离子型稀土矿山环境治理方法

原地浸矿工艺是现今最为环保的离子型稀土矿开采工艺, 但该法直接将硫酸铵浸矿剂注入矿体中, 对地下水和地表水造成安全隐患, 因此, 需要对浸出过程采取如下几点措施^[14]:

(1) 采取清污分流和人工防渗假底措施。前者是指对原地浸矿采场的收液系统和地表汇水进行清污分流, 目的是从源头上控制雨水等地表汇水进入母液系统;后者是指原地浸矿采场所有收液巷道、水平监控孔、水平集液孔、集液沟的底板均采用水泥砂浆构筑人工防渗假底, 目的是从源头上控制母液进入地下水和地表水环境。

(2) 建立3级监控收液系统。为了最大限度地减少稀土矿区周边水体和土壤的污染, 可采用3级监控收液系统收集母液, 其中第1级为收液巷道监控收液系统, 第2级为水平孔监控收液系统, 第3级为垂直孔监控收液系统。经3级监控收液系统收液后, 母液收集率可达92%以上。

(3) 采取地下水长期监测措施。建立由原地浸矿采场地下水长期动态观测网、母液处理车间地下水长期动态观测网和矿区下游地下水长期动态观测网组成的矿区地下水长期动态观测网, 以掌握原地浸矿区域及周边地下水的水质变化情况, 并针对不同变化采取相应的措施。

稀土被提取后, 会产生大量的氨氮废水, 为避免污染, 也必须对其进行处理。氨氮废水的处理方法主要有吹脱法、离子交换法、折点氯化法等^[15]。吹脱法是在汽提塔中将废水调节至碱性, 然后通入空气或蒸汽, 通过气液接触将废水中的游离氨吹脱至大气中^[16]。该法可应用于离子型稀土矿开采过程中所产生的高浓度氨氮废水的处理。离子交换法是利用沸石的吸附作用和离子交换作用将废水中的氨氮除去。该法一般适用于氨氮浓度较低的废水处理, 当NH₄⁺离子浓度较高时, 使用该法会因频繁再生离子交换膜而使过程难以持续进行^[15,16]。折点氯化法具有处理效果稳定、不受水温影响、投资较少等优点, 但存在加氯量大、费用高的不足 (对于NH₄⁺浓度为100 mg/L的废水, 处理1 kg NH₄⁺-N需37.6元) , 且处理过程中会产酸, 需要添加等量的碱来进行中和。此法适用于低浓度氨氮废水的处理^[16]。

离子型稀土矿开采完毕后, 矿区的生态环境较为恶劣, 须对稀土废弃地进行土地整理、建设排水系统和采用其他工程措施, 为后期植被恢复创造条件。土地整理的基本要求为^[17]:

(1) 与矿区总体规划相结合, 以利于矿区土地的最终利用。

(2) 保障坡面稳定性, 避免造成坡体失稳。

(3) 形成适宜的坡度和微地形, 以适应后期植被恢复施工作业的要求, 提高植株成活率。

(4) 与矿区排水系统的建设等相结合。

土地整理需要与排水系统工程相配合, 而排水系统工程的设计应结合地形地貌, 合理布局排水管道, 既要满足后期植被生长对水分的需求, 又要避免遭遇长时间、高强度降雨时, 稀土矿区出现大面积的洪涝灾害, 要能够经受住梅雨季节的考验, 避免山体坡和泥石流等地质灾害的发生。

罗学升等^[18]对福建长汀县风流岭离子型稀土矿区进行环境治理, 采取的工程措施有:土坡修建挡土墙, 沟口修建拦渣坝, 控制取土区周围的边坡角在25°以内, 并且根据地形, 将取土区和堆渣区整平为一块块的梯田。

曾敏等^[19]对江西安远县新龙离子型稀土矿山进行环境治理, 其中针对采剥区和尾砂堆采取了削方降坡+挡土护面+排水截水坡面整理+排水截水措施, 针对淤积区则通过建设拦砂坝来控制源头的水土流失, 减少沟谷和河道的淤泥。

经过工程治理后, 离子型稀土矿废弃地的边坡趋于稳定, 排水系统趋于完善, 立地条件趋于好转, 但要从根本上遏制矿区生态环境的恶化, 逐步恢复其开采前的土壤质地和结构, 甚至还原为开采前的自然景观, 则需要运用一系列的生态修复技术, 包括土壤改良技术、植被恢复技术和微生物修复技术等。

离子型稀土矿在开采后生态系统遭到十分严重的破坏, 形成了极端的生境条件, 影响植物的生长和覆盖, 其主要的环境胁迫因子是土壤基质质地和结构不良、酸性强、持水保肥性能差、有机质及氮磷钾含量极低或十分不平衡、重金属尤其是稀土含量过高等。因此, 离子型稀土矿废弃地的生态修复首先要解决的问题就是矿区土壤基质的改良。土壤改良的措施可以概括为以下两个方面^[20]:

