有色金屬礦山尾礦土壤化生態修復技術研究進展

摘要：有色金屬礦山尾礦產生量大、成分復雜、重金屬含量高、利用率低，堆存不僅占用大量土地，而且對周邊環境也存在一定的污染隱患。以尾礦經過土壤化改良后形成的“人造土”為基質進行生態修復是一種新型的綠色、高效和可持續化的尾礦綜合利用方式。闡述了有色金屬礦山典型尾礦土壤化技術，分析了鉛鋅尾礦、銅尾礦、黃金尾礦、稀土尾礦土壤化技術現狀，探討了有色金屬尾礦土壤化面臨的挑戰，并進行了展望，以期為有色金屬礦山大宗尾礦資源的綠色綜合利用提供參考依據。

關鍵詞：有色金屬礦山；尾礦土壤化；綜合利用；生態修復；銅尾礦；鉛鋅尾礦；黃金尾礦；稀土尾礦

中圖分類號：TD167 TD926.4""""""""" 文章編號：1001-1277（2024）12-0008-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241202

引 言

尾礦是指選礦后產生的有用目標組分含量較低而無法用于生產的廢棄物，在有色金屬礦山，尾礦量占礦石量的70 %～95 %，而在黃金、鉬、鎢等稀有金屬礦山中占比可達99 %以上［1］。隨著新建礦山數量的增加及礦山生產能力的不斷提升，尾礦的排放量、堆積量逐漸增大。2021年，中國尾礦總產量約為14.19億t，其中，銅尾礦約為3.92億t，黃金尾礦約為1.61億t，其他有色金屬尾礦約為1.35億t［2］。這些尾礦堆積在尾礦庫中，既占用了大量土地資源，造成資源的嚴重浪費，又對環境造成了嚴重污染。隨著國家對資源安全重視程度的不斷提升，尾礦合理化處置及資源化利用的需求也在逐漸增強。

尾礦土壤化改良是指通過物理、化學、生物改良劑并結合相應的農業、水利、生物等措施，使尾礦具備土壤相關的物理、化學、生物功能和特征，并用于生態修復的過程。本文綜述了有色金屬礦山尾礦土壤化生態修復技術現狀，包括尾礦利用現狀、尾礦土壤化技術及研究現狀，分析存在的挑戰，并對未來發展進行展望。

1 有色金屬礦山尾礦資源利用現狀

有色金屬礦產資源是指除黑色金屬礦產之外的其他所有金屬礦產［3］，主要包括銅、鉛、鋅、鋁、鎂、金、銀、鉑及稀有金屬等。有色金屬礦山尾礦成分復雜，通常含有一定量的有用金屬，具有較高的資源回收價值。然而，目前中國礦產資源總回收率約為30 %，尾礦綜合利用率僅為8 %左右［4］，與西方發達國家差距很大。隨著資源日益緊缺和環保壓力的增大，有色金屬礦山尾礦的資源化利用成為一個重要的研究領域。尾礦綜合利用手段包括二次回收，用作土壤改良劑和微量元素肥料、建筑工業材料及回填等［5］。近年來，圍繞中國“雙碳”目標的戰略布局，低碳綠色可持續發展成為未來尾礦處置的發展趨勢［6］。以尾礦土壤化改良形成的“人造土”為植被生長基質進行生態修復是一種新型的綠色、高效和可持續的尾礦綜合利用方式，逐漸被國內外礦山生態修復行業廣泛接受。

2 尾礦土壤化技術

尾礦土壤化改良方法主要包括物理化學處理法和生物處理法。物理化學處理法利用改良劑并結合相應的農林保水措施，調整尾礦的酸堿度、持水保水能力和透氣結構，提高基質養分含量。該方法具有長效性，更是植物改良和微生物改良的必要基礎措施。改良劑既可以通過絡合、沉淀、吸附、氧化還原等系列物理化學作用，改變尾礦中重金屬的賦存形態，降低其生物有效性和遷移性，同時又可以調節尾礦的理化性質，為植物定植和生長提供條件，達到尾礦土壤化的目的。目前，土壤改良劑主要分為有機改良劑、無機改良劑和復合改良劑3種類型。有機改良劑主要包括有機物料和生物炭材料；無機改良劑主要包括含磷物質、黏土礦物類、石灰類、工業固廢類等；復合改良劑通常由有機改良劑、無機改良劑和新材料按一定配比混合而成。生物處理法包括植物修復技術和微生物修復技術，主要通過對尾礦中的重金屬污染物進行提取、吸附等凈化方式，降低重金屬遷移性，從而達到促進植物定植和生長的目的。

