粉煤灰可渗透反应床固定化硫酸盐还原菌原位治理酸性矿井水基础研究

A Study on the Situ Treatment of AMD through the Immobilization of Sulphate-reducing Bacteria on Coal Ash Permeable Reactive Barrier.In the high-sulfur coal mining, the sulfide (often pyrite FeS2) produces acid mine drainage (AMD) under the effect