離子型稀土礦開采環(huán)境問題及廢棄地修復(fù)治理研究進(jìn)展

鄭先坤，馮秀娟，2，陳哲，朱易春

(1.江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)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(yè)維生素”，廣泛應(yīng)用在能源、交通、電子、航天等40多個(gè)行業(yè)，是高精尖行業(yè)不可或缺的、極具戰(zhàn)略價(jià)值的礦產(chǎn)資源[1]。隨著各行各業(yè)對(duì)稀土的需求增大，稀土的開采量也與日俱增。據(jù)報(bào)道，中國(guó)已成為世界上最大的稀土生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，以全球31%的稀土存儲(chǔ)量供應(yīng)著世界90%以上的消費(fèi)量[2]。這種過度的開發(fā)利用雖帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，但給環(huán)境帶來難以逆轉(zhuǎn)的損傷和生態(tài)破壞。而南方離子型稀土礦是我國(guó)三大稀土礦生產(chǎn)體系之一，承擔(dān)著我國(guó)稀土總產(chǎn)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(yùn)動(dòng)”，開采時(shí)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(huán)境問題[4]。后期開發(fā)出的原地浸礦工藝，雖避免了大規(guī)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(zhǎng)、水體氨氮超標(biāo)等生態(tài)問題。

當(dāng)前，國(guó)家宏觀環(huán)保政策不斷收緊，對(duì)工礦用地的環(huán)境治理工作要求也不斷加大，稀土礦區(qū)開采產(chǎn)生的廢棄地作為南方離子型稀土開采環(huán)境產(chǎn)生的歷史遺留地，逐漸受到重視[5]。故此，本文系統(tǒng)的介紹了不同生產(chǎn)工藝帶來的環(huán)境問題及相關(guān)修復(fù)治理技術(shù)研究進(jìn)展，以期為礦區(qū)環(huán)境修復(fù)治理提供參考。

1 離子型稀土開采工藝及產(chǎn)生的環(huán)境問題

1.1 桶浸工藝及產(chǎn)生的環(huán)境問題

離子型稀土礦自發(fā)現(xiàn)開采之日起至今已有50年的歷史，歷經(jīng)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(huán)境問題也不相同。為了全面了解離子型稀土礦環(huán)境問題形成原因，從開采工藝原理出發(fā)，分析其對(duì)各環(huán)境因子產(chǎn)生的影響。

依據(jù)南方風(fēng)化殼淋積型稀土賦存特點(diǎn)，我國(guó)科技工作者研究出電解質(zhì)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(huì)產(chǎn)生高濃度的廢水，流入周邊水體，造成水體酸化[6]。同時(shí)，相當(dāng)一部分的氯化鈉殘存于浸礦廢渣中，導(dǎo)致土壤鹽化，影響動(dòng)植物生長(zhǎng)。由于每次浸取量?jī)H有十幾公斤礦石，工人勞動(dòng)工作量大，生產(chǎn)規(guī)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(chǎn)生的環(huán)境問題

池浸工藝是為了克服桶浸工藝生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)開發(fā)出來的。該工藝是將采集的稀土礦石先經(jīng)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(fēng)化層稀土，嚴(yán)重破壞礦區(qū)的地形地貌，被稱為“搬山運(yùn)動(dòng)”[8]。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)1 t的稀土產(chǎn)品要產(chǎn)生300 m3的表土剝離物，植被破壞面積160～200 m2，池浸完成后產(chǎn)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(qū)土壤沙化及水土流失量1 200萬m3[9-10]；開采的環(huán)境成本約為203 050元/t[11]。同時(shí)這些剝離物使土壤理化功能嚴(yán)重破壞，尾砂和浸取廢液的隨意堆排，梅雨時(shí)節(jié)在雨水沖刷下致使浸取劑及溶出的重金屬流入周邊農(nóng)田及水體，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[9]。該工藝生產(chǎn)時(shí)往往“采富棄貧”，資源利用率低；有時(shí)為了降低成本，將浸取池建立在山腰位置，產(chǎn)生的剝離物和尾砂就近堆放在山腰下方，導(dǎo)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(jí)版，通過使用大型機(jī)械設(shè)備提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。但其剝離表土、開挖礦體、筑堆浸礦的工序沒變，因而對(duì)環(huán)境的影響與第一代工藝相比更嚴(yán)重，產(chǎn)生更多的尾砂和表土剝離物，對(duì)礦山生態(tài)破壞性更大。

