離子型稀土礦開采環境問題及廢棄地修復治理研究進展

鄭先坤，馮秀娟，2，陳哲，朱易春

(1.江西理工大學 建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000 2.北京有色金屬研究總院，北京 100088)

稀土被稱為“工業維生素”，廣泛應用在能源、交通、電子、航天等40多個行業，是高精尖行業不可或缺的、極具戰略價值的礦產資源[1]。隨著各行各業對稀土的需求增大，稀土的開采量也與日俱增。據報道，中國已成為世界上最大的稀土生產國和出口國，以全球31%的稀土存儲量供應著世界90%以上的消費量[2]。這種過度的開發利用雖帶來一定的經濟效益，但給環境帶來難以逆轉的損傷和生態破壞。而南方離子型稀土礦是我國三大稀土礦生產體系之一，承擔著我國稀土總產量的26%以上[3]。且離子型稀土礦前期開采工藝為落后的池浸、堆浸工藝，俗稱“搬山運動”，開采時極易造成土壤肥力退化、土壤沙化、伴生重金屬污染、水土流失等環境問題[4]。后期開發出的原地浸礦工藝，雖避免了大規模的礦體表土剝離，但依然造成山體滑坡、表層植被難以生長、水體氨氮超標等生態問題。

當前，國家宏觀環保政策不斷收緊，對工礦用地的環境治理工作要求也不斷加大，稀土礦區開采產生的廢棄地作為南方離子型稀土開采環境產生的歷史遺留地，逐漸受到重視[5]。故此，本文系統的介紹了不同生產工藝帶來的環境問題及相關修復治理技術研究進展，以期為礦區環境修復治理提供參考。

1 離子型稀土開采工藝及產生的環境問題

1.1 桶浸工藝及產生的環境問題

離子型稀土礦自發現開采之日起至今已有50年的歷史，歷經三代開采工藝，因不同年代的管理水平和開采工藝水平的差異性，其造成的環境問題也不相同。為了全面了解離子型稀土礦環境問題形成原因，從開采工藝原理出發，分析其對各環境因子產生的影響。

依據南方風化殼淋積型稀土賦存特點，我國科技工作者研究出電解質作浸取劑浸取稀土的方法。早期選擇的浸取劑為氯化鈉，人們通過露天開采礦石，分篩后置于木桶中，然后加入氯化鈉為浸取劑提取稀土，這種工藝稱為桶浸工藝。使用這種工藝要求氯化鈉的濃度為6%～8%，因此會產生高濃度的廢水，流入周邊水體，造成水體酸化[6]。同時，相當一部分的氯化鈉殘存于浸礦廢渣中，導致土壤鹽化，影響動植物生長。由于每次浸取量僅有十幾公斤礦石，工人勞動工作量大，生產規模小，幾年之后便被池浸工藝所取代。

1.2 池浸、堆浸工藝及產生的環境問題

池浸工藝是為了克服桶浸工藝生產效率低、生產成本高等缺點開發出來的。該工藝是將采集的稀土礦石先經篩分，然后堆積在浸礦池搭建的濾層上，用7%的氯化鈉作浸取劑將稀土浸出；浸礦池面積約為12 m2，裝礦高度為1～1.5 m，浸取一池的周期約為5 d[7]。因其大量的剝離礦山表層，挖掘高豐度的全風化層稀土，嚴重破壞礦區的地形地貌，被稱為“搬山運動”[8]。據資料統計，生產1 t的稀土產品要產生300 m3的表土剝離物，植被破壞面積160～200 m2，池浸完成后產生的尾砂量1 000～1 600 m3；浸礦廢液1 000～1 200 m3(廢液成分以浸取劑、重金屬、草酸等為主)，每年礦區土壤沙化及水土流失量1 200萬m3[9-10]；開采的環境成本約為203 050元/t[11]。同時這些剝離物使土壤理化功能嚴重破壞，尾砂和浸取廢液的隨意堆排，梅雨時節在雨水沖刷下致使浸取劑及溶出的重金屬流入周邊農田及水體，造成嚴重的環境污染和巨大的經濟損失[9]。該工藝生產時往往“采富棄貧”，資源利用率低；有時為了降低成本，將浸取池建立在山腰位置，產生的剝離物和尾砂就近堆放在山腰下方，導致大面積賦存資源礦塊被壓占，這部分資源也就無法開采利用[6]。堆浸工藝是第一代工藝的升級版，通過使用大型機械設備提高生產效率，縮短生產周期，降低生產成本。但其剝離表土、開挖礦體、筑堆浸礦的工序沒變，因而對環境的影響與第一代工藝相比更嚴重，產生更多的尾砂和表土剝離物，對礦山生態破壞性更大。

