离子型废弃稀土矿山迹地生态修复技术介绍

史红平，罗忠斌，温冬妮

广东中联兴环保科技有限公司

作者简介：史红平，男，汉，硕士研究生，主要从事环境修复方向工作。

摘要：长期开采稀土矿山已对我国南方当地生态环境系统造成严重的破坏，产生大面积的稀土矿山废弃地及严重的环境问题。针对上述由稀土矿山经原地浸矿工艺开采后造成的环境问题，本文系统性地介绍了离子型稀土矿山迹地生态修复技术，主要包括：遗留物治理工程、生态恢复工程、雨污分流工程、水质净化工程。该技术对运用生态修复的方法治理稀土矿山废弃地的前景提供了思路。

关键词：原地浸矿、生态恢复、雨污分流、水质净化

Abstract: In southern China, as long-term mining of rare earth mines, which has caused serious damage to the local ecological environment system. Generating in a large area of rare earth mines and serious environmental problems. In view of the environmental problems caused by in-situ leaching mining of rare earth mines, this paper systematically introduces the ion type rare earth mines of ecological restoration technology. It mainly includes: legacy treatment project, ecological restoration project, rainwater and sewage persion project, and water purification project; This technology provides a way of thinking for the application of ecological restoration to the treatment of rare earth mines wasteland.

Key words: in situ leaching, ecological restoration, persion of rainwater and sewage, water purification

1. 引言

20 世纪70年代，南方稀土矿开采以池浸为主，被称为“搬山运动”^[1]，即剥离开采区地表的全部植被和土壤，获取稀土矿，完全破坏原土壤层；开采结束后，以裸露基岩的形式接受大自然的侵蚀；同时使用大量药剂，在渗透和淋滤作用下，废水对土壤和水体形成污染。

堆浸工艺是将矿山地表植物砍掉，剥离表土并开挖矿体，矿土挖好后搬运到异地进行筑堆，再采用硫酸铵进行浸矿，浸出液经收集后再经过除杂、沉淀、灼烧等工序即可得到离子型稀士产品^[2]。堆浸工艺存在如下问题：①稀土资源利用率不高，挖矿时常发生“采易弃难”、“采富弃贫”等现象，导致稀土资源利用率往往不高。②矿山生态环境破坏严重，土地出现荒漠化。此外，废弃稀土矿区土壤偏酸性、营养元素缺失，植被很难生长。③污染矿区周围水土。矿堆浸矿后残留大量硫酸铵，被雨水淋滤出来后极易渗入矿区周围的土壤及水源。④堆场存在安全风险。堆浸平台衔接坡面多为高陡边坡，毫无防护，在降雨条件下，极易发生崩塌或者滑坡。再加上堆场无植被覆盖，下雨极易发生径流，尾砂被雨水冲刷形成泥石流，淹没农田、淤积河道等^[3,4,5]。

20世纪90年代开始，原地浸矿工艺广泛用于我国南方稀土矿的开采，有效缓解了矿区地形、地貌和地表植被的破坏，降低了水土流失程度^[6,7]。尽管如此，原地浸矿工艺仍会产生比较严重的生态环境问题，如过量使用化学药剂，污染矿区土壤和水体，改变土壤的化学环境；使矿山酸化，土壤贫瘠，氨氮富集；大量的注液井、浅槽及集液沟等，加剧了山体滑坡、泥石流等地质灾害。过去由于受限于稀土矿山开采方式以及滥采盗采等现象，浪费了大量的稀土资源，形成了规模较大的矿山废弃地，对矿区及其周围居民区造成了严重影响^[8,9,10]。

针对原地浸矿开采造成的这一系列环境问题，本文从整体上对废弃稀土矿山的治理提出系统性的治理思路。

2. 原地浸矿工艺及环境问题

   1. 原地浸矿工艺

原地浸矿是指在不剥离表土开挖矿石、不破坏矿体地表植被的情况下，在富含矿物的山体上布置一定数目的注液井，将能交换稀土离子的电解质溶液通过注液井注入矿体中，使其与稀土矿物发生交换解吸作用，稀土离子进入溶液而形成母液后通过导流孔流出矿体，进入循环工艺池内，再利用碳铵或草酸等沉淀剂对母液进行处理，提取稀土

^[11]。

1. 2. 环境问题

      1. 水土污染严重

（1）土壤酸化和土壤荒漠化

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，pH值一般在4.0～5.5。

土壤荒漠化主要是因为在开采过程中，大量注入硫酸铵或者碳酸铵等浸矿药剂，导致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，造成土壤质量严重退化。