3 尾礦土壤化技術研究現狀

3.1 鉛鋅尾礦土壤化

鉛鋅礦是有色金屬礦產資源的重要組成部分，在鉛鋅礦石開采和選別過程中不可避免地產生大量的尾礦。據統計，中國明確計量的鉛鋅尾礦總量已達1.6億～2億t［7］，但大量的鉛鋅尾礦目前處于堆存棄置狀態，綜合利用率不足36 %［8］，存在較大環境污染風險與安全隱患。

鉛鋅尾礦引起的土壤污染是以Cd、Pb和Zn為主的多種金屬復合污染，在土壤中的化學形態以殘渣態為主。此外，鉛鋅尾礦污染物還包括Cr、Cu、Hg、Ni和As等重金屬［9-12］。對于這種組分復雜和重金屬含量高的尾礦，土壤化難度較大。Cd、Pb和Zn污染土壤常用的無機物類固化穩定物質主要有硅鈣類材料、含磷類材料和黏土礦物等［13-15］，有機物類則包括有機肥［16］、畜禽肥［17］等。

采用改良劑聯合植物修復是治理鉛鋅尾礦的一種自然、有效和常用的方法。該方法需要人工添加外源物對尾礦基質進行改良，增加重金屬穩定性，提高土壤肥力，以創造適合植物生長的立地條件。付雄略［18］開展了鉛鋅礦渣基質改良效應與植物耐性研究，結果表明，蛭石和泥炭土可作為鉛鋅礦尾礦庫重金屬污染的改良劑；蓖麻、泡桐、夾竹桃均可作為鉛鋅礦尾礦庫重金屬污染植物修復潛力植物。TANG等［19］以泥炭為改良劑，采用盆栽試驗研究了泥炭添加對植物富集重金屬的影響，發現泥炭可以同時降低植物根部及莖葉中Pb和Zn的含量。目前，各種各樣的工農業有機廢棄物已被廣泛應用于鉛鋅尾礦的基質改良和植被重建中，包括酒糟、中藥渣［20］、蘑菇渣［21］、牲畜糞便［22］、秸稈［23-24］等。王璐等［17］采用原位基質改良方法研究了8種有機廢棄物作為改良劑對鉛鋅尾礦污染基質修復效果的影響，結果表明雞糞、污泥在尾礦基質改良實踐中具有較大的修復潛力。研究表明，將有機廢棄物作為改良劑修復尾礦，能有效改善尾礦基質物理結構，補充營養元素，降低重金屬活性，提高微生物活性、植物成活率及蓋度和生物量。添加改良劑可以改善尾礦基質性質，有效輔助礦山尾礦的植物穩定性［17，20-22，24］。

除了添加有機廢棄物外，一些無機材料也可以用于鉛鋅礦區土壤改良。張東等［25］采用生化黃腐酸（BFA）、磷酸二氫銨、沸石和有機肥改良后的尾礦渣基質作為種植土壤，利用牛筋草、波斯菊和籽粒莧對螢石型鉛鋅礦山進行了生態修復。CAI等［26］將蘑菇菌渣堆肥和碳酸鈣加入鉛鋅尾礦中，采用盆栽試驗研究了魚腥草對重金屬的富集作用，發現添加的復合改良劑可以緩解鉛和鋅對魚腥草的脅迫作用。楊勝香等［20］向鉛鋅尾礦廢棄地添加不同碳氮磷源改良劑（藥渣、尿素和過磷酸鈣）進行植被重建，發現碳氮磷源改良劑混合材料是鉛鋅尾礦廢棄地植被恢復的良好改良劑。

鉛鋅尾礦土壤化的研究重點在于探索復合改良劑配比，開發新型綠色土壤改良劑［27］，以達到綜合改善尾礦理化性質、降低重金屬生物有效性和增加養分，以及高效低碳修復鉛鋅尾礦的目的。

