[18-19]。如云南錫業(yè)公司尾礦庫潰壩事故，導(dǎo)致200多人傷亡和數(shù)千公頃農(nóng)田被淹沒[19-20]。在國外也不例外，羅馬尼亞的尾礦壩發(fā)生泄露事故，導(dǎo)致10萬多升含有氰化物、銅、鉛等有害廢水流入多瑙河支流蒂薩河，給河流周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了非常惡劣的影響[21]。

（3）破壞土地植被

大規(guī)模開發(fā)礦產(chǎn)資源，引起了大面積的礦山地表植被受到破壞，產(chǎn)生的尾礦數(shù)量也越來越大。除了極少部分尾礦能通過一定的技術(shù)轉(zhuǎn)化得到綜合利用外，具有相當(dāng)大規(guī)模的尾礦都只有堆存在自然環(huán)境里，它所占用土地面積數(shù)量相當(dāng)巨大，致使越來越多的耕地土地被占用。眾所周知，我國是個人口眾多、人均耕地面積非常少的農(nóng)業(yè)大國，本來可用的耕地土地面積就非常有限，再加上大量的尾礦占用的巨大數(shù)量的寶貴耕地，就更加劇了我國土地資源緊張的局面，因此，尾礦破壞植被和侵占土地的規(guī)模給我國的生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的負(fù)擔(dān)壓力。

（4）浪費礦產(chǎn)資源

在我國，礦山資源的品位普遍比較低，對共生、伴生礦進(jìn)行綜合開發(fā)的利用率僅為20%左右[22]，據(jù)統(tǒng)計，每年因礦產(chǎn)資源開發(fā)而浪費的損失總值就高達(dá)數(shù)千億元。尤其是一些開采較早的礦產(chǎn)資源，基于當(dāng)時生產(chǎn)技術(shù)及選礦工藝的落后，只能把容易開采的或高品位的部分礦物提取出來，而一些低品位的礦產(chǎn)資源卻損失到尾礦中，從而使大量有價金屬、稀有元素及非金屬礦物流失，造成我國礦山資源的嚴(yán)重浪費。

二、礦山尾礦處理技術(shù)endprint

面對礦山尾礦給生態(tài)環(huán)境及工業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展所帶來的巨大壓力，尋找適合的礦山尾礦處理已經(jīng)成為國內(nèi)外政府部門及學(xué)者們迫切需要解決的重大議題[23-24]，目前，礦山尾礦主要有化學(xué)中和法、物理隔離法、表面固化及植被修復(fù)法等處理方法。

（1）化學(xué)中和法

化學(xué)中和法是利用添加堿性物質(zhì)（如石灰、碳酸鹽巖等）與礦山尾礦混合堆放發(fā)生中和反應(yīng)，從而實現(xiàn)控制酸性礦山廢水的產(chǎn)生[22]，其中，將石灰等堿性物質(zhì)與礦山尾礦混合中和，以提高礦山尾礦的環(huán)境pH值，而pH的升高可以有效地降低起氧化作用的微生物活性，從而抑制其氧化。另外，添加堿性物質(zhì)還能與礦物金屬離子形成金屬沉淀物沉積在礦山尾礦的表面，形成一層有效抑制尾礦氧化溶出產(chǎn)生酸性礦山廢水，最終達(dá)到處理尾礦的目的[25]。

（2）物理隔離法

所謂物理隔離法就是采用水體、碎石、污泥、木屑廢物等材料覆蓋在礦山尾礦表面以隔離其與氧氣的接觸，從而控制其產(chǎn)生酸性礦山廢水的方法[26-30]。在北美，加拿大魁北克省的某個礦山尾礦就被直接排放到一個由土壩圍筑的永久性水庫中，從而實現(xiàn)水體隔離礦山尾礦的防氧化處理[31]。Kam等[32]也采用水體隔離的方法處理加拿大的一處鈾尾礦，從連續(xù)運行兩年的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，用水體隔離的方法能有效地防止氧氣接觸尾礦，達(dá)到減少酸性礦山廢水的產(chǎn)生。在歐洲，Ljungberg等[33]也采用水體隔離的方法處理瑞典一處鋅銅礦尾礦，結(jié)果也顯示出良好的應(yīng)用效果。另外，在南非，汪晴珠報道了在尾砂壩斜坡上鋪碎石塊隔離處理尾砂，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，兩年后仍未發(fā)現(xiàn)被風(fēng)、水卷走石塊和殘渣的現(xiàn)象，有效地防止了尾砂的氧化，最終減少了酸性廢水的產(chǎn)生[34]。