（2）水体酸化、氨氮超标

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。

原地浸矿一些项目地多为粗放式盗采工艺，无相关的地质勘探；高位池、注液孔、集液巷道等设施无序设计；无监测井（孔）和环保观测井等措施；注液浓度没有按照山体中的稀土元素品质进行注液，有的甚至直接将固体离子交换剂倾倒入山体注液孔中，用水进行冲溶，造成山体外排渗水pH值下降和氨氮严重超标。

1. 1. 2. 山体地质灾害隐患加剧

原地浸矿工艺由于其持续的、过量的注液，破坏了土壤的粘结性，降低了矿体内部各层间的内摩擦力，改变斜坡的内部结构，破坏斜坡原有的应力平衡。由于大量浸矿液的入渗，导致地下水位大幅度上升，长期浸泡坡体。不仅起到了与地表水入渗时同样的作用，而且增大了矿体的含水量，降低矿体抗剪强度，同时对坡体起到了浮托作用，降低了斜坡土体的抗剪强度。另一方面，由于水位的升高，增大了边坡的静、动水压力，在斜坡处形成了较大的水力坡度，增加了水对斜坡的侧压，从而使边坡稳定条件恶化，引发滑坡灾害。

3. 原地浸矿矿区治理思路

根据前期的原地浸矿相关背景资料查找及现场勘查，结合矿区条件，在水质改善方面，一是通过遗留物处置措施对污染物源头进行控制和削减：对场内原地浸矿遗留下的管道、塑料薄膜和其他遗留物进行清理并集中处理，对遗留工艺如高位池、注液孔和集液巷道等工艺设施添加污染物控制处理剂，并封堵处置，减少污染物渗出；二是通过矿山雨污分流工程，即在山体设置截流、引排措施减少水下渗析出的污染物；三是通过生态沟渠工程对水中的污染物进行处理：山底中建设阶梯式生态沟渠，增加径流水停留时间，利用植物和微生物的吸收减少污染物浓度；四是生态恢复方面，根据崩岗裸露区域实际情况因地制宜上工程措施，通过地形整理、边坡防护、截流引排工程、土壤改良及植被生态恢复等，减少水土流失，改善地力条件，恢复项目矿区部分被破坏的生态环境；五是通过水质净化工程实现末端水质处理，保证出水满足要求：即依据进水污染物浓度、进水量等合理设计人工湿地，及建设对污染物有处理能力的复合生态透水坝水质净化工程。

图 1 技术路线图

4. 治理方案设计

针对原地浸矿工艺开采后存在的环境问题，其综合治理工程一般分4大方面，分别是遗留物治理工程、生态恢复工程、雨污分流工程、水质净化工程等。

1. 1. 遗留物治理工程

根据矿区废弃物分布的情况，项目将矿区内开采遗留下的PVC管、塑料膜、过滤布等物料清理出矿区，经毒性鉴定后规范处置。高位池、注液孔、收液巷道、收液孔等使用透水性较差的土壤进行封堵，或者根据现场实际情况做防渗排水设施。结合土壤污染情况，在封堵过程中添加适量污染物去除剂。原有浸矿系统被妥善封堵后，山体地表径流系数会提高，减少雨水进入山体，继而减少污染物的浸出。

1. 2. 生态恢复工程

生态恢复工程主要针对矿区植被破坏、地表裸露的区域。结合原地浸矿的特点，可进行场地平整、边坡防护、截排水工程、土壤改良以及植被重建等五大方面的治理方案，通过工程与生态相结合的措施，采用“边坡稳定+反坡汇水+截蓄排水+植物修复”相结合的手段进行修复，实现减少水土流失，提高植被覆盖率，通过稳定植被截流增大截蓄排水的效果，更大程度上从源头控制污染物的输出^[12]。

图 2 反坡汇水示意图

1. 1. 1. 截排水系统

截蓄排水系统的建设是为了将干净的雨水及时有效的截流、蓄集、导排至矿区下游，通过减少大量雨水下渗而浸出残存在山体中的铵离子，达到控制污染物输出的目的。因此科学系统的设置截蓄排水系统是治理原地浸矿稀土矿区水污染的关键，在设计之初要明确矿区土壤的田间持水量，矿区土壤田间持水量决定了需要截蓄排走干净雨水量的大小，即矿区最大雨水下渗量要小于其田间持水量，才能确保不浸出污染物。

结合项目具体的治理目标与需求，裸露区域截水排水工程建设类型为少蓄多排型，在场地上以排水沟为骨架，细化平面上的截流沟，形成系统、完整的截水、排水体系。此外，根据场地周边环境的地形条件，按高水高排、自流排泄等原则设计场地主排水沟布设路线。