1.3 原地浸礦工藝及產(chǎn)生的環(huán)境問題

原地浸礦是離子型稀土開采的第三代工藝，被認(rèn)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(guī)模開挖山體的弊端，僅需將開采區(qū)域劃分為不同的礦塊，然后布設(shè)注液井及浸取母液收集巷道，減輕了對(duì)山體地貌和生態(tài)植被的破壞。但在原地浸礦過程中，由于收集系統(tǒng)不完善、防滲層滲漏、毛細(xì)管作用等原因，導(dǎo)致開采過程中會(huì)有部分氨氮泄露進(jìn)入礦區(qū)，從而使得礦區(qū)周邊水體與土壤中積累了大量的氮化物[12]，這些浸礦劑會(huì)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(fā)水土流失[13]。氮化物中的硝態(tài)氮帶負(fù)電，不易被土壤中膠體物質(zhì)吸附，在雨水沖刷下，極易與水體一起向下滲流，假若底板發(fā)育不全，很容易造成地下水硝酸鹽污染。對(duì)稀土母液提純工藝中產(chǎn)生的廢液氨氮濃度高達(dá)3 500～4 000 mg/L，受雨水沖刷使礦體內(nèi)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(dá)80～110 mg/L，冬季因水體流動(dòng)性差，濃度達(dá)到90～160 mg/L，很容易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化；并且高濃度的氨氮會(huì)使水生動(dòng)植物中毒甚至死亡[14]。在《廣東省大埔縣五豐礦及擴(kuò)大區(qū)稀土礦環(huán)境影響報(bào)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(huì)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(fā)生置換反應(yīng)后，硫酸根離子則留在礦體內(nèi)部，硫酸根離子會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)，并對(duì)土壤中的重金屬離子的遷移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響。同時(shí)，持續(xù)的注液破壞了土壤的粘結(jié)性，降低了礦體內(nèi)部各層間的內(nèi)摩擦力，使得滑動(dòng)面的抗剪切力大大減弱，引發(fā)山體滑坡[15]。

2 離子型稀土礦廢棄地修復(fù)治理研究

目前，《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2011年)》及《中國(guó)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(yè)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(huán)境問題概括起來主要包括土壤荒漠化和水體污染。針對(duì)這兩方面問題，研究趨勢(shì)為源頭控制技術(shù)和末端治理技術(shù)，源頭控制技術(shù)就是針對(duì)原地浸礦工藝流程，采用清污和人工防滲措施，控制降雨對(duì)礦區(qū)污染物遷移進(jìn)而加重對(duì)環(huán)境的污染[16]。或是開發(fā)新型的無氨浸取劑，降低對(duì)環(huán)境的損害[17]。而末端治理技術(shù)是針對(duì)池浸法、堆浸法、原地浸礦法開采后對(duì)產(chǎn)生的土壤荒漠化和水體污染問題進(jìn)行修復(fù)治理的技術(shù)。

2.1 土壤荒漠化修復(fù)治理技術(shù)

土壤荒漠化主要體現(xiàn)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(zhì)。隨著稀土礦開采時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤中的酸性物質(zhì)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(shí)南方許多地區(qū)酸雨都很嚴(yán)重，酸雨會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致土壤酸化，且較低的 pH值會(huì)加劇重金屬的溶出和毒性并直接危害植物生長(zhǎng)。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(dǎo)致土壤酸化的主要誘因[19]。由于采礦技術(shù)落后，山體表層土遭到嚴(yán)重破壞，致使礦區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮、磷和鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量流失，土壤理化性質(zhì)完全被破壞。如定南縣某稀土礦區(qū)經(jīng)采礦結(jié)束后，土壤質(zhì)量嚴(yán)重退化，土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、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(yǎng)分嚴(yán)重匱乏且極不均衡。礦工藝結(jié)束后，浸提劑在帶走土壤中稀土元素的同時(shí)也帶走土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，破壞土壤整體結(jié)構(gòu)，是造成土壤質(zhì)量嚴(yán)重退化的主要因素[20]。針對(duì)土壤荒漠化問題，現(xiàn)有的技術(shù)有土壤改良、植被修復(fù)、微生物修復(fù)等。

2.1.1 土壤改良技術(shù) 針對(duì)離子型稀土存在的土壤荒漠化問題，修復(fù)的首選工藝即為土壤改良技術(shù)。不管是池浸、堆浸還是原地浸礦工藝，皆使礦區(qū)廢棄地土壤層完全破壞，而土壤是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的底層系統(tǒng)。所以，恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，必須改善土壤理化性質(zhì)和土壤肥力。依據(jù)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(rùn)土、石灰石等礦物，它們不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)、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(jī)質(zhì)聯(lián)用對(duì)某稀土廢棄地土壤改良，發(fā)現(xiàn)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(duì)龍南足洞礦區(qū)土壤進(jìn)行改良研究，并探究了土壤改良劑對(duì)礦區(qū)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(guān)注[23]。它們能夠增大土壤團(tuán)聚體進(jìn)而保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(yōu)點(diǎn)結(jié)合，調(diào)配出最優(yōu)占比，最大程度改善土壤物化性質(zhì)。朱李俊[24]以贛州某稀土礦區(qū)土壤為供試土壤，采用鋼渣、有機(jī)肥及不同比例聚合物改良土壤，發(fā)現(xiàn)兩者的協(xié)同作用既增加土壤的肥力又能調(diào)節(jié)土壤的酸堿度。