（3）表面固化法

表面固化法是采用有機或無機的藥劑（如石灰、磷酸鹽、硅酸鹽、有機物等）通過物理化學(xué)的作用在尾礦或表面形成保護(hù)膜，以阻止氧氣、水及微生物接觸尾礦表面，從而達(dá)到抑制尾礦化學(xué)氧化和生物氧化，最終實現(xiàn)防止酸性礦山廢水產(chǎn)生的目的[34-37]。Jiang等人[35]采用油酸鈉在硫鐵礦物上形成一層鈍化保護(hù)膜，以防止硫鐵礦物的氧化，最終達(dá)到從源頭控制酸性礦山廢水的產(chǎn)生。2002年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的蘭葉青教授報道了一種有機物表面固化處理硫鐵礦，經(jīng)表面固化處理的硫鐵礦得到了良好的保護(hù)，這種保護(hù)鈍化膜顯示出良好的抑制氧化效果[36]，此外，還有采用硅酸鹽表面固化處理硫鐵礦的報道，也顯示出良好的應(yīng)用效果[37]。

（4）植被修復(fù)法

1988年，國務(wù)院就在頒布的《土地復(fù)墾規(guī)定》中就明確提出“誰破壞，誰復(fù)墾”的原則，有力地促進(jìn)了我國尾礦復(fù)墾工作的開展。從此，植被修復(fù)法也相應(yīng)地受到了廣泛的關(guān)注[38-44]。一般而言，尾礦的植被修復(fù)法主要有兩種方法[45]，一種是在尾礦表面覆蓋一層厚度適宜的土壤，然后再種上植物。如中條山有色金屬公司在兩個服務(wù)期滿的尾礦庫覆土植被、造田，研究結(jié)果表明，所種作物含有的金屬指標(biāo)均在國家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍以內(nèi)[42]。這一方法雖然有效，但需要移植大量的客土，還要有一系列的后續(xù)工藝相配套，較高的運行成本影響了它的大規(guī)模推廣使用。另一種方法是直接在尾礦上種植耐酸耐重金屬的植物，但其關(guān)鍵技術(shù)難點就是要篩選和培育出適應(yīng)當(dāng)?shù)匚驳V環(huán)境的耐酸耐重金屬的超富集植物。另外，尾礦含有多種金屬元素，能同時吸收多種金屬的植物少之又少，因此，基于以上種種因素，該方法未受到大規(guī)模的應(yīng)用。

然而，上述尾礦的處理方法都受到了不同應(yīng)用因素的影響，限制了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用。另一方面，隨著采礦工業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生的尾礦數(shù)量也隨之增大，單靠這些方法無法實現(xiàn)全部尾礦的無害化處理，還須其他方法相配合，比如采用一些方法實現(xiàn)尾礦的綜合回收利用[46-47]。

三、礦山尾礦的綜合利用

由于歷史、技術(shù)設(shè)備、管理及市場等因素造成了大量的有價金屬元素棄存在于尾礦當(dāng)中，致使尾礦具有雙重的特性，它既是廢物又是資源，從而構(gòu)成了礦山尾礦的再資源化和能源化的巨大潛力。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的供需矛盾進(jìn)一步加劇，尾礦的綜合回收利用已成為工業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的必然選擇，目前，回收有價元素、制備建筑材料、用作充填采空區(qū)、用作肥料和土壤改良劑等已成為國內(nèi)外尾礦綜合利用的主要途徑[12， 46-47]。

