离子吸附型稀土矿区土壤环境问题及修复建议

冯慧敏，李海渤

（韶关学院英东农业科学与工程学院，广东 韶关 512005）

稀土（Rare Earth，RE）指镧系元素的15种元素以及与镧系相关的钪和钇，其中，镧、铈、镨、钕、钷为轻稀土，其他为中重稀土。稀土素有“工业维生素”之称，广泛应用于冶金机械、电子信息、能源交通、国防军工等领域。我国稀土储量占世界的23%，在分布上呈“北轻南重”趋势[1]：轻稀土以包头白云鄂博铁稀土矿为代表，而广泛分布于我国湖南、江西、福建、广东等省的离子吸附型稀土矿富含中、重稀土，其储量占世界80%[2]。

我国离子吸附型稀土矿开采始于20世纪70年代，经历了池浸、堆浸、原地浸矿3种工艺，在开采过程中，均造成一定的环境污染。池浸、堆浸的地表剥离面大，植被破坏严重，资源利用率只有30%～40%[3]；1995年后开始使用原地浸矿工艺，资源利用率可达70%[4]。由于历史上采用池浸和堆浸工艺时间较长，造成大量的裸露废弃地和尾砂淤积地；原地浸矿在很大程度上缓解了对生态环境的破坏，但稀土浸出液易渗漏，造成地下水污染，难于管控。

因此，无论是历史开采的遗留矿山废弃地环境问题还是现有原地浸矿工艺带来的环境问题，都是有待解决的难题。本文通过总结离子吸附型稀土矿区土壤环境问题，分析适合该类矿区土壤修复技术，为我国南方离子吸附型稀土矿区土壤修复提供参考。

1 离子吸附型稀土矿区土壤环境问题

特殊的开采方式、浸矿剂的使用以及南方红壤的酸、黏、瘦等特点[2]，造成了离子吸附型稀土矿区表土剥蚀、植被破坏、水土流失、土壤污染等诸多问题，严重影响周边环境。

1.1 池浸、堆浸历史遗留环境问题

池浸、堆浸工艺，不仅资源利用率低，对环境的破坏也很大，每生产1t稀土，可破坏地表植被160～200m2，剥离表土300m3，形成尾砂1000～1600m3，产生浸矿废液1000～1200m3[4]。池浸工艺高浓度氯化钠浸矿剂的使用，可造成土壤和地下水污染，甚至使土地盐碱化[5]。池浸、堆浸过程中，硫酸铵参与完反应后，仍以铵根、硫酸根离子形式大量存在于反应池中，可通过渗滤作用进入地下水、河流[6]。

1.2 原地浸矿工艺开采稀土矿引发的环境问题

原地浸矿工艺不剥离表土、不开挖矿体，直接通过注液孔将浸矿液注入矿体，从集液沟收集稀土母液，该工艺浸矿后3～5年内地表植被基本自然恢复如初[3]。有学者认为，该工艺基本不破坏农田，无尾砂产生，其破坏植被面积为池浸的6%～9%，不易造成水土流失、生态破坏等严重危害。但实际上该工艺仍会破坏山体植被、污染水体，并可引发和加剧地质灾害的发生[8]。

1.2.1 植被破坏及山体滑坡

原地浸矿开挖注液井、集液沟和人工踩踏会破坏约1/3植被[5]；另外，浸矿液硫酸铵浓度为3%，浸矿开采150～400天，可造成部分地表植被枯死，破坏植被[7]。

原地浸矿过程中，每年均有滑坡事故发生，其注液工艺、矿体的赋存条件、降雨等都可能导致滑坡，如赣州龙南地区2006年共有滑坡401个[8]。

1.2.2 水质及土壤污染

（1）水体及土壤酸化、氨氮超标

土壤硫酸盐和氨氮超标是原地浸矿的主要环境问题。由于浸矿液直接注入山体，集液方式原始，泄漏现象时有发生，造成土壤中残留部分硫酸铵；原地浸矿需使用过量的硫酸铵（高于池浸、堆浸的用量），每开采1t稀土氧化物（REO），需注入7～8t硫酸铵溶液，导致矿体中残留的硫酸铵较高，致使矿山整体酸化、深层氨氮富集，矿区地表水酸化，土壤酸化；产生的废水氨氮严重超标，高达3500～4000mg/L，超过作物生长适宜含量的4～6倍。某原地浸矿注液开采1500天后，矿体下游地下水氨氮浓度从注液前的0.16mg/L增至66.2mg/L；如若发生滑坡，注液井、集液沟、地表工程遭到损坏，则大量浸矿剂外流，加剧污染水体[5、6、9～10]。