2.1.2 植物修復(fù)技術(shù) 植物修復(fù)技術(shù)是備受歡迎的清潔環(huán)保、綠色原位修復(fù)技術(shù)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(zhuǎn)移到根部、莖葉、果實(shí)等部位，達(dá)到去除污染物的目的，具有效果好、投資小、易管理和不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)。離子型稀土礦土壤中不僅有大量的稀土元素，同時(shí)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(yīng)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(shí)，研究礦區(qū)當(dāng)?shù)氐鸟R唐草、芒箕、芒草、馬尾松等品種具有很好的修復(fù)效果。除此之外，魏光普等[26]發(fā)現(xiàn)海綿植物(指對(duì)污染物吸收系數(shù)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(nèi)形成特殊的耐受機(jī)制。張艷[27]以定南縣某稀土廢棄地土壤為對(duì)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(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們都能提高土壤的保肥能力，并顯示出較強(qiáng)的耐受性。在實(shí)驗(yàn)期內(nèi)，植被的覆蓋率最高達(dá)80%，雜交狼尾草覆蓋速度最快，覆蓋也最穩(wěn)定。但不管選用何種植物，必須結(jié)合廢棄礦區(qū)環(huán)境特點(diǎn)和特征污染物，合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)，才能有更好的處理效果。

2.1.3 生物修復(fù)技術(shù) 生物修復(fù)技術(shù)是通過篩選或培養(yǎng)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(tài)毒性或降解無毒物質(zhì)的土壤修復(fù)技術(shù)[28]。與傳統(tǒng)的物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，該技術(shù)具有較強(qiáng)的環(huán)境友好、不產(chǎn)生二次污染、成本低等特點(diǎn)，成為土壤修復(fù)的熱點(diǎn)研究技術(shù)之一。稀土礦區(qū)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(fù)礦區(qū)土壤的首要條件。目前，關(guān)于生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用在稀土礦區(qū)的不多，僅李兆龍等[29]對(duì)離子型稀土礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過程后土壤微生物數(shù)量變化進(jìn)行研究。孫峰等[30]僅限于研究稀土元素對(duì)土壤微生物有效性研究。所以，建議加強(qiáng)關(guān)于這方面的研究，推動(dòng)生物修復(fù)技術(shù)在離子型稀土礦礦區(qū)的應(yīng)用。

2.2 水體污染修復(fù)技術(shù)

對(duì)于稀土礦區(qū)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(shí)，由于注液管道泄露、防滲層破裂等原因，導(dǎo)致含有硫酸銨的廢液隨降雨淋濾匯流進(jìn)入礦區(qū)周邊水體，造成地表水體中氨氮含量嚴(yán)重超標(biāo)，威脅水生動(dòng)植物安全，破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[31]。當(dāng)前，對(duì)于高濃度的氨氮廢水處理工藝很多，包括膜分離法、化學(xué)沉淀法、離子交換法、電化學(xué)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(shù)處理稀土開采廢水，在經(jīng)過兩級(jí)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(duì)濾出的稀土元素富集回收。蔚龍鳳等[36]提出“有機(jī)相-脫磷-去除重金屬-分級(jí)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(dá)標(biāo)排放。朱健玲等[37]采用接觸膜脫氨法處理實(shí)際礦山廢水，使出水濃度低于15 mg/L，并且該系統(tǒng)具有集成化、自動(dòng)化特點(diǎn)，可在南方偏遠(yuǎn)稀土礦區(qū)內(nèi)推廣使用。

3 結(jié)論與展望

當(dāng)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(huán)境質(zhì)量相關(guān)政策也持續(xù)落地。因此，綜述離子型稀土環(huán)境問題與相關(guān)處理技術(shù)具有重要的理論意義與現(xiàn)實(shí)意義。本文以相關(guān)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(guān)治理技術(shù)逐一介紹。結(jié)合當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)的新要求，關(guān)于廢棄地的修復(fù)還需要從以下幾個(gè)方面入手：①當(dāng)前離子型稀土礦開采的主要工藝為原地浸礦，為進(jìn)一步減少浸礦劑對(duì)環(huán)境的影響，應(yīng)研發(fā)新型環(huán)保的無氨浸取劑，從源頭上控制污染源；②廢棄地生物修復(fù)技術(shù)嚴(yán)重滯后其他技術(shù)，應(yīng)加大生物修復(fù)技術(shù)的研究；③礦區(qū)土壤理化性質(zhì)不適宜一般植物生長(zhǎng)，要繼續(xù)篩選適合礦區(qū)生態(tài)修復(fù)栽種的植物品種及配型并研究，重構(gòu)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)。