离子型稀土矿开采环境问题及废弃地修复治理研究进展

郑先坤，冯秀娟，2，陈哲，朱易春

(1.江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000 2.北京有色金属研究总院，北京 100088)

稀土被称为“工业维生素”，广泛应用在能源、交通、电子、航天等40多个行业，是高精尖行业不可或缺的、极具战略价值的矿产资源[1]。随着各行各业对稀土的需求增大，稀土的开采量也与日俱增。据报道，中国已成为世界上最大的稀土生产国和出口国，以全球31%的稀土存储量供应着世界90%以上的消费量[2]。这种过度的开发利用虽带来一定的经济效益，但给环境带来难以逆转的损伤和生态破坏。而南方离子型稀土矿是我国三大稀土矿生产体系之一，承担着我国稀土总产量的26%以上[3]。且离子型稀土矿前期开采工艺为落后的池浸、堆浸工艺，俗称“搬山运动”，开采时极易造成土壤肥力退化、土壤沙化、伴生重金属污染、水土流失等环境问题[4]。后期开发出的原地浸矿工艺，虽避免了大规模的矿体表土剥离，但依然造成山体滑坡、表层植被难以生长、水体氨氮超标等生态问题。

当前，国家宏观环保政策不断收紧，对工矿用地的环境治理工作要求也不断加大，稀土矿区开采产生的废弃地作为南方离子型稀土开采环境产生的历史遗留地，逐渐受到重视[5]。故此，本文系统的介绍了不同生产工艺带来的环境问题及相关修复治理技术研究进展，以期为矿区环境修复治理提供参考。

1 离子型稀土开采工艺及产生的环境问题

1.1 桶浸工艺及产生的环境问题

离子型稀土矿自发现开采之日起至今已有50年的历史，历经三代开采工艺，因不同年代的管理水平和开采工艺水平的差异性，其造成的环境问题也不相同。为了全面了解离子型稀土矿环境问题形成原因，从开采工艺原理出发，分析其对各环境因子产生的影响。

依据南方风化壳淋积型稀土赋存特点，我国科技工作者研究出电解质作浸取剂浸取稀土的方法。早期选择的浸取剂为氯化钠，人们通过露天开采矿石，分筛后置于木桶中，然后加入氯化钠为浸取剂提取稀土，这种工艺称为桶浸工艺。使用这种工艺要求氯化钠的浓度为6%～8%，因此会产生高浓度的废水，流入周边水体，造成水体酸化[6]。同时，相当一部分的氯化钠残存于浸矿废渣中，导致土壤盐化，影响动植物生长。由于每次浸取量仅有十几公斤矿石，工人劳动工作量大，生产规模小，几年之后便被池浸工艺所取代。

1.2 池浸、堆浸工艺及产生的环境问题

池浸工艺是为了克服桶浸工艺生产效率低、生产成本高等缺点开发出来的。该工艺是将采集的稀土矿石先经筛分，然后堆积在浸矿池搭建的滤层上，用7%的氯化钠作浸取剂将稀土浸出；浸矿池面积约为12 m2，装矿高度为1～1.5 m，浸取一池的周期约为5 d[7]。因其大量的剥离矿山表层，挖掘高丰度的全风化层稀土，严重破坏矿区的地形地貌，被称为“搬山运动”[8]。据资料统计，生产1 t的稀土产品要产生300 m3的表土剥离物，植被破坏面积160～200 m2，池浸完成后产生的尾砂量1 000～1 600 m3；浸矿废液1 000～1 200 m3(废液成分以浸取剂、重金属、草酸等为主)，每年矿区土壤沙化及水土流失量1 200万m3[9-10]；开采的环境成本约为203 050元/t[11]。同时这些剥离物使土壤理化功能严重破坏，尾砂和浸取废液的随意堆排，梅雨时节在雨水冲刷下致使浸取剂及溶出的重金属流入周边农田及水体，造成严重的环境污染和巨大的经济损失[9]。该工艺生产时往往“采富弃贫”，资源利用率低；有时为了降低成本，将浸取池建立在山腰位置，产生的剥离物和尾砂就近堆放在山腰下方，导致大面积赋存资源矿块被压占，这部分资源也就无法开采利用[6]。堆浸工艺是第一代工艺的升级版，通过使用大型机械设备提高生产效率，缩短生产周期，降低生产成本。但其剥离表土、开挖矿体、筑堆浸矿的工序没变，因而对环境的影响与第一代工艺相比更严重，产生更多的尾砂和表土剥离物，对矿山生态破坏性更大。