1.3 原地浸礦工藝及產生的環境問題

原地浸礦是離子型稀土開采的第三代工藝，被認為是離子型稀土開采的綠色工藝，它徹底革除了池浸和堆浸大規模開挖山體的弊端，僅需將開采區域劃分為不同的礦塊，然后布設注液井及浸取母液收集巷道，減輕了對山體地貌和生態植被的破壞。但在原地浸礦過程中，由于收集系統不完善、防滲層滲漏、毛細管作用等原因，導致開采過程中會有部分氨氮泄露進入礦區，從而使得礦區周邊水體與土壤中積累了大量的氮化物[12]，這些浸礦劑會造成表層土壤肥力衰減和植物根系萎縮，使其喪失固水保持的作用而引發水土流失[13]。氮化物中的硝態氮帶負電，不易被土壤中膠體物質吸附，在雨水沖刷下，極易與水體一起向下滲流，假若底板發育不全，很容易造成地下水硝酸鹽污染。對稀土母液提純工藝中產生的廢液氨氮濃度高達3 500～4 000 mg/L，受雨水沖刷使礦體內部殘留浸取劑溶出和地表水稀釋作用的影響，春季周邊水體氨氮含量達80～110 mg/L，冬季因水體流動性差，濃度達到90～160 mg/L，很容易造成水體富營養化；并且高濃度的氨氮會使水生動植物中毒甚至死亡[14]。在《廣東省大埔縣五豐礦及擴大區稀土礦環境影響報告書》中提到，原地浸礦工藝若沒有正確的地下水污染防治措施，會使地下水氨氮濃度急劇上升，由原水的0.16 mg/L上升至66.2 mg/L。浸取劑與稀土離子發生置換反應后，硫酸根離子則留在礦體內部，硫酸根離子會改變土壤的理化性質，并對土壤中的重金屬離子的遷移轉化產生影響。同時，持續的注液破壞了土壤的粘結性，降低了礦體內部各層間的內摩擦力，使得滑動面的抗剪切力大大減弱，引發山體滑坡[15]。

2 離子型稀土礦廢棄地修復治理研究

目前，《產業結構調整指導目錄(2011年)》及《中國的稀土狀況與政策》白皮書(2012)明確指出[3]，池浸法、堆浸法列為淘汰工藝，禁止在采礦作業中使用，原地浸礦工藝為開采方式推廣使用。稀土礦開采過程中造成的環境問題概括起來主要包括土壤荒漠化和水體污染。針對這兩方面問題，研究趨勢為源頭控制技術和末端治理技術，源頭控制技術就是針對原地浸礦工藝流程，采用清污和人工防滲措施，控制降雨對礦區污染物遷移進而加重對環境的污染[16]。或是開發新型的無氨浸取劑，降低對環境的損害[17]。而末端治理技術是針對池浸法、堆浸法、原地浸礦法開采后對產生的土壤荒漠化和水體污染問題進行修復治理的技術。

