微生物成因矿物对酸性矿山废水中有毒金属清除的作用、机制及其调控

从酸性矿山废水（AMD）及受其影响的环境中存在不同种类次生高铁矿物(包括羟基硫酸高铁矿物和含水氧化铁矿物等)以及对有毒金属会发生自然清除的现象入手，通过野外调查分析与实验室研究相结合的方法,阐明在上述环境中生物成因次生矿物形成的机制、在环境中的稳定性（相转变程度）和影响因素；揭示生物成因矿物在AMD不同酸度等环境下对有毒（类）金属吸持的大小与吸持机理；探索出在AMD治理的微生物强化氧化体系中生物成因次生矿物晶体"生长"的原理和最优条件.在此基础上构建耦合有微生物强化氧化与次生矿物产生单元的石灰中和主动处理系统，并探索这种基于新原理构成的AMD新型处理系统在工程应用上的可能性，为开发新型高效的AMD处理工艺奠定重要基础和提供技术支撑。

酸性矿山废水(AMD)是一类pH 低，并含有丰富Fe2+,Fe3+,SO42-和有毒金属元素的废水。本项目试图阐明在AMD环境中生物成因次生铁矿物形成机制、在环境中的稳定性（相转变程度）和影响因素；揭示其对有毒（类）金属吸持效果与机理；探索出在AMD 治理的微生物强化氧化体系中生物成因次生矿物晶体"生长"的原理和最优条件，初步构建耦合有微生物强化氧化与次生矿物产生单元的石灰中和主动处理系统并初步测试其处理效果。.项目通过四年攻关，全面完成了研究任务。（1）对云南安宁八街铁矿和湖南郴州有色金属矿区AMD的实地调查，明确了AMD水化学和沉积物特征及其对有毒金属的吸持和清除作用。研究发现，沿AMD水流方向，可溶性铁和硫酸盐逐渐降低，As呈现先升高后降低的趋势，最终接近饮用水标准。沿着AMD水流方向，施氏矿物含量逐渐增加，针铁矿逐渐减少。AMD中优势微生物为嗜酸性氧化亚铁硫杆菌，密度达7.0×105 cell/mL，但微生物多样性远比表面水体低，AMD中异养菌相对较少。（2）研究发现，原本在常温常压非生物条件下难于由Fe3+水解形成羟基硫酸盐矿物的反应易于在微生物作用下自发进行，其机制在于亚铁的生物氧化和三价铁成矿的耦联，使总∆rG°298 = -38.04 KJ/mol（施氏矿物）或-66.86 KJ/mol（黄钾铁矾）。反应体系中pH、起始亚铁浓度、反应时间、一价阳离子种类（K+,NH4+,Na+）和浓度、DOM、微生物胞外聚合物EPS、Fe3+的供应速率对矿物的形成与稳定均有明显影响。（3）生物成因羟基硫酸铁矿物特别是施氏矿物对有毒元素尤其是Cr(VI)和As有专性清除或吸持作用（最大吸附量分别高达55mg/g和143.3 mg/g），常见含氧阴离子和共存的重金属阳离子对Cr(VI)和As的吸附影响不大。而且施氏矿物可作为半导体材料可明显促进光催化降解甲基橙，在酸性条件下明显促进草酸和硫化钠光化学还原Cr(VI)。（4）通过增加K+浓度，同时导入先前生成的黄钾铁矾作为“晶核”等措施，能明显促进次生矿物晶体"生长"，使AMD中更多的Fe2+,Fe3+,SO42-得以消减。在上述基础上，初步构筑了耦合有有效容积达700L的微生物强化氧化单元的石灰中和处理中试试验系统，取得满意效果，石灰需要量减少50%以上，溶液中铁、有害金属更容易去除，为AMD处理提供了一个新思路和新方