盐矿废水中生物介导的矿物沉淀过程与非生物矿物沉淀过程在蓄水池中的对比，以及对河流生态系统可能产生的影响

《Journal of Hydro-environment Research》：Biomediated vs abiotic mineral precipitation processes in retention ponds of saline mine water and potential consequences to river ecosystems

矿山水体留存池塘底泥的矿物学及地球化学特征分析，揭示Mg方解石、Sr方解石等次生矿物通过生物与非生物过程共同作用形成，影响水质硬度、离子比例及悬浮物活性，为评估流域生态风险提供依据。

　　

Tadeusz Molenda | Beata Smieja-Król | Monika Rzodkiewicz

摘要

本研究探讨了上西里西亚煤田煤矿排放的咸水在蓄水池底部沉积物的矿物学和地球化学特性。研究目的是识别与湖泊生物化学过程相关的沉淀-溶解反应，并评估这些反应对水质和沉积物反应性的影响。通过扫描电子显微镜-能量色散谱（SEM-EDS）和X射线衍射（XRD）技术对沉积物样本进行了分析，并结合了水和沉积物的化学分析。矿井水的盐度极高，钠（Na）浓度可达11,500毫克/升（mg/l），氯（Cl）浓度可达25,000毫克/升（mg/l）。以碳酸钙（CaCO₃）表示的水硬度范围为1,010至8,540毫克/升（mg/l）。研究中发现了几种次生矿物，这些矿物占据了沉积物的重要比例（高达94%的结晶相），同时还存在来自矿山的碎屑颗粒。这些矿物的分布因排放区域（三角洲）和更深处的储水区而异。主要的次生矿物包括镁方解石（MgCO₃含量为2.7–8.3摩尔%）、锶文石（SrCO₃含量为1.2–2.5摩尔%）、重晶石、针状黄铁矿以及以硅藻壳形式存在的非晶态二氧化硅。诸如Pleurosigma elongatum、Halamphora coffeaformis和Navicula salinarum等咸水硅藻的存在表明，水质对生物多样性和沉积物组成具有重要影响。矿物组合反映了矿井水的化学性质以及生物过程，而这些过程又受到储水池几何形状（如深度、停留时间和水流）和季节性气候条件的影响。次生矿物的沉淀改变了水质，降低了水的硬度，增加了镁（Mg）与钙（Ca）的比例，并影响了进入河流系统的悬浮物质的反应性。这些（生物）地球化学变化可能影响营养物质和微量元素的迁移性和生物可利用性。这些与气候相关的动态过程需要进一步研究。

引言

地下煤炭开采会导致大量矿井水的抽取和排放，这些矿井水的化学成分与地表淡水不同（Banks等人，2002年；Cao等人，2022年；Gombert等人，2019年）。上西里西亚煤田（USCB）的矿井排水液呈中性至碱性，其中含有极高浓度的无机溶解固体，主要是氯化物和硫酸盐离子，同时还含有大量的碱金属阳离子（Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）（Gzyl等人，2017年）。2022年，排放的咸水量约为1.32亿立方米（GUS，2023年），其中平均含有10.8千克/立方米的氯离子（Cl^?）和硫酸根离子（SO₄^2?）。这些矿井水导致欧洲两条主要河流——维斯瓦河（Vistula）和奥得河（Oder）的盐碱化，对整个水生生物群的多样性和丰富度产生了负面影响（Halabowski和Lewin，2021年；Moyano Salcedo等人，2024年）。2022年奥得河发生的鱼类和其他野生动物的大规模死亡事件就是淡水盐碱化后果的一个典型例子（Ruman等人，2024年；Sobieraj和Metelski，2023年）。这一事件凸显了迫切需要了解受矿井影响流域中的咸水滞留过程。

大型蓄水池是USCB地区限制咸水对环境负面影响、保持地表水质符合标准的主要措施。这些蓄水池在下游河流水位较低时储存咸水，在水位较高时将其释放。除了新建的蓄水池外，一些蓄水池是利用露天矿坑或旧鱼塘改造而成的（Molenda，2018年）。即使在停止排放咸水后，这些蓄水池仍会长期保持特殊的水质特征，例如长期分层（Molenda，2014年）。