1.3 原地浸矿工艺及产生的环境问题

原地浸矿是离子型稀土开采的第三代工艺，被认为是离子型稀土开采的绿色工艺，它彻底革除了池浸和堆浸大规模开挖山体的弊端，仅需将开采区域划分为不同的矿块，然后布设注液井及浸取母液收集巷道，减轻了对山体地貌和生态植被的破坏。但在原地浸矿过程中，由于收集系统不完善、防渗层渗漏、毛细管作用等原因，导致开采过程中会有部分氨氮泄露进入矿区，从而使得矿区周边水体与土壤中积累了大量的氮化物[12]，这些浸矿剂会造成表层土壤肥力衰减和植物根系萎缩，使其丧失固水保持的作用而引发水土流失[13]。氮化物中的硝态氮带负电，不易被土壤中胶体物质吸附，在雨水冲刷下，极易与水体一起向下渗流，假若底板发育不全，很容易造成地下水硝酸盐污染。对稀土母液提纯工艺中产生的废液氨氮浓度高达3 500～4 000 mg/L，受雨水冲刷使矿体内部残留浸取剂溶出和地表水稀释作用的影响，春季周边水体氨氮含量达80～110 mg/L，冬季因水体流动性差，浓度达到90～160 mg/L，很容易造成水体富营养化；并且高浓度的氨氮会使水生动植物中毒甚至死亡[14]。在《广东省大埔县五丰矿及扩大区稀土矿环境影响报告书》中提到，原地浸矿工艺若没有正确的地下水污染防治措施，会使地下水氨氮浓度急剧上升，由原水的0.16 mg/L上升至66.2 mg/L。浸取剂与稀土离子发生置换反应后，硫酸根离子则留在矿体内部，硫酸根离子会改变土壤的理化性质，并对土壤中的重金属离子的迁移转化产生影响。同时，持续的注液破坏了土壤的粘结性，降低了矿体内部各层间的内摩擦力，使得滑动面的抗剪切力大大减弱，引发山体滑坡[15]。

2 离子型稀土矿废弃地修复治理研究

目前，《产业结构调整指导目录(2011年)》及《中国的稀土状况与政策》白皮书(2012)明确指出[3]，池浸法、堆浸法列为淘汰工艺，禁止在采矿作业中使用，原地浸矿工艺为开采方式推广使用。稀土矿开采过程中造成的环境问题概括起来主要包括土壤荒漠化和水体污染。针对这两方面问题，研究趋势为源头控制技术和末端治理技术，源头控制技术就是针对原地浸矿工艺流程，采用清污和人工防渗措施，控制降雨对矿区污染物迁移进而加重对环境的污染[16]。或是开发新型的无氨浸取剂，降低对环境的损害[17]。而末端治理技术是针对池浸法、堆浸法、原地浸矿法开采后对产生的土壤荒漠化和水体污染问题进行修复治理的技术。

2.1 土壤荒漠化修复治理技术

土壤荒漠化主要体现在土壤酸化和土壤肥力退化[18]。土壤酸化是由于稀土矿浸矿剂主要选取酸性且富含铵盐类物质。随着稀土矿开采时间的延长，土壤中的酸性物质浓度逐渐增加，土壤胶体表面吸附的氢离子和铝离子被置换下来，土壤中致酸性离子浓度逐渐增加。同时南方许多地区酸雨都很严重，酸雨会进一步导致土壤酸化，且较低的 pH值会加剧重金属的溶出和毒性并直接危害植物生长。研究表明，氮肥的过量施用是土壤加速酸化的重要原因，并显著增加土壤的可交换 H+和可交换 Al3+，因而土壤中残存的浸取剂也是导致土壤酸化的主要诱因[19]。由于采矿技术落后，山体表层土遭到严重破坏，致使矿区土壤有机质、有效氮、磷和钾等营养物质大量流失，土壤理化性质完全被破坏。如定南县某稀土矿区经采矿结束后，土壤质量严重退化，土壤全氮、有机质、有效磷和速效钾分别下降为0.23 g/kg、1.03 g/kg、5.10 mg/kg和40.74 mg/kg，土壤养分严重匮乏且极不均衡。矿工艺结束后，浸提剂在带走土壤中稀土元素的同时也带走土壤营养物质，破坏土壤整体结构，是造成土壤质量严重退化的主要因素[20]。针对土壤荒漠化问题，现有的技术有土壤改良、植被修复、微生物修复等。

2.1.1 土壤改良技术 针对离子型稀土存在的土壤荒漠化问题，修复的首选工艺即为土壤改良技术。不管是池浸、堆浸还是原地浸矿工艺，皆使矿区废弃地土壤层完全破坏，而土壤是矿区生态系统的底层系统。所以，恢复矿区生态系统，必须改善土壤理化性质和土壤肥力。依据改良剂原料可划分为天然改良剂、合成改良剂、天然-合成共聚物等。天然改良剂指的是海泡石、膨润土、石灰石等矿物，它们不仅能改善土壤结构、提高土壤的保水能力，还能增加土壤肥力和保肥能力。杨侨等[21]利用海泡石和其他有机质联用对某稀土废弃地土壤改良，发现海泡石可显著提高土壤的酸碱度。冯秀娟[22]利用沸石和石灰石对龙南足洞矿区土壤进行改良研究，并探究了土壤改良剂对矿区残存浸取剂及次生物的影响，取得很好的效果。合成改良剂是人工合成的高分子聚合物，一般有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、尿醛树脂等，其中聚丙烯酰胺最受研究者关注[23]。它们能够增大土壤团聚体进而保持其结构稳定，提高土壤的含水量；并能影响土壤微生物和酶的活性。天然-合成共聚物是将天然改良剂与合成改良剂各自优点结合，调配出最优占比，最大程度改善土壤物化性质。朱李俊[24]以赣州某稀土矿区土壤为供试土壤，采用钢渣、有机肥及不同比例聚合物改良土壤，发现两者的协同作用既增加土壤的肥力又能调节土壤的酸碱度。