1. 1. 2. 土壤改良

针对崩岗和裸露区域土壤，筛选出对土壤最有效的改良剂种类及配比方案，辅助搭配绿肥植物，使得崩岗和裸露区域生态系统快速向正向演替。

（1）通过向土壤中添加石灰石粉、磷灰石、羟基磷灰石、钙镁磷肥等化学改良剂，增加土壤肥力，降低土壤毒性，调节土壤pH值；

（2）向矿区贫瘠的土壤中施加磷肥、钾肥等化肥和农村有机肥，有利于改善土壤养分，增强持水保肥能力；

（3）优先选择具有固氮能力的豆种植物，如胡枝子、葛藤、杨梅、沙棘等，可以增强土壤的肥力需求^[13]；

（4）向受污染的土壤中施加适量改良剂，使土壤具有一定的固肥能力，改善了植物的生长^[14]。

1. 1. 3. 植被恢复

（一）植被选择原则

（1）遵从植物生态习性，因地制宜

遵从植物生态习性，因地制宜植被重建应遵循“因地制宜，因矿而异”的原则，在树种、草皮的种属选择、工艺的采选上要与矿区所处的地理位置、气候条件、土石环境相匹配，以确保植被重建的成效。

（2）先锋性、可演替性及可持续稳定性原则

矿山废弃地植被恢复中需要尽快实现植被覆盖并发挥固土作用，所以需要选择一些适应立地条件、生长迅速的先锋植物。

广东省某稀土矿区试验了10种植物的生长情况，发现一些本地乡土植物种类对矿区废弃地的修复效果较好，如紫花苜蓿、马唐草、香根草等。根系发达的植物可增强边坡的稳定性,防止地质灾害和水土流失^[15]。

（3）具有较好的改良土壤能力，能互利共生

生态防护要考虑对植物个体与群体关系，既要快出绿化效果，也要有持久不衰，保持植物多样性，构成多物种的立体植被结构。

（4）物种选择必须考虑乔、灌、草有机结合

植物品种选择时还需考虑生物品种的多样性，由多种植物品种形成的植被群落的生态稳定性明显优于单一品种的植被群落。灌木、草本、草花等多层次、多品种的组合，形成综合稳定的复合植物生态系统。但是不能为了多样性而盲目增加植物品种，造成营造的植物群落失去应有的功能性和安全性。

（二）适宜植被选择

根据原地浸矿废弃稀土矿山的污染特性以及区域植被类型特征，有以下几种适合矿区生态修复的植被：黑莎草、芒萁、香根草、百喜草、狗牙根、紫穗槐、胡枝子、马尾松^[16]；

1. 3. 雨污分流工程

      1. 治理思路

因项目矿区的风化层和半风化层中存在大量的铵离子，在降雨条件下，雨水通过土壤下渗，进入风化层和半风化层，造成氨氮大量析出。为了有效减缓原地浸矿矿区铵离子的大量析出，使残存于土壤中的铵离子能被植物生长利用，本方案针对矿区的针阔混交林的穿透雨量、树干茎流量、树冠截留量，以及枯枝落叶层涵养水量、土壤下渗量、地表径流量作分析，结合当地降雨量及降雨强度情况，在矿区的土壤上方设计“撑伞”措施，通过有效的矿区雨污分流系统，有效降低土壤下渗水量，减少污染物的析出；并将收集到的雨水引排至下游，有效减少雨水对矿体的浸泡和淋溶。矿山雨水收集引排系统设计要因地制宜、全面规划、综合治理、经济实用，充分利用有利地形和自然水系，尽可能减少挖方、填方量，减少对植被和山体的破坏。项目区内，除部分破坏严重区域出现裸露区域外，其他区域为针阔混交林，乔灌草杂生，植物丰度高。植被与土壤系统可以将大量的将地表快速径流转化为土壤慢速流，土壤慢速径流是以壤中流、地下水流和深层地下水流出，最终流入河道。针对项目实际情况，雨污分流系统的建设应尽可能考虑地表截流，增加雨量的地表径流，减少雨量下渗，从而减少氨氮污染物的析出。

坡面地表径流调节受多种因素影响，包括气候条件(降水量、降水强度)、植被特征(类型、结构、林龄、覆盖率)、土壤条件(土壤厚度、孔隙率)、地质地形特征以及人类活动影响等，需依据项目地的降雨量、降雨强度对矿区山体穿透雨量、树干茎流量、树冠截留量、枯枝落叶层涵养水量、土壤下渗量、地表径流量等因素作分析，雨污分流工程设计具体思路如下图 3。