3.2 銅尾礦土壤化

銅尾礦雖然是一種固體廢棄物，但也是一種寶貴資源。目前，全國每年銅尾礦產生量超3億t，堆存有幾十億噸［2］，數量巨大，但利用率較低。由于尾礦中含有Zn、Mn、Cu、Mo、P等植物生長必備微量元素，經過一系列處理，可以將銅尾礦制成土壤改良劑或生態修復基質。

要實現銅尾礦的土壤化，需將銅尾礦培肥改良，使肥力低、無土壤結構的銅尾礦達到類似土壤的理化性質，從而保證植物的正常生長［28］。因此，在銅尾礦中添加環境友好的外源物質創造植物定植條件是目前銅尾礦土壤化的一種主要方式［29］。

YOU等［30］通過在中性Cu-Mo-Au尾礦中添加生物炭提高了尾礦的保水能力、陽離子交換能力和不穩定有機碳水平，并且降低了植物對銅的利用率和吸收率；KHAN等［31］通過在銅尾礦中添加石灰，極大地降低了重金屬可提取性及Cu、Fe的植物有效性；MUJTABA等［32］發現由煤矸石和生物炭制備的復合改良劑增強了Cu和Zn等重金屬的固定效果，改善了銅尾礦的理化性質，從而顯著降低了植物對Cu和Zn重金屬的吸收、轉移和生物累積。在基質改良基礎上，利用植物可對銅尾礦進行進一步的修復，通過植物定植和生長，可減少銅尾礦的風蝕水蝕。儲昭霞［33］利用煤矸石協同植物對銅尾礦進行了改良機制與改良效果的研究，利用植物對銅尾礦進行生態修復，黑麥草、高羊茅、披堿草等草本植物較為常見［34-36］。

3.3 黃金尾礦土壤化

中國黃金礦山數量多、分布廣，尾礦產量大、利用率低。黃金礦山常用選礦工藝有重選、浮選和氰化3種，其尾礦化學成分主要為SiO2，少量的CaO、Al2O3、MgO、Na2O、Fe2O3、貴金屬（如Au、Pt、Ag）和重金屬（如Cu、Pb、Zn）［37］，可能存在的有毒有害成分主要有浮選藥劑、氰化物、部分重金屬等［38-39］。目前，黃金尾礦綜合利用主要有2種方式：一是回收有價組分；二是將尾礦加工處理成工業或建筑材料［40］。而對黃金尾礦的土壤化及復墾，特別是黃金尾礦無土植被恢復的研究報道并不多。

黃金尾礦具有重金屬污染、高氰、高鹽、堿性、低營養特征，需要通過添加合適的土壤改良劑，改變土壤的酸堿度、改善土壤性狀、提高土壤肥力，并挑選耐鹽堿、耐瘠化的植物對黃金尾礦土壤進行修復。張大勇等［41］以玉米秸稈、牛羊糞便、生物菌劑等為原料制備的改良材料對黃金礦山排土場廢石粉進行土壤化改良試驗研究，驗證了黃金礦山固體廢物土壤化改良的可行性。錢玲等［42］采用泥炭與污泥混合作為黃金尾砂的改良劑，發現改良劑可有效提高尾砂中速效氮、速效磷、速效鉀及有機質含量，黑麥草的發芽率和平均株高均高于原尾砂。LIN等［43］選擇了6種植物對黃金礦山進行無土修復，發現植被修復對黃金尾礦理化性質、細菌群落結構和功能均有改善。QIAN等［44］利用泥炭、污泥和膨潤土組成的復合改良劑對黃金尾礦進行改良，并種植高羊茅對改良效果進行驗證，結果表明，改良劑的添加使尾砂重金屬含量降低，改變了植被根際微生態特征，促進了高羊茅的生長。植物與尾礦具有相互依存的關系，植被恢復后尾礦的營養物質和有機質增加，反過來，尾礦的改善也促進了植被生長［45］。因此，改良劑輔助植被重建是一種具有生態友好性和低成本的黃金尾礦生態修復方法。

