含重金属酸性矿山废水的生物矿化处理新技术原理

Toxic metal-containg acid mine drainages (AMD) generated in many mines are hardly purified by traditional passive limestone ditch treatment system (PLDTS) due to high concentration of dissolved iron and sulphate. In the proposal, we expect to use Acidiphilic iron-reducing bacterial (Acidiphilium sp.) to reduce remaining non-biomineral Fe3+ in AMD to Fe2+ and then the resulting Fe2+ are re-oxidized by Acidithiobacillus ferrooxidans to form schwertmannite with almost 100% of biomineralization efficiency for dissolved iron in AMD　through the oxidizing-reducing cycles.　Almost all of dissolved iron and most of the sulfate can be removed and transformed to schwertmannite, a useful environmental material, by virtue of such a biomineralization. The effectiveness and mechanism concerning the removal of toxic metal especially for As in AMD by this biomineralization process are also investigated. Futhermore, microorganism adhersion, crystal seed formation and the microorganism-mineral relationship will also be explored to understand their roles in improving crystal growth of biogenic schwertmannite. Moreover, the effectiveness of PLDTS receiving the effluent of AMD biomineralization unit will be further studied in enhancing water quality of the final effulent. Finally, a new passive treatment system with biomineralization-limestone ditch neutralization will be designed and constructed.

针对含重金属酸性矿山废水（AMD）中因存在大量溶解性铁、硫酸根，导致石灰石沟渠被动处理系统实际运行效果差的问题，本项目通过调控在AMD流经的路径中Fe3+微生物还原与Fe2+的Af菌氧化成矿过程，研究在酸性条件下将AMD中几乎100%的溶解性铁和大部分硫酸根高效转化成具有回收利用价值的环境材料——施氏矿物而得以去除,并同步消减部分有毒金属离子尤其是As的效果与机理。在此过程中，深入探索微生物附着、嗜酸性铁还原菌和铁氧化菌互作、晶核的诱导及其微生物-矿物相互关系在促进矿物晶体快速生长及其去除有毒金属的作用效果与机制。并研究随后的石灰中和单元进一步去除AMD中有毒金属和提高排水水质的效果与影响因素；在此基础上，构建高效生物矿化-石灰石沟渠处理AMD的新型被动处理系统，为我国提供一种高效和可持续运行的酸性矿山废水处理的新方法新技术。

酸性矿山废水（AMD）是一种矿山开采活动中产生的极端酸性，含丰富的溶解性铁、SO42-并同时溶解有大量有毒（类）金属元素的废水，AMD的污染防控是一种全球性的环境难题。本项目研究了以嗜酸性氧化亚铁硫杆菌（A.f）促进AMD中铁和硫酸根生物矿化形成施氏矿物（schwertmannite）后再石灰中和的新技术原理，获得如下重要结果：.1、阐明了AMD中影响Af菌氧化Fe2+成矿（施氏矿物）的主要因素与机制，发现利用附着在载体上的嗜酸性铁还原菌将未成矿的Fe3+还原成Fe2+，继而通过附着在载体上的铁氧化菌A.f氧化Fe2+成矿，数次循环可使铁沉淀率达到95%以上，并容易收集形成的施氏矿物。该矿物对As有很大的吸附容量，同时可还可作为异相芬顿的铁基催化剂。.2、首次发现生物还原与生物氧化偶联成矿过程中只要保证OH的适度供应(稳定pH在2.5左右)则一次成矿率可从原来的30%-40%跃迁到90%以上，无需多次循环。其机理在于Fe3+水解成矿过程中，Fe3+会首先与OH结合形成大量中间体Fe-OH晶核，克服了生成施氏矿物的能垒。这一发现为本技术实际落地应用奠定了极为重要的基础，因为操作更为简单可控，运行成本大幅降低。.3、在无锡芦村污水处理厂内和广东粤北大宝山多金属矿山成功构建了2个生物矿化-石灰中和中试处理工程，分别处理模拟的和实际的AMD废水，并连续运行长达3个月。通过该方法可回收有环境利用价值的施氏矿物，AMD经矿化处理后出水经过石灰中和，可使石灰需求量和毒渣产生量比常规方法（直接石灰中和）降低60%-80%，并获得优化的运行参数，为该方法的实际应用奠定重要基础。.项目共发表标注基金资助号的学术期刊论文66篇，其中发表在Water Research，Appl. Cataly. B: Environ.，Hydrometallurgy, Chemical Engineering Journal等SCI收录期刊论文58篇。申请国家发明专利10项，其中已授权4项。构建中试基地2个，并连续运行3个月，处理模拟的和实际的AMD废水500多M3。培养博士后2名（1名已出站）、博士毕业生7名、硕士毕业生9名。该项目对处理酸性重金属废水（如AMD，酸洗废水、电镀废水等）有较大的实际应用价值。.