生物成矿与铁还原耦合在酸性重金属废水处理中的作用与机制

Fe3+ and SO42- in acidic heavy metal-containing wastewater was found to drastically reduce lime neutralization efficiency of the wastewater. Thus,the purpose of this proposed project is to explore or establish a novel method for scavenaging Fe3+ and SO42- in this acidic wastewater and to enhance lime neutralization efficiency. In light of the spontaneous formation of biogenic iron hydroxylsulfate minerals facilitated by Acidithiobacillus ferrooxidans (A.f.)in Acid Mine Drainage (AMD),considering the already-obtained mechanism of iron hydroxylsulfate mineral not to be spontaneously formed by Fe3+ hydrolysis under acidic and abiotic ambient condition but its formation occurred when Fe3+ derive from the bio-oxidation of Fe2+ by A.f., we further study the regulating principle of biological mineralization of Fe3+ and SO42- by A.f. Futhermore, the chemical reduction of Fe3+ coupled with the resulting Fe2+ bioxidation and subsequent mineralization are used to improve greatly the removal effficiency of Fe3+ and SO42- in the wastewater through biogenic mineral formation. The lime neutralization efficiency of the pretreated acidic wastewater will be investigated in details. On basis of the output mentioned above, a novel model with biological minerlization coupled with Fe3+ reduction and subsequent lime neutralization will be established. The outcome of the proposed project is helpful in obtaining a new principle or method to treat acidic heavy metal-containing wastewater.

由于许多重金属酸性废水中Fe3+和硫酸根严重影响石灰中和效果，因此，本项目的目的是研究新的方法和构建新原理旨在酸性条件下去除Fe3+和硫酸根，为后续石灰中和扫除障碍。受AMD等自然环境中A.f菌能促进羟基硫酸铁矿物形成的启发，并结合以前的研究中发现的在常温常压和非生物环境下Fe3+在含硫酸根的酸性环境下不能直接水解形成羟基硫酸铁矿物，但却能在嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A.f)促进下通过氧化Fe2+而容易形成羟基硫酸铁矿物的机理，深入研究A.f菌促进Fe3+和硫酸根生物成矿的调控原理，重点探索Fe3+还原和生物成矿耦合循环大幅提高废水中铁和硫酸根生物成矿率的效果和机制，及其对后续石灰中和效果的影响。在上述研究基础上，初步构建用于处理酸性重金属废水的Fe3+还原耦合下的高效生物成矿-石灰中和系统模型，为众多酸性重金属废水处理提供新原理新方法。

常规石灰中和酸性矿山废水（AMD）因其存在大量Fe3+和SO42-会产生很多氢氧化铁絮状沉淀和废石膏以及重金属的氢氧化物沉淀而变成大量难以处置的毒渣，而且中和效率低，石灰需求量大。本项目旨在石灰中和之前，在酸性环境中，通过微生物A.f菌将Fe3+和SO42-形成环境矿物材料的施氏矿物而预先去除，然后石灰中和。用零价铁（ZVI）将未形成矿物的Fe3+再次还原成Fe2+再用A.f菌氧化成矿，如此多次循环，可大幅度提高Fe3+和SO42-的成矿率。最后基于上述原理，构筑了还原氧化循环-石灰中和系统，有效处理AMD并获得新的环境矿物材料。. 研究发现，无机阴离子中Cl-对A.f菌有显著抑制作用，而SO42-则有解除抑制的作用。但A. f菌对Cl-和重金属离子也具有一定的耐受性，可以通过驯化A. f菌的方法来进一步提高其耐受性。在Fe2+，Fe3+浓度及Fe2+/Fe3+对 A. f生物氧化及成矿的影响中，起关键作用的是Fe2+浓度。驯化后的A.f菌菌密度和菌活性对矿物形成有明显促进作用。A.f菌的EPS对矿物形成的有显著促进作用且起始阶段形成的细小的新生态生物成因矿物作为“晶核”明显促进后续矿物晶体“生长”，从而有利于次生矿物通过共沉淀作用原地去除有毒金属。. ZVI直接接触A.f菌会对其有明显毒害，还原Fe3+时，需将ZVI与生物氧化阶段的A.f 适当空间隔离十分必要。多次添加ZVI并将ZVI的还原反应与A.f菌相隔离，减少一次添加ZVI对菌的毒害作用，则可使总铁去除率从30%提高到90%左右，明显提高对总铁的去除率。ZVI添加周期或频率对总铁去除也有明显影响，频率越高越有利于铁成矿去除。利用ZVI还原Fe3+与亚铁生物氧化偶联形成Fe3+还原耦合下的高效生物成矿-石灰中和系统可使石灰需求量减少82%，毒渣产生量减少91%。而且还收获到宝贵的环境材料，实现变害为利的目标。