（2）稀土和重金属污染

浸矿后，残留在土体中的硫酸铵溶液会随水迁移，并将含矿风化带中残留的稀土带入下游水体，污染水质。集液沟内稀土母液的渗漏液收集不完全，造成稀土元素的流失，也污染了水体及土壤。

离子型稀土矿浸出液含有Cd2+、Pb2+、Zn2+、Mn2+、Cu2+等重金属离子，在雨水淋溶作用下，可将稀土和重金属离子带入下游水体，若集液沟防渗不当，含重金属和稀土的废液可能污染地下水和土壤，此外，南方土壤多呈酸性，低pH值会加剧重金属的溶出和毒性，铵根离子与稀土离子交换吸附的同时会将矿土中重金属活化，流入水体，污染水和土壤[6、11～13]。

1.2.3 尾矿砂的产生

原地浸矿工艺每生产1t稀土产品产出的尾矿比池浸工艺约少220t，坡沟谷底仍会淤积大量泥沙[14]。截至2011年，赣州市稀土尾矿砂累计存量1.9×109t，毁坏地表面积累计116km2，尚未治理矿区面积101km2。尾砂地残留的硫酸铵易随水土流失进入水体，造成氨氮和硫酸根污染，此外，稀土矿区土壤中稀土含量较高[15]。

1.3 矿山废弃地大量留存

矿山开采后遗留了大量的矿山废弃地。就赣州市而言，稀土开采污染遍布赣州市18个县（市、区），涉及废弃稀土矿山302个，遗留尾矿1.91亿t[16]。

2 土壤污染修复技术

2.1 矿山土壤主要修复技术

目前国内矿山污染土壤修复技术主要有[17]：1）物理工程修复：采用客土、换土、淋洗法等，物理工程措施适应性广、处理效果较为显著，但投资大，仅适用于小面积的重污染土壤修复；2）化学修复：加入土壤改良剂，改变重金属在土壤中的存在状态，降低其生物有效性和迁移性。该法易于实施，但改良剂会与污染土壤中物质发生反应，造成二次污染的风险；3）植物修复：通过植物及其根际微生物的吸附、降解、固化等作用，对污染土壤进行修复，具有成本低、无二次污染等优点[18]。植物修复有植物提取、植物挥发和植物稳定三种类型，其中，植物提取是最彻底、最有发展潜力的，该技术通过超累积植物超量吸收重金属，并将其转移到地上部，收获植物、回收重金属。目前发现的超积累植物主要有[19～22]：Pb超积累植物东南景天；Cd超积累植物：东南景天、龙葵等；As超级累植物：蜈蚣草、大井口边草；Zn超积累植物：双穗雀稗、东南景天、宝山堇菜、土荆芥、香根草等，以及Mn超积累植物商陆，此外百喜草可富集Cu；4）联合修复技术：一般来说，采用物理或化学与植物的联合修复技术比单一的修复技术具有更好的效果。

2.2 离子吸附型稀土矿区土壤主要修复技术

目前国内的离子吸附型稀土矿历史遗留废弃地的修复，主要采取工程措施与植物措施相结合的方式，包括排水工程、整地工程、植被恢复工程和护坡工程，栽植乔、灌、草等植被。原地浸矿工艺在施工期要做好排水工程、植被恢复工程，在采矿后要进行整地工程（回填、平整）和植物修复，也可同时结合物理、化学措施联合修复[18、23]：1）工程措施：建立挡土墙、拦渣坝、修建梯田等，采用客土、覆土法修复小面积土壤；2）物理改良：加入固化剂（工业矿物、石灰、粉煤灰、水泥等）改变土壤理化性质及稀土元素的迁移和生物有效性；3）化学改良：加入化学改良剂（石灰、磷石灰、羟基磷石灰等），也可加入重金属螯合剂、表面活性剂等提高修复效果，成本相对较低，可以大面积推广；4）植物修复：植被修复是矿区生态恢复的主要内容和目标。通过利用植物吸收、富集、固定、降解土壤和水体中的污染物并减少或避免水土流失，同时增加植被覆盖率。另外，为保持水土、防渗等，矿区一般采取一定的工程措施，如：矿区下游修建环保坝、拦截含氨氮废水等。