微生物群落是尾礦生態系統的基本組成部分，在生態功能中發揮著重要作用［46］。微生物能夠利用自身的抗性減緩重金屬對植物的毒性，從而促進植物的生長［47］。LIU等［48］對某黃金尾礦庫進行了無土植物修復試驗，宏基因組分析表明，植物生長和生態修復效果與微生物群落和功能基因組成密切相關。LIU等［49］研究發現，接種經過篩選和馴化的微生物可以顯著提高重金屬尾礦植物修復效率。CHEN等［50］研究表明，接種根際細菌可顯著改變黃金尾礦的微生物群落結構，提高高羊茅的平均發芽率，增強植物對重金屬的吸收，驗證了根際細菌輔助植物修復黃金尾礦的有效性［51］。

3.4 稀土尾礦土壤化

中國是世界上稀土資源最為豐富的國家之一［52］。中國稀土礦主要有包頭混合型稀土礦、四川氟碳鈰礦和南方離子吸附型稀土礦3種［53］。目前，中國稀土礦開采

以傳統露天開采工藝和原地浸礦工藝為主［54］，開采過程中，以土壤酸化、浸礦劑殘留、土壤肥力退化、重金屬污染及稀土元素污染為主要表現形式的土壤退化問題尤為突出［55-57］。

國內外用于稀土尾礦土壤化的方法主要有添加土壤改良劑的化學修復和利用植物的自凈功能及微生物特異性功能的生物修復。由于稀土礦山開采工藝的特殊性，改良劑聯合植被恢復是稀土尾礦生態修復的最主要方式［58］。即在種植植物之前，施加土壤改良劑來調整土壤的理化性質，為植物和微生物提供生長所必需的營養元素，之后通過種植先鋒植物增加植被覆蓋度，減輕降雨侵蝕稀土尾礦造成的面源污染風險。因此，稀土尾礦復墾的關鍵在于尾礦基質改良和先鋒植物篩選。寬葉雀稗是南方離子型稀土尾礦上的一種常見鄉土植物［59］。研究發現，寬葉雀稗能夠充分利用南方離子型稀土尾礦中殘留的銨態氮，適合在廢棄稀土尾礦上生長，是一種優良的禾本科牧草兼綠肥［60］。ZHANG等［61］利用有機肥和本地植物（芒草+馬尾松+青竹）聯合模式對廣東省稀土尾礦進行了修復，建議中國南方稀土礦山可以選用此種生態修復模式。宋樂等［62］通過添加不同配比的改良劑對稀土浸礦廢渣進行了改良，得出黑麥草的最佳生長條件所需改良劑及其添加水平為：0.01 %聚丙烯酰胺（PAM）、1 %腐熟雞糞和1 %生物質電廠灰。張艷［63］發現利用廢棄菌糟和雞糞制作的土壤改良劑，聯合耐受草本植物（早熟禾、高羊茅、雜交狼尾草、高丹草）對稀土尾砂土壤及養分有顯著改善作用。羅杰［64］選擇生物炭+粉煤灰+3種有機肥作為土壤改良劑，種植當地經濟作物贛南臍橙，并選取林下種草（三葉草、寬葉雀稗）模式，在廢棄稀土礦區進行大田試驗;結果表明，三葉草+生物炭+粉煤灰+贛南臍橙專用有機肥處理的效果最好。DAI等［65］以花生秸稈生物炭、磷鎂化合物和改性沸石分別與石灰石和有機肥按一定質量比混合制備復合改良劑，施加到堆浸稀土尾礦中，種植紫花苜蓿。田間試驗結果表明，3種改良劑均降低了尾礦中NH+4、NO-3和SO2-4含量，有利于稀土尾礦的植被恢復。

