矿山排水被动处理中锌锰高效协同去除机制及其微生物学应用

本研究针对矿山排水处理中锌(Zn)和锰(Mn)同步去除机制不明的问题，通过7个月现场试验结合垂直流反应器(VFR)与石灰石反应器(LSR)串联系统，揭示了MnOx生物矿化驱动Zn共沉淀的核心机制。研究发现LSR中Mn:Zn去除比达2:1，微生物群落分析表明假单胞菌(Pseudomonas)和纤发菌(Leptothrix)等锰氧化菌(MOB)起关键作用，为低成本处理中性矿山废水提供了新策略。

　　

矿山排水治理一直面临重金属污染的严峻挑战，尤其是锌(Zn)和锰(Mn)在中性pH条件下难以同步去除的难题。传统化学沉淀法成本高昂，而被动处理系统虽节能却效率不稳定。更棘手的是，现有技术对Zn的去除往往依赖硫酸盐还原产生的硫化物沉淀，但这种方法易产生恶臭且污泥稳定性差。在此背景下，探索基于自然过程的高效协同去除机制成为研究热点。

英国研究人员在《Ecological Engineering》发表的研究中，创新性地采用垂直流反应器(VFR)与石灰石反应器(LSR)串联系统处理pH 5.42的矿山废水。通过7个月现场试验结合先进表征技术，发现LSR中形成的锰氧化物(MnOx)能高效捕获Zn，Mn:Zn去除比达2:1，远高于常规吸附系统的29:1。微生物分析揭示假单胞菌(Pseudomonas)和纤发菌(Leptothrix)等锰氧化菌(MOB)的关键作用，而扫描电镜-能谱(SEM-EDS)显示Zn-Mn在石灰石表面形成"海绵状"共沉淀物。

关键技术包括：1) 构建VFR-LSR串联系统进行长期(7个月)现场试验；2) 采用X射线衍射(XRD)和顺序提取法分析沉淀物相态；3) 通过16S rRNA基因测序解析微生物群落；4) 结合SEM-EDS进行微区元素分布表征。

4.1 现场试验结果
VFR对铁(Fe)和砷(As)去除率>95%，但Mn、Zn去除有限(30-50%)。添加LSR后，Mn浓度从1154μg/L降至234μg/L，Zn从935μg/L降至236μg/L，且最低达15μg/L。关键发现是Mn:Zn去除比接近2:1，暗示可能形成锌锰矿物相。

4.2 固体表征与去除机制
顺序提取显示Zn主要(70-80%)存在于"可交换/碳酸盐结合相"，20-25%与无定形MnOx结合。SEM-EDS观察到Mn(48.4wt%)与Zn(13.3wt%)共定位的"海绵状"结构，XRD虽未检出结晶相，但2:1的去除比与锌锰矿(hetaerolite)的理论值吻合。

4.3 微生物学作用
微生物组显示VFR中以铁氧化菌(如Gallionella)为主，而LSR中MOB如Pseudomonas(23%)和Leptothrix(12%)占优。这些菌通过多铜氧化酶等催化Mn²⁺
氧化，形成高活性MnOx进而捕获Zn。

该研究证实了基于MnOx生物矿化的Zn去除新机制，突破传统认为需要还原条件的认知。石灰石介质既提供碱度又作为微生物载体，而2:1的去除比提示可直接回收Zn-Mn矿物。相比厌氧系统，这种好氧工艺无H₂
S产生，污泥更稳定，为中性矿山废水处理提供更可持续的解决方案。未来需进一步探究矿物相形成动力学及系统长期稳定性。