(1) 物理改良措施。主要指表土保护利用和客土覆盖措施。表土保护利用是在离子型稀土矿开采前, 将表层 (30 cm) 和亚层 (30~60 cm) 土壤取走加以保存, 并尽量避免其结构遭到破坏, 减少其养分流失, 待矿区生态修复时将其返回原地加以利用。客土覆盖是将结构良好、养分充足的异地熟土覆盖于待修复的稀土矿废弃地表面, 直接改良废弃地土壤的理化性质;建议尽可能利用城市生活污泥或建筑工程的剥离表土, 这样既可实现废物的再利用, 又可减少土地侵占。

(2) 化学改良措施。包括提高土壤肥力、降低重金属毒性、调节土壤p H值等方法。离子型稀土矿区土壤贫瘠, 通过多次少量施加钾肥、磷肥等速效化肥和施用人畜粪便等缓释有机肥, 可以改善土壤的养分状况, 提高土壤的持水保肥性能, 并可以利用有机质的螯合或络合作用降低重金属离子的毒性;通过施加碳酸钙或硫酸钙, 可以利用Ca²⁺对重金属的拮抗作用, 减少重金属被植物吸收的量, 保障植物健康生长;通过施加熟石灰、碳酸钙等碱性物质, 可以提高土壤的p H值。

植被恢复是实现离子型稀土矿废弃地生态修复的重要途径, 也是控制稀土矿区土壤侵蚀的重要方式。资料显示^[21], 未进行植被恢复的离子型稀土矿尾矿堆上的土壤侵蚀模数为原状植被条件下的50倍。由于即便实施了上述土壤改良措施, 稀土矿废弃地的立地条件仍然较差, 难以让一般植物直接定居, 而且客土覆盖措施工程量大、费用高, 难以大面积实施, 因此, 筛选出适应稀土矿区恶劣生境的耐性植物就成为决定植被恢复能否成功的关键问题。适应性植物的筛选应遵循如下原则和经验^[6]:

(1) 尽可能选择当地的乡土植物种类, 这样既适应当地的生态环境, 又可避免外来生物的入侵。

(2) 对于水土流失较快的区域, 治理初期要选择生长快、萌芽力强的多年生草灌, 如芒芭茅、百喜草、茶杆竹、山苍子、火棘等, 它们可在边坡稳定化过程中发挥重要作用。

(3) 选择对矿区土壤基质有改良作用的植物种类, 如种植具有固氮能力的胡枝子、葛藤等豆科植物, 既能改善土壤的质地、结构, 又可增加土壤的养分。

(4) 选择能够超富集重金属和稀土元素的植物, 如铁芒萁能降低表层土壤的游离金属浓度, 避免游离金属离子对其他植物种类生长的影响, 从而为更多的植物物种在矿区定居提供较好的生境条件, 进而形成较为稳定的植物群落。

简丽华等^[22]在对福建长汀稀土废矿区进行植被恢复的过程中, 在平坦地段选择种植速生、耐寒、耐瘠薄、耐干旱、吸收NH₄⁺能力强、根幅生长量较大的优良无性系桉树, 其年生长量可达4 m以上;在边坡地区选择种植复合型的草本植被, 包括根系发达、耐旱性强、株丛高大的香根草、类芦等禾本科草本植物和具有固土力强、匍匐生长速度快、吸收NH₄⁺能力强等优点的鸭拓草, 其中禾本科植物可为鸭拓草提供较为有利的生境, 而鸭拓草则可降低土壤中碱解氮的浓度, 这样各自发挥优势, 达到了良好的护坡效果。

曾敏等^[19]在对江西安远县新龙离子型稀土矿边坡区域进行修复时, 选择金色狗尾草雀稗马塘等耐旱根系发达的植被, 而在平坦地段选择种植桉树或脐橙, 取得了很好的环境效益。

总之, 离子型稀土矿区的植被恢复应考虑不同区域的特点, 有针对性地选择植物, 并根据群落结构优化配置的多样性原则进行合理规划和设计, 形成“草本植物+灌木+乔木”层次分明的良好生态模式。

微生物修复技术是将微生物接种在新种植的植物上, 对矿区土壤进行综合治理与改良, 既可以改善植物的营养状况, 降低重金属的毒性, 促进植物的生长发育, 又可利用根际微生物的代谢活动重新构筑起土壤微生物体系, 增加土壤生物的活性, 从而加速矿区生态环境的恢复^[17]。目前, 将微生物修复技术应用于离子型稀土矿区生态环境重构过程的报道不多, 仅见李兆龙等^[23]对广东省平远县离子型稀土矿区生态修复过程前后土壤细菌的变化过程进行了研究, 发现生态修复后土壤细菌数量明显上升, 土壤细菌DNA多态性有所增加。因此, 笔者建议未来在离子型稀土矿山生态环境重建方面加强微生物修复技术的研究和实践。