2.1.2 植物修复技术 植物修复技术是备受欢迎的清洁环保、绿色原位修复技术之一。它是利用植物的特殊生理功能，在吸收、富集、沉淀等作用下将土壤中的污染物转移到根部、茎叶、果实等部位，达到去除污染物的目的，具有效果好、投资小、易管理和不产生二次污染等特点。离子型稀土矿土壤中不仅有大量的稀土元素，同时稀土伴生矿中大量的重金属元素。因此，在筛选出的植物不仅具有超富集性，还应兼具耐胁迫性。研究表明[25]，香根草、木豆、翅荚决明、山毛豆等灌木及草本植物具有很好的抗胁迫性和耐酸性。同时，研究矿区当地的马唐草、芒箕、芒草、马尾松等品种具有很好的修复效果。除此之外，魏光普等[26]发现海绵植物(指对污染物吸收系数高于1的植物)能够吸收土壤中的稀土元素，并在植物器官内形成特殊的耐受机制。张艳[27]以定南县某稀土废弃地土壤为对象，选择高羊茅、早熟禾、杂高丹草、交狼尾草4种耐受植物做试种试验，发现它们都能提高土壤的保肥能力，并显示出较强的耐受性。在实验期内，植被的覆盖率最高达80%，杂交狼尾草覆盖速度最快，覆盖也最稳定。但不管选用何种植物，必须结合废弃矿区环境特点和特征污染物，合理的规划设计，才能有更好的处理效果。

2.1.3 生物修复技术 生物修复技术是通过筛选或培养出特殊的功能微生物(土著微生物、外源微生物、基因工程菌)，在一定条件下，利用其特有新陈代谢功能，去降低污染物的生态毒性或降解无毒物质的土壤修复技术[28]。与传统的物理化学修复技术相比，该技术具有较强的环境友好、不产生二次污染、成本低等特点，成为土壤修复的热点研究技术之一。稀土矿区中残存着较高的稀土元素和重金属，因而这也成为选择微生物修复矿区土壤的首要条件。目前，关于生物修复技术应用在稀土矿区的不多，仅李兆龙等[29]对离子型稀土矿区生态修复过程后土壤微生物数量变化进行研究。孙峰等[30]仅限于研究稀土元素对土壤微生物有效性研究。所以，建议加强关于这方面的研究，推动生物修复技术在离子型稀土矿矿区的应用。

2.2 水体污染修复技术

对于稀土矿区的水体污染，主要由原地浸矿工艺中硫酸铵浸取剂大量使用造成的；同时，由于注液管道泄露、防渗层破裂等原因，导致含有硫酸铵的废液随降雨淋滤汇流进入矿区周边水体，造成地表水体中氨氮含量严重超标，威胁水生动植物安全，破坏生态系统的稳定性[31]。当前，对于高浓度的氨氮废水处理工艺很多，包括膜分离法、化学沉淀法、离子交换法、电化学法、生物法等[32-34]。但废水中除了氨氮外，还有大量的稀土离子、重金属离子等，所以王志高等[35]采用膜分离技术处理稀土开采废水，在经过两级反渗透膜工艺下，可将氨氮浓度降为15 mg/L，出水稀土浓度为零，并对滤出的稀土元素富集回收。蔚龙凤等[36]提出“有机相-脱磷-去除重金属-分级氧化-石英砂过滤”工艺处理稀土冶炼废水，可有效去除污染物并达标排放。朱健玲等[37]采用接触膜脱氨法处理实际矿山废水，使出水浓度低于15 mg/L，并且该系统具有集成化、自动化特点，可在南方偏远稀土矿区内推广使用。

3 结论与展望

当前，绿水青山就是金山银山的观念不断深入人心，工矿用地土壤环境质量相关政策也持续落地。因此，综述离子型稀土环境问题与相关处理技术具有重要的理论意义与现实意义。本文以相关开采工艺入手，在阐述不同工艺带来的土地荒漠化和水污染两大问题，并就相关治理技术逐一介绍。结合当前生态文明建设的新要求，关于废弃地的修复还需要从以下几个方面入手：①当前离子型稀土矿开采的主要工艺为原地浸矿，为进一步减少浸矿剂对环境的影响，应研发新型环保的无氨浸取剂，从源头上控制污染源；②废弃地生物修复技术严重滞后其他技术，应加大生物修复技术的研究；③矿区土壤理化性质不适宜一般植物生长，要继续筛选适合矿区生态修复栽种的植物品种及配型并研究，重构矿区生态系统。