（1）回收有價元素

在采礦工業(yè)發(fā)展早期，由于受到冶煉技術(shù)條件的限制，許多有價金屬或稀有元素殘留在礦山尾礦。隨著科技的迅速發(fā)展的今天，冶煉設(shè)備和技術(shù)的提高足已可以逐步對尾礦中的有價元素進(jìn)行綜合回收利用。這一舉動不但能緩解緊張的礦產(chǎn)資源供需矛盾，而且還能獲取良好的經(jīng)濟(jì)效益，因此，回收有價元素被認(rèn)為是礦山尾礦綜合利用最重要的途徑之一。一般而言，回收有價元素可分化學(xué)方法和微生物法，而化學(xué)法是最普遍使用的[48-49]，如杜林華報道采用白鎢尾礦浮選回收螢石精礦，結(jié)果顯示其回收率可達(dá)到64.93%[50]；賀軼才[51]采用重選法富集回收尾礦的金，獲得了品位為118.71g/t、回收率為75.7%的金精礦；而栗木錫礦也成功采用先重選后浮選工藝從老尾礦中回收錫，回收率達(dá)到了63.11%[52]。另外，江西銅業(yè)公司從尾礦中回收銅和硫，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[53]；金堆城鉬礦的尾礦采用磁選-再磨-脫泥-篩分工藝技術(shù)獲得品位大于62.00%、含硫小于0.20%的鐵精礦[54]。此外，除了化學(xué)回收法外，微生物浸礦回收技術(shù)也有相關(guān)的研究報道[54-55]，李宏煦等[54]將馴化的大寶山細(xì)菌應(yīng)用到尾礦進(jìn)行浸出銅的提取回收試驗，其實驗研究表明，細(xì)菌對銅礦物具有較強的氧化分解作用，與原先硫化銅尾礦相比，次生硫化銅尾礦更容易浸出提取回收金屬銅。

（2）制備建筑材料

基于礦山尾礦成分與建筑原材料相近，只需在尾礦中摻加少量其它原料，就可以實現(xiàn)以尾礦為主體材料制備建筑材料[56-57]。因此，利用尾礦生產(chǎn)建筑材料已經(jīng)受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[12， 56-58]，尤其是在利用尾礦制備磚瓦、水泥、微晶玻璃、陶瓷材料等方面發(fā)展很快，并已經(jīng)取得一系列成果。如陳家瓏等[59]以首鋼密云鐵礦圍巖碎石、選礦尾礦為粗細(xì)骨料摻加水泥制備出混凝土空心砌塊，砌塊的抗壓強度都達(dá)到了設(shè)計要求，其它指標(biāo)也滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。此外，牛福生等[60]以鐵尾礦為主體材料，摻雜其他原料，制備出鐵尾礦磚，經(jīng)檢測，其抗壓強度可達(dá)到28.30MPa，抗折強度為5.63MPa，具有巨大的市場推廣價值；李江瑛[61]利用山西某鐵礦尾礦制備生產(chǎn)混凝土空心砌塊，其結(jié)果表明，制得的砌塊抗壓強度都達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)；邢軍等[62]以鐵尾礦和金尾礦為主要原料制成了微晶玻璃，微晶玻璃是目前層次最高的尾礦整體利用產(chǎn)品，通常以高硅型尾礦、鋁硅質(zhì)尾礦、堿鋁硅質(zhì)尾礦、鈣鋁硅質(zhì)尾礦為主體材料獲得，其最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域是建筑裝飾業(yè)，部分已經(jīng)應(yīng)用于化工和電子工業(yè)[53]。匡宇航等[63]以河臺金礦尾砂和白土為主要原料，研制了各種陶瓷坯體，并成功研制出了發(fā)光陶瓷，具有較高的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。此外，沉積的粗粒尾砂還可用作修筑公路的主要填料，據(jù)相關(guān)報道，美國愛達(dá)荷州就曾用沉積的粗粒尾礦修筑了一條長約6.5km的公路[64]，運行多年，路況良好，促進(jìn)了尾礦在交通運輸行業(yè)上的規(guī)?；瘧?yīng)用。endprint