2.1 土壤荒漠化修復治理技術

土壤荒漠化主要體現在土壤酸化和土壤肥力退化[18]。土壤酸化是由于稀土礦浸礦劑主要選取酸性且富含銨鹽類物質。隨著稀土礦開采時間的延長，土壤中的酸性物質濃度逐漸增加，土壤膠體表面吸附的氫離子和鋁離子被置換下來，土壤中致酸性離子濃度逐漸增加。同時南方許多地區酸雨都很嚴重，酸雨會進一步導致土壤酸化，且較低的 pH值會加劇重金屬的溶出和毒性并直接危害植物生長。研究表明，氮肥的過量施用是土壤加速酸化的重要原因，并顯著增加土壤的可交換 H+和可交換 Al3+，因而土壤中殘存的浸取劑也是導致土壤酸化的主要誘因[19]。由于采礦技術落后，山體表層土遭到嚴重破壞，致使礦區土壤有機質、有效氮、磷和鉀等營養物質大量流失，土壤理化性質完全被破壞。如定南縣某稀土礦區經采礦結束后，土壤質量嚴重退化，土壤全氮、有機質、有效磷和速效鉀分別下降為0.23 g/kg、1.03 g/kg、5.10 mg/kg和40.74 mg/kg，土壤養分嚴重匱乏且極不均衡。礦工藝結束后，浸提劑在帶走土壤中稀土元素的同時也帶走土壤營養物質，破壞土壤整體結構，是造成土壤質量嚴重退化的主要因素[20]。針對土壤荒漠化問題，現有的技術有土壤改良、植被修復、微生物修復等。

2.1.1 土壤改良技術 針對離子型稀土存在的土壤荒漠化問題，修復的首選工藝即為土壤改良技術。不管是池浸、堆浸還是原地浸礦工藝，皆使礦區廢棄地土壤層完全破壞，而土壤是礦區生態系統的底層系統。所以，恢復礦區生態系統，必須改善土壤理化性質和土壤肥力。依據改良劑原料可劃分為天然改良劑、合成改良劑、天然-合成共聚物等。天然改良劑指的是海泡石、膨潤土、石灰石等礦物，它們不僅能改善土壤結構、提高土壤的保水能力，還能增加土壤肥力和保肥能力。楊僑等[21]利用海泡石和其他有機質聯用對某稀土廢棄地土壤改良，發現海泡石可顯著提高土壤的酸堿度。馮秀娟[22]利用沸石和石灰石對龍南足洞礦區土壤進行改良研究，并探究了土壤改良劑對礦區殘存浸取劑及次生物的影響，取得很好的效果。合成改良劑是人工合成的高分子聚合物，一般有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、尿醛樹脂等，其中聚丙烯酰胺最受研究者關注[23]。它們能夠增大土壤團聚體進而保持其結構穩定，提高土壤的含水量；并能影響土壤微生物和酶的活性。天然-合成共聚物是將天然改良劑與合成改良劑各自優點結合，調配出最優占比，最大程度改善土壤物化性質。朱李俊[24]以贛州某稀土礦區土壤為供試土壤，采用鋼渣、有機肥及不同比例聚合物改良土壤，發現兩者的協同作用既增加土壤的肥力又能調節土壤的酸堿度。

2.1.2 植物修復技術 植物修復技術是備受歡迎的清潔環保、綠色原位修復技術之一。它是利用植物的特殊生理功能，在吸收、富集、沉淀等作用下將土壤中的污染物轉移到根部、莖葉、果實等部位，達到去除污染物的目的，具有效果好、投資小、易管理和不產生二次污染等特點。離子型稀土礦土壤中不僅有大量的稀土元素，同時稀土伴生礦中大量的重金屬元素。因此，在篩選出的植物不僅具有超富集性，還應兼具耐脅迫性。研究表明[25]，香根草、木豆、翅莢決明、山毛豆等灌木及草本植物具有很好的抗脅迫性和耐酸性。同時，研究礦區當地的馬唐草、芒箕、芒草、馬尾松等品種具有很好的修復效果。除此之外，魏光普等[26]發現海綿植物(指對污染物吸收系數高于1的植物)能夠吸收土壤中的稀土元素，并在植物器官內形成特殊的耐受機制。張艷[27]以定南縣某稀土廢棄地土壤為對象，選擇高羊茅、早熟禾、雜高丹草、交狼尾草4種耐受植物做試種試驗，發現它們都能提高土壤的保肥能力，并顯示出較強的耐受性。在實驗期內，植被的覆蓋率最高達80%，雜交狼尾草覆蓋速度最快，覆蓋也最穩定。但不管選用何種植物，必須結合廢棄礦區環境特點和特征污染物，合理的規劃設計，才能有更好的處理效果。

