嗜酸性氧化亚铁硫杆菌促进酸性矿山废水石灰沟渠法处理效果的机制研究

In this study, in light of the heavy metal pollution caused by acid mine drainage (AMD) discharged from small-sized metal mines in China, and well understanding of the defects of the conventional limestone ditches passive treatment system for AMD purification, the formation of secondary iron hydroxysulfate minerals and its ability in scavenging heavy metals in AMD facilitated by Acidithiobacillus ferrooxidans will thoroughly investigated. Then the effectiveness and mechanism of AMD treatment through biogenic secondary minerals formation process followed by lime neutralization passive acid drainage treatment systems are explored. Furthermore, the operation parameters will be optimized to reach a higher efficient treatment for AMD. Consequently, a novel limestone ditches passive acid mine drainage treatment systems consisting of the strengthened secondary biogenic mineral formation reactor and lime neutralization ditch will be proposed and constructed. The outcome of the proposed project will be helpful in the control of pollution of AMD from small-sized metal mines in China.

本研究以小型有色金属矿山采矿点所导致的酸性矿山废水(AMD)引起重金属污染为出发点，在充分了解常规AMD石灰石沟渠被动处理系统所存在的缺陷及其原因的基础上，利用嗜酸性氧化亚铁硫杆菌在酸性环境下能将Fe2+快速生物氧化并能生物成矿的特点，通过在沟渠中填充弹性填料和挂膜以构成生物强化氧化单元的方法，探索该单元与AMD石灰沟渠耦合作用与机理，并进一步摸索出二者协调高效作用的最优方法，创建"生物强化氧化-石灰中和"的新型被动处理系统处理酸性矿山废水的新原理新方法，为我国小型金属矿山AMD的治理提供技术支撑。

本研究利用嗜酸性氧化亚铁硫杆菌在酸性环境下能将Fe2+快速生物氧化并能生物成矿的特点，通过在沟渠中填充弹性填料和挂膜以构成生物强化氧化单元的方法，探索该单元与AMD石灰沟渠耦合作用与机理，并进一步摸索出二者协调高效作用的最优方法，创建"生物强化氧化-石灰中和"的新型被动处理系统处理酸性矿山废水的新原理新方法，为我国小型金属矿山AMD的治理提供技术支撑。通过四年的研究，结果表明：（1）介质pH、温度、溶解氧对亚铁生物氧化及羟基硫酸铁矿物形成的影响较大。28°C，pH2.4-2.6最有利于Fe2+氧化成矿。在亚铁生物氧化中，需要溶解氧但随后的三价铁水解成矿则溶解氧却无影响。（2）亚铁浓度越高（至少大于20mM）时，越容易形成黄钾铁钒，且在一价阳离子中，成矾能力为K+ > NH4+ > Na+。但施氏矿物则更容易形成，即使亚铁浓度低于20mM。但亚铁生物氧化形成施氏矿物时，成矿率只有30%-40%，若形成黄钾铁帆也只有60%-70%。Mg2+增加对成矿有一定抑制，而引入Ca2+和石灰中和残渣粉末的对生物成因矿物的形成有明显促进作用。（3）发现微生物挂膜在弹性填料表面，可有效促进矿物的“生长”，增加铁的去除率和矿物量，对AMD中铁的去除效果好于悬浮生长的细菌，且组合填料效果最佳。明显观察到矿物随时间不断“生长”的现象。（4）生物成因羟基硫酸铁矿物对重金属元素有不同程度的吸持作用，但不同矿物在酸性条件下，对Cu，Zn, Cr(III), Cd的吸持作用都较弱，但对Pb, As较强，特别是施氏矿物。且矿物相在酸性环境中相对稳定不易发送相变。（5）构建的生物矿化石灰中和被动处理系统（Bio-PMDTS），CaO使用量可减少70%；毒渣质量减少79.18%，效果极为显著。但在亚铁氧化成矿单元提高成矿率，进一步减少后期石灰需要量和毒渣产生量仍有较大提升空间。