图 3 雨污分流系统设计思路

1. 1. 2. 灌木草本层截留引排措施

（1）乔木层树干截流措施

项目区山上林地主要为针阔混交林，针对于冠幅较大、树干径流量较多的阔叶乔木，树干的径流量可高达降雨量的百分之三十多，拟采取树干截流装置截流雨水并引排至树底下的截流沟中。截流装置设计采用具有可塑性的防老化特定截面（扇形）的橡塑复合胶带，使其蛇形缠绕于树干上（包角＞360°），胶带长边一侧紧贴树干，胶带上下各用卡槽固定，在树干与胶带中间采用填充物进行堵缝，防止雨水从树干缝中流走；再在扇形漏斗最低处配以导流管，外排树干径流的水到附近的截排流槽中，具体示意图如图 4：

图 4 树干截流示意图

（2）灌木草本层截留引排措施

对于穿透雨量较多灌木草本层，需细化截水设施。通过设置截流沟，防止雨水无序浸入山体，同时通过截流沟的截留作用将雨水引排至截水沟和排水沟中，尽量减少雨水下渗，把坡面雨水最大限度的截流引流到截水排水沟中。

1. 1. 3. 山体坡面截排水沟

（1）排水沟尽量利用原有山洪沟，必要时可作适当整修

原有山洪沟是山洪若干年来冲刷形成的，其形状、底板都比较稳定，因此应尽量利用原有的天然沟道作排洪沟。当利用原有沟不能满足设计要求而必须加以整修时，注意不宜大改大动，尽量不要改变原有沟道的水力条件，而要因势利导，畅通下泄。

（2）排水沟尽量利用自然地形坡度

以山体地形等高线的走势，决定排水沟的走向，则沿大部分地面水流的垂直方向。充分利用地形坡度，使截流的山洪水能以最短距离重力流入受纳水体。如果山体汇水面积较大，不宜将高位水沟内的汇水接到低位水沟内，需采取分区汇水及中段跌水消能等措施降低汇水的势能，保证排水沟的使用期限。此外，在最低点采用跌水台阶或管道，将水引入山谷河流。

（3）截水沟尽量减少植被破坏

山体地形高差起伏较大，陡坎洼地较多，截水沟要合理布设，既兼顾截水排水功能，又要尽量绕开乔木种植点位，避免乔木砍伐，减少对森林的破坏；另外，若根据地形而设，截水沟落差较大时，应在沟中设有小土，降低对沟体的冲击。

（4）蓄水池、沉砂池尽量利用已有地形建设

蓄水池建设利用原有的高位池、母液池、沉淀池等池体进行设置，同时在山谷自然形成的排洪沟适当加设蓄水池、沉淀池，既能起到沉砂、消能的作用，又可起到调蓄的作用。如在干旱季节，河流处于枯水期，可利用各蓄水池的蓄水进行调节，保证下游污染物缓冲区和治理区的有效性。

1. 4. 水质净化工程

水质净化工程主要拟通过生态沟渠的构建、人工湿地的建设来逐步削减径流中特征污染物-氨氮的浓度，使得外排水质达标。

1. 1. 1. 生态沟渠

（一）净化机理

生态沟渠系统是由植物、土壤底泥、微生物所组成的半自然生态系统，它可以将流经沟渠的污染物溶解或吸附在土壤颗粒表面，随沟渠坡面漫流或沟渠径流迁移，通过底泥吸附、植物吸收、微生物吸收和降解等一系列作用，降低进入受纳水体中的污染物含量。

（1）底泥吸附

沟渠底泥作为沟渠湿地的基质与载体，不仅为微生物和水生植物提供了生长的载体和营养物质，底泥本身亦具有对水体中氮磷的净化作用。底泥作为湿地的重要组成部分，对于净化污水中的污染物，对NH⁺₄-N也有很强的吸附和硝化能力^[17,18]。

（2）植物吸收

植物是生态沟渠系统的重要组成部分，其对水体中氮磷有一定的净化作用。植物对氮磷的去除主要通过物理化学、微生物转化积累和植物吸收等作用共同完成。沟渠湿地植物增加沟渠的粗糙度、阻力和摩擦力，从而降低流速，拦截泥沙，促进悬浮物的淤积，增加水深和水力停留时间，延长水中的化学反应时间，进而提高去除效率水中氮素作为植物生长过程中不可缺少的物质，可以被植物吸收合成植物蛋白质与有机氮；水生植物不但可以促进氮磷的迁移与吸收，而且通过自身生长还可截留一部分氮磷^[19,20,21]。