除了储存和稀释盐水外，这些蓄水池还能通过物理方式去除矿井水中的悬浮固体。悬浮颗粒的浓度范围从几毫克/升到几百毫克/升不等（Molenda，2011年）。靠近矿井排水口处沉积的粗颗粒形成了三角洲，这部分区域会周期性地露出水面。

当矿井水排放到地表后，环境条件的变化会引发各种物理和化学过程，可能导致矿物沉淀。这些过程包括蒸发、还原物质的氧化、pH值和氧化还原电位的改变、絮凝或凝聚（Wolkersdorfer和Mugova，2022年）。矿物沉淀会影响水的浊度、化学成分、营养物质的可用性以及潜在有毒元素的分布。大多数研究集中在受酸性煤矿排水影响的区域（Kim等人，2003年；Peretyazhko等人，2009年）。沉淀物主要由铁氧氢氧化物和硫酸盐矿物组成，形成赭色沉积物（Gombert等人，2019年；Kairies等人，2005年；Marcello等人，2008年）。相比之下，碱性和咸性矿井水的排放受到的关注较少，仅有少数研究提及矿物沉淀现象（Bedná?等人，2024年；Mayo等人，2000年；V?r??等人，2021年），尽管这些矿井水含有高浓度的总溶解固体并对地表水生态系统有明显影响（Bier等人，2015年；Ca?edo-Argüelles等人，2016年；Timpano等人，2015年）。据我们所知，这是首次针对温带气候下咸水矿井排水池中矿物沉淀和沉积物积累现象进行的系统研究。

本研究分析了咸水矿井排水池中三角洲沉积物和底部沉积物的化学及矿物组成，重点关注次生相的沉淀过程。主要目的是通过整合矿物学数据和水化学信息来揭示控制矿物形成的机制。研究假设是，池塘内的生物化学过程是控制沉淀的主要因素，其作用超过了纯粹的化学作用。最后，本研究还探讨了矿物沉淀的生态意义，特别是其对受这些蓄水池影响的河流的影响。

研究地点概述

研究地点

图1显示了所分析水体在上西里西亚煤田（USCB）的地理位置。研究选择了三个活跃的咸水蓄水池、两个不再接收矿井排水的水池以及三个参考水体（表1）。BRZ蓄水池位于USCB南部，已运行45年，具有最大的蓄水能力（1,156,000立方米）。该蓄水池的供水来源为...

水的物理化学参数

蓄水池中的水呈中性至微碱性（平均pH值在7.1–8.0之间），含有极高浓度的钠（Na）离子（1,420–11,510毫克/升）和氯（Cl）离子（2,280–24,750毫克/升）（表2）。矿井水的另一个特征是钙（Ca）和镁（Mg）离子含量也较高（表2）。对于正在运行的咸水蓄水池，水的硬度（以碳酸钙（CaCO₃计）范围为1,010至2,770毫克/升；其中SIL蓄水池的水硬度高达8,540毫克/升（以碳酸钙计）。

矿井排水池中的次生矿物组合

研究表明，除了与矿山开采相关的碎屑物质重力沉降外，蓄水池中还发生了多种生物化学反应，形成了多种次生矿物相。与人工建造的参考池塘（MO和GR）和自然形成的池塘（BO）相比，咸水蓄水池中的沉积物矿物组成有显著差异。

USCB地区咸水蓄水池特有的次生矿物组合...

结论

咸水蓄水池中的沉积物由来自矿山作业的碎屑矿物（石英、粘土矿物、白云石和煤颗粒）以及在池塘中通过生物和非生物过程形成的次生矿物（方解石、文石、重晶石、黄铁矿、非晶态氢氧化铁、钙铁碳酸盐和生物源二氧化硅）组成。因此，除了稀释盐水和沉淀悬浮固体等主要功能外，...

CRediT作者贡献声明

Tadeusz Molenda：撰写原始稿件、方法论设计、数据收集与分析、概念构建。Beata Smieja-Król：审稿与编辑、撰写原始稿件、方法论设计、数据收集与分析。Monika Rzodkiewicz：撰写原始稿件、数据收集与分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。