植物修复的技术关键是选择适应当地环境、有较强耐受性的植物（如胡枝子、紫穗槐、刺槐、狗牙根、紫花苜蓿、油桐、香根草、马塘草、虮子草等），耐旱、耐贫瘠、根系生长迅速、易于在矿山废弃地存活的植物，可有效防止水土流失，如根系发达的金色狗尾草、马塘草等[18、24]；同时选择能固定或富集重金属超积累植物（东南景天、印度芥菜、龙葵、蜈蚣草、大井口边草、双穗雀稗、宝山堇菜、土荆芥、香根草、商陆、百喜草、海洲香薷、鸭跖草、圆锥南芥等[25]）和稀土元素的超积累植物（柔毛山核桃、山核桃、乌毛蕨芒萁、白算盘子、美洲商陆等[11]）；另外，为改良土壤可选择绿肥作物[21]。

禾本科和豆科植物是金属矿区的首选修复植物，如狗牙根、百喜草、香根草、马塘草。百喜草、香根草等对酸性条件、重金属胁迫有强耐受性，香根草在广东省乐昌市某铅锌尾矿植被修复中应用成功，其根系可达3～4m，可保持水土、防止滑坡；豆科植物是天然土壤改良剂，也是优质的生物肥源，如：胡枝子和金合欢、山毛豆、木豆、紫花苜蓿等，沙打旺、胡枝子和苜蓿等在国内外矿业废弃地修复中广为应用[18、22、25]。

柳树也可用于修复土壤重金属污染[2]；稀土尾砂含部分微量元素，在黏土含量高的池浸、堆浸区，通过土地平整、稳定化处理后，可种植脐橙、油茶等[16]。原地浸矿结束后，可回填注液井、采用一孔一株的方法种植林木，如杉木、湿地松，防止水土流失、山体滑坡[16、27]；稀土矿区土壤铵根离子丰富，适合桉树生长，其生长周期短、成活率高达90%以上，同时种植桉树还有一定经济效益（造纸）[28]。

3 离子吸附型稀土矿区土壤污染修复对策与建议

由于离子吸附型稀土矿区除土壤污染问题外，还存在着水土流失、山体滑坡、植被破坏等问题，其土壤修复首先考虑恢复植被、保持水土、防止滑坡，然后才能有效治理土壤污染，进一步提高土壤肥力、恢复生产。

我国南方地区雨热资源丰富，植物修复技术可行、有效。因此，建议离子吸附型稀土矿区土壤修复以植物修复为主、工程措施为辅，在开采期做好防渗、排水工程，建立拦截坝；浸矿后，做好整地工程、回填山体、平整土地、修建梯田等。

宜选择适应稀土矿区环境的植物，分散乔、灌、草，林木可利用原地浸矿后的注液井，采用一孔一株的方法种植。1）保持水土：推荐种植杉木、湿地松、桉树、刺槐、紫穗槐、油桐、狗牙根、香根草、马塘草、金色狗尾草、虮子草等；桉树吸收土壤养分及水分过快，可与其他植物争夺养分，不建议长期种植；2）土壤污染修复：可种植柳树、山核桃、东南景天、香根草、龙葵、百喜草、商陆等；3）培肥土壤：可种植紫花苜蓿、胡枝子等豆科作物；4）土壤环境质量达标后，可种植脐橙、油茶等经济林。

矿区周边农田土壤污染则需考虑采取植物修复法与化学法联合修复，辅以工程措施，也可结合农艺措施：通过修建梯田、分散种植乔、灌木保持水土，种植超积累植物清除土壤污染、种植绿肥作物提高土壤肥力，可配施有机肥提高土壤肥力、增强土壤螯合重金属的能力，增施石灰等调节土壤pH值，降低重金属的有效性等。

4 结语

南方离子吸附型稀土矿因地理分布、开采方式，导致其产生特殊的环境问题，也决定了其土壤修复技术与其他矿区有所不同。在原地浸矿开采之初应构建好工程措施，做好防渗设施、排水工程，加强监管，防止山体滑坡的发生；在开采后，应开展整地工程，尽快种植林草保持水土、提高地力，缓解土壤污染，对于矿区周边的农田则应在植物修复的基础上，配合农艺措施、化学法等进行修复，以保证农产品产地的安全。