（3）微生物分解和吸收

水中有机物的分解和转化主要是由植物根区微生物的活动来完成的。沟渠中的微生物对氮磷的去除包括对氮磷的同化和对氮磷的过量积累。由于沟渠湿地中植物光合作用光反应、暗反应交替进行以及系统内部不同区域对氧消耗量存在差异，从而导致系统中好氧和厌氧交替出现，使氮磷的过量释放和过量积累得以顺利完成。

（二）沟渠结构形态构造

在生态沟渠结构形态设计中，应在传统工程设计的基础上，吸收生态工程技术的相关理念和技术。尽量保留沟渠的自然形态、栖息地特征和一些局部地貌特征，如浅滩、深潭等结构。

（1）沟渠纵断面设计

蜿蜒性是自然河流的重要特征，河流的蜿蜒性使得河流形成主流、直流、河湾、沼泽、急流和浅滩等丰富多样的生境，由此形成了丰富的生态系统。保持河流的蜿蜒性是保护河流形态多样性的重点，因此在生态沟渠设计时，在满足土地利用要求及河流岸坡冲刷安全的前提下，应尊重天然沟渠形态，宜宽则宽，宜弯则弯，避免直线和折线型。若沟渠已经经过人为或自然灾害的破坏，则需要重新构造沟渠蜿蜒性，布置沟渠的浅滩、深潭等。构造沟渠蜿蜒性时，也要遵循目前沟渠的地貌特征，这样更有利于沟渠的稳定，并降低工程造价。

（2）创建浅滩---深潭

由于深潭和浅滩可产生急流、缓流等多种水流条件，能形成丰富的生物群落，创建浅滩—深潭序列是生态沟渠设计的重要内容。

（3）横断面形态

沟渠横断面依自然沟渠地貌特征，满足沟岸边坡有陡有缓，能缓则缓；堤线距水面有宽有窄，宜宽则宽，从而构成多样性的地貌特征。

1. 1. 2. 人工湿地工程

人工湿地是一种为了达到环保处理效果，模仿自然湿地而人工设计的复杂的具有渗透性能的地层水质净化生态结构，由填料床（土壤、砾石等组成）、植物、动物、微生物和水体等不同的成分组成，能够利用基质—微生物—植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、微生物同化分解和植物吸收等途径去除废水中的悬浮物、有机物、氮、磷和重金属等，来实现对污水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长地并使其增产，实现废水的资源化与无害化。

人工湿地中基质的作用是作为植物的生长载体、为微生物提供大量的附着界面，直接通过物理化学作用净化污水，并保证一定的水力传导性能。基质主要透水性能优良的材质组成，如土壤、砂、砾石、沸石、石灰石、页岩、塑料、陶瓷等。

人工湿地中植物主要选择适于在饱和水和厌氧基质中生长的，该类植物都具有生命力强、生物量大、生育周期短、对水中污染有良好吸收性等特点，如芦苇、水葫芦、大薸、水芹菜、李氏禾、浮萍、水蕹菜、豆瓣菜等。

选址应遵循以下几点原则：选址应选择地势稍低处，便于河水通过自流流入本景观水处理设施，同时还要满足处理达标水能自流排出本设施；选择在非耕地地带建设本设施，尽量不占用耕地和农田；尽量利用当地现有地形，减少工程投资；项目建成后，便于管理，减少运行费用。

5. 结论

目前，国内稀土矿山尾矿迹地修复已经经历了第一轮大规模的生态治理与修复，但从目前治理的成效来看：（1）在植被复绿、水土流失控制两个方面取得了突出的成效，但是仍存在复绿植被不能正常演替，超过3年后人工种植的植被会大面积出现枯死的现象；（2）在稀土矿山氨氮废水处理中取得的成效相对较弱，尤其是采用生态治理手段的项目，收效甚微，这需要在后续研究中持续关注和深入研究；（3）使用一体化设备处理稀土矿山氨氮废水的工程，虽然水质处理效果显著，但是高昂的处理费用和持续的运营费用是地方政府难以解决的；

目前，我国矿山废弃地生态修复的突出问题在于修复后的生态系统的结构和功能不够稳定，同时对矿山废弃地缺乏长期和系统的定位观测及适宜性评价，制定的生态修复目标缺乏科学性和合理性，没有因地制宜而是直接引入其他矿山废弃地生态修复措施，实际矿山废弃地生态修复操作中。

矿山废弃地生态恢复质量评价体系有待完善，应根据矿山废弃地恢复过程中的实际情况并结合相关学科新的研究进展，建立全面、科学、合理、实用、有效的矿山生态恢复质量评价体系，对生态修复工作进行效果评价，及时调整生态修复措施，从而促进生态修复的进一步进行。

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