2.1.3 生物修復技術 生物修復技術是通過篩選或培養出特殊的功能微生物(土著微生物、外源微生物、基因工程菌)，在一定條件下，利用其特有新陳代謝功能，去降低污染物的生態毒性或降解無毒物質的土壤修復技術[28]。與傳統的物理化學修復技術相比，該技術具有較強的環境友好、不產生二次污染、成本低等特點，成為土壤修復的熱點研究技術之一。稀土礦區中殘存著較高的稀土元素和重金屬，因而這也成為選擇微生物修復礦區土壤的首要條件。目前，關于生物修復技術應用在稀土礦區的不多，僅李兆龍等[29]對離子型稀土礦區生態修復過程后土壤微生物數量變化進行研究。孫峰等[30]僅限于研究稀土元素對土壤微生物有效性研究。所以，建議加強關于這方面的研究，推動生物修復技術在離子型稀土礦礦區的應用。

2.2 水體污染修復技術

對于稀土礦區的水體污染，主要由原地浸礦工藝中硫酸銨浸取劑大量使用造成的；同時，由于注液管道泄露、防滲層破裂等原因，導致含有硫酸銨的廢液隨降雨淋濾匯流進入礦區周邊水體，造成地表水體中氨氮含量嚴重超標，威脅水生動植物安全，破壞生態系統的穩定性[31]。當前，對于高濃度的氨氮廢水處理工藝很多，包括膜分離法、化學沉淀法、離子交換法、電化學法、生物法等[32-34]。但廢水中除了氨氮外，還有大量的稀土離子、重金屬離子等，所以王志高等[35]采用膜分離技術處理稀土開采廢水，在經過兩級反滲透膜工藝下，可將氨氮濃度降為15 mg/L，出水稀土濃度為零，并對濾出的稀土元素富集回收。蔚龍鳳等[36]提出“有機相-脫磷-去除重金屬-分級氧化-石英砂過濾”工藝處理稀土冶煉廢水，可有效去除污染物并達標排放。朱健玲等[37]采用接觸膜脫氨法處理實際礦山廢水，使出水濃度低于15 mg/L，并且該系統具有集成化、自動化特點，可在南方偏遠稀土礦區內推廣使用。

3 結論與展望

當前，綠水青山就是金山銀山的觀念不斷深入人心，工礦用地土壤環境質量相關政策也持續落地。因此，綜述離子型稀土環境問題與相關處理技術具有重要的理論意義與現實意義。本文以相關開采工藝入手，在闡述不同工藝帶來的土地荒漠化和水污染兩大問題，并就相關治理技術逐一介紹。結合當前生態文明建設的新要求，關于廢棄地的修復還需要從以下幾個方面入手：①當前離子型稀土礦開采的主要工藝為原地浸礦，為進一步減少浸礦劑對環境的影響，應研發新型環保的無氨浸取劑，從源頭上控制污染源；②廢棄地生物修復技術嚴重滯后其他技術，應加大生物修復技術的研究；③礦區土壤理化性質不適宜一般植物生長，要繼續篩選適合礦區生態修復栽種的植物品種及配型并研究，重構礦區生態系統。