近年來，微生物在稀土尾礦土壤改良中的作用逐漸被人們所關注。以往對稀土尾礦微生物群落的研究主要集中在細菌群落的研究，忽視了真菌群落的作用，而真菌比細菌更適應貧瘠的土壤環境［7］。王鈺［58］利用植物覆蓋與生物炭-有機肥改良劑聯合方法對南方離子型稀土尾礦土壤進行修復，發現該方法有利于功能性真菌類群在植物根部的定殖，對土壤養分循環及稀土尾礦土壤生態系統的恢復重建有正向效果。CHEN等［66］通過向稀土尾礦施加厭氧發酵廢渣，并種植能源植物（雜交狼尾草）進行修復，結果發現，施加沼氣殘渣或泥漿能有效緩解土壤酸化，增加土壤養分，并顯著促進了微生物群落中的共營養類群及植物的生長。李金苗［67］利用室內盆栽試驗研究了“叢枝菌根真菌（AM 真菌）+改良劑（生物炭+粉煤灰）+修復植物”的復合型修復模式在贛南離子型稀土尾礦土壤改良中的潛在作用及機制。這種采用生物改良劑結合功能性微生物協同修復的方式，為離子型稀土尾礦退化土壤的生態修復提供了新思路，但目前尚屬起步階段。

4 挑戰與展望

盡管有色金屬尾礦土壤化生態修復技術已經取得了顯著進展，但仍面臨一些挑戰：

1）技術集成。單一的修復技術難以解決尾礦土壤化的復雜問題，往往需要多種技術聯合應用。

2）經濟性。尾礦土壤化需要添加有機、無機、復合改良材料，材料成本往往較高，制約了其大規模推廣應用。

3）長效性。部分修復技術的效果難以長期維持，需要進行長期的監測和維護。

未來尾礦土壤化生態修復技術的發展應重點關注以下2個方面：

1）技術創新。未來應不斷研發更加高效、低成本的土壤改良材料，新型綠色高效復合改良劑，以及改良劑結合功能性微生物（細菌、真菌）的協同修復技術，提高尾礦土壤化生態修復的效果和可持續性。

2）政策支持。加強政府對尾礦土壤化生態修復的支持力度，促進高效、經濟、環境友好型土壤化改良技術的推廣應用。制定相關政策和標準，規范各類生產礦山尾礦土壤化的有關制度體系和工作機制，特別是修復后的監測評價工作。

5 結 論

1）有色金屬礦山尾礦產生量大、成分復雜、重金屬含量高、利用率低，堆存存在極大的環境安全隱患。以尾礦土壤化改良形成的“人造土”為植被生長基質進行生態修復是一種新型的綠色、高效和可持續的尾礦綜合利用方式。

2）綜述了鉛鋅尾礦、銅尾礦、黃金尾礦及稀土尾礦的土壤化技術現狀，尾礦土壤化改良主要包括物理化學處理法和生物處理法，通過物理、化學、生物作用調整尾礦的酸堿度、重金屬賦存形態、持水保水能力和透氣結構，提高基質養分含量，為植物定植和生長提供條件，達到尾礦土壤化的目的。

3）針對有色金屬尾礦土壤化生態修復技術面臨的技術集成難度大、經濟性及長效性差等問題，未來應重點關注2個方面：一是技術創新，不斷研發更加高效、低成本的土壤改良材料，新型綠色高效復合改良劑，以及改良劑結合功能性微生物（細菌、真菌）的協同修復技術，提高尾礦土壤化生態修復的效果和可持續性；二是政策支持，加強政府對尾礦土壤化生態修復的支持力度及土壤化改良技術的推廣應用，制定相關政策和標準，特別是修復后的監測評價工作。

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Research progress on tailings soilification and ecological

restoration technologies for non-ferrous metal mines

Abstract：Non-ferrous metal mine tailings are characterized by large quantities，complex compositions，high heavy metal content，and low utilization rates.The stockpiling of these tailings not only occupies vast tracts of land but also poses potential environmental pollution risks.Using \"artificial soil\" formed by tailings soilification as a substrate for ecological restoration represents a novel，green，efficient，and sustainable approach to comprehensive tailings utilization.This paper elaborates on the typical soilification technologies for non-ferrous metal mine tailings，analyzes the current status of soilification technologies for lead-zinc，copper，gold，and rare earth tailings，discusses the challenges in utilizing soilified non-ferrous metal tailings，and provides a forward-looking perspective to offer a reference for the green and comprehensive utilization of large-scale tailings from non-ferrous metal mines.

Keywords：non-ferrous metal mines;tailings soilification;comprehensive utilization;ecological restoration;copper tailings;lead-zinc tailings;gold tailings;rare earth tailings