（3）用作充填采空區(qū)

礦山資源被大量開采后，會留下巨大面積的采空區(qū)，對礦山采空區(qū)的回填是直接利用尾礦的最有效途徑之一[65-66]。采用尾礦作為充填料，可就地取材，廢物利用，不僅解決了尾礦排放造成環(huán)境污染的問題，減輕了相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還可省去或大大減少尾礦庫的建設(shè)及其運行費用[7，45]。目前，利用混凝土泵將呈膏狀的尾礦輸送到井下進(jìn)行采空區(qū)回填的做法最為普遍，我國在干式充填、水砂充填、分級尾砂充填、高濃全尾砂充填及膏體充填等尾砂充填技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平[53]。尤其是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的全尾砂膏體充填工藝，具有不析水量少、膠結(jié)劑用量少、充填體穩(wěn)定性好、強度高、尾礦用量大、對井下污染少等優(yōu)勢的高濃度膏體充填法在尾礦處理中得到了廣泛應(yīng)用[52，67-68]。比如全尾砂膏體充填工藝在南京鉛鋅銀礦和金川鎳礦進(jìn)行了試驗應(yīng)用，結(jié)果證明此技術(shù)能獲得了良好的效果[68]；還有凡口鉛鋅礦和長沙礦山研究院共同開發(fā)的高濃度全尾砂膠結(jié)充填工藝處理尾礦，其利用率能高達(dá)95%左右[69]。

（4）土壤改良劑

鑒于尾礦具有粒度較細(xì)的特點，有助于植被造田，可以作為肥料或改良劑來改善土壤環(huán)境，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。另外，尾礦所含的Zn、Mn、Cu、Mo、V、B、Fe、P等元素，這正是維持植物生長和發(fā)育的必需元素[18，45]。因此，可以針對不同類型的尾礦，采取相應(yīng)的利用措施，針對鈣礦物質(zhì)型的尾礦，可用作土壤改良劑施于酸性土壤，提高土壤的pH；針對鈣、鎂和硅氧化物型的尾礦，可用作農(nóng)業(yè)肥料對酸性土壤進(jìn)行鈣化；針對鉬礦物質(zhì)型尾礦，可作為微量元素肥料施于缺鉬的土壤環(huán)境里，一方面促進(jìn)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收，另一方面有利于降低一些重大疾病的發(fā)生率[65]。此外，針對含有磁鐵礦的某些尾礦，其本身具有磁性，若把類型尾礦加入土壤中，可引起磁團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的活化，從而改善土壤的結(jié)構(gòu)、孔隙度及透氣性等。

四、展望

雖然在過去的幾十年里，我國在尾礦處理及綜合利用方面取得了不少的進(jìn)步，但是還存在嚴(yán)竣的挑戰(zhàn)，比如尾礦處理效率低、整體的綜合利用水平低、礦山亂采濫挖嚴(yán)重、選礦技術(shù)與設(shè)備的相對落后及礦山所引起的嚴(yán)重環(huán)境問題等等，這些因素都將嚴(yán)重地制約著我國礦山工業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。因此，必須以資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展為前提，樹立科學(xué)的發(fā)展觀念，大力推行礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)；加大科技投入，提高采、選、冶綜合利用技術(shù)水平；依靠科技進(jìn)步，提高資源和環(huán)境效率，實現(xiàn)尾礦綜合利用和減排；完善企業(yè)廢棄物綜合利用及治理方面的相關(guān)法律、法規(guī)，加速推進(jìn)尾礦綜合治理的進(jìn)程；加強政府政策引導(dǎo)和扶持的力度，推動我國經(jīng)濟(jì)增長方式的轉(zhuǎn)變，最終實現(xiàn)資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的平衡發(fā)展。

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