采用碳酸盐岩填充材料的厌氧-好氧联合处理系统在酸性矿山废水处理中的开发与性能评估

《Journal of Water Process Engineering》：Development and performance evaluation of an anoxic-aerobic combined treatment system packed with carbonate rocks for acid mine drainage

连续酸矿山排水（AMD）通过碳酸岩填充技术实现厌氧-好氧联合处理，稳定pH在7.1-7.8，总铁、铝、铜、砷、锌去除率均超90%，镉、锰去除率分别达77%、79%。矿物相分析显示厌氧区以schwertmannite、jarosite和石膏为主，好氧区以goethite、alunite和ferrihydrite为主。微生物群落中Bacteroidota和Firmicutes占优（厌氧区），Proteobacteria和Actinobacteria主导（好氧区），Acidibacter等微生物协同去除重金属。

　　酸矿排水（Acid Mine Drainage, AMD）是矿业活动带来的严重环境问题之一，主要表现为低pH值、高硫酸盐浓度以及多种重金属离子的释放。这些特征不仅对矿区内水体的酸化过程产生影响，还可能导致矿区周边乃至整个流域的重金属污染和生态破坏。随着全球对环境治理的重视，许多研究者致力于开发高效的AMD治理技术，尤其是基于碳酸盐岩石的被动处理方法，因其成本低、环境影响小而受到广泛关注。

在本研究中，针对西南地区常见的碳酸盐岩地层，科学家们设计了一种模拟矿洞内部（缺氧）至外部（好氧）水流路径的复合处理系统。这种系统结合了缺氧和好氧环境的特点，旨在提升酸矿排水的中和效率和多种重金属的去除能力。实验结果表明，该系统在酸中和和多金属协同去除方面表现出显著优势。在整个实验过程中，出水的pH值稳定在7.1至7.8之间，显示出良好的酸中和效果。此外，该系统对总铁（TFe）、Al3?、Cu2?、As(V)和Zn2?的去除率均超过了90%，而对Cd2?和Mn2?的去除率分别达到了77%和79%。值得注意的是，Mn2?的去除效率超过了传统的石灰中和方法，表明该复合系统在处理某些特定污染物方面具有更高的效能。

碳酸盐岩石在AMD治理中的应用，通常依赖于其作为中和剂的特性。当AMD流经矿洞内部时，由于缺氧环境的存在，硫酸盐还原反应会受到限制，而铁氧化反应则可能成为主要的中和机制。随着水流逐渐进入矿洞外部的好氧区域，氧化条件的变化会促进更多金属的沉淀和去除。因此，研究者们通过模拟矿洞内部至外部的水流路径，构建了一个能够同时适应缺氧和好氧环境的复合处理系统。该系统不仅能够有效中和酸性，还能通过多种物理和化学机制协同去除重金属。

实验过程中，研究人员对进水AMD的水质进行了细致的调整，以确保其与西南地区典型的AMD特征相符。通过对不同污染物的浓度进行控制，实验结果能够更准确地反映碳酸盐岩石在实际应用中的表现。同时，研究人员还对处理系统中的次生矿物组成进行了分析，发现这些矿物的分布与pH值和氧化条件密切相关。在缺氧区，主要形成了 Schwertmannite、Jarosite 和钙硫酸盐等矿物，而在好氧区则形成了 Goethite、Alunite、Lepidocrocite 和 Ferrihydrite 等矿物。这些次生矿物的形成不仅影响了AMD的中和效果，还对重金属的去除提供了重要的物理和化学支持。

此外，微生物群落的结构和功能在AMD治理中同样发挥着关键作用。在缺氧区，主要检测到 Bacteroidota 和 Firmicutes 等微生物，它们在低氧、高Fe2?的环境中具有较强的适应能力，能够有效促进铁的氧化和酸的中和。而在好氧区，主要检测到 Proteobacteria 和 Actinobacteria，这些微生物在氧化条件下能够促进多种金属的沉淀和去除。进一步的研究表明，某些特定的微生物，如 Acidibacter、Acidiphilium 和 Ferrovum，能够协同作用，提升重金属的去除效率。这些微生物在处理系统中的分布和功能变化，不仅反映了AMD的化学条件变化，还为优化生物-碳酸盐岩石协同治理技术提供了理论依据。

本研究通过构建模拟矿洞内部至外部水流路径的复合处理系统，深入探讨了碳酸盐岩石在AMD治理中的应用潜力。实验结果表明，该系统在酸中和和重金属去除方面表现出显著优势，不仅能够维持出水pH值的稳定性，还能有效降低多种重金属的浓度。同时，次生矿物的形成和微生物群落的结构变化，进一步揭示了AMD治理过程中复杂的物理、化学和生物机制。这些发现不仅为西南地区矿洞密封项目提供了高效的AMD治理方案，也为优化微生物-碳酸盐岩石协同治理技术奠定了坚实的理论基础。

在实际应用中，碳酸盐岩石的使用需要考虑到其物理和化学特性，以及微生物群落的适应能力。例如，碳酸盐岩石的粒径、分布密度以及与其他材料的组合方式，都会影响AMD的处理效果。此外，系统的设计还需要考虑到水流路径的连续性，确保缺氧和好氧区域之间的有效过渡。这种设计不仅能够提升处理系统的整体效率，还能减少长期运行中可能出现的堵塞和性能下降问题。因此，科学家们在本研究中采用了多种方法，包括实验监测、矿物分析和微生物群落研究，以全面评估碳酸盐岩石在AMD治理中的应用效果。

通过实验数据的分析，研究人员发现，该复合处理系统在处理过程中能够有效维持出水pH值的稳定，同时显著降低多种重金属的浓度。这种稳定的pH值不仅有助于减少酸性对水体的进一步破坏，还能为微生物的生长和活动提供适宜的环境。此外，次生矿物的形成不仅提高了重金属的去除效率，还为AMD的长期治理提供了物理屏障。这些结果表明，碳酸盐岩石在AMD治理中的应用具有广阔的前景，尤其是在需要同时处理缺氧和好氧环境的矿区中。

在微生物群落的研究中，科学家们发现，不同环境条件下的微生物组成存在显著差异。例如，在缺氧区，主要检测到铁氧化细菌和厌氧微生物，而在好氧区则检测到更多参与金属沉淀和氧化反应的微生物。这些微生物的协同作用不仅提高了AMD的处理效率，还为优化生物-碳酸盐岩石协同治理技术提供了理论依据。此外，微生物群落的结构变化还反映了AMD处理过程中复杂的化学和物理条件变化，为进一步研究提供了重要的线索。

综上所述，本研究通过构建模拟矿洞内部至外部水流路径的复合处理系统，深入探讨了碳酸盐岩石在AMD治理中的应用潜力。实验结果表明，该系统在酸中和和重金属去除方面表现出显著优势，不仅能够维持出水pH值的稳定，还能有效降低多种重金属的浓度。同时，次生矿物的形成和微生物群落的结构变化，进一步揭示了AMD治理过程中复杂的物理、化学和生物机制。这些发现不仅为西南地区矿洞密封项目提供了高效的AMD治理方案，也为优化微生物-碳酸盐岩石协同治理技术奠定了坚实的理论基础。未来的研究可以进一步探索不同环境条件下微生物群落的适应能力，以及碳酸盐岩石在不同粒径和分布密度下的处理效果，以期开发更加高效和稳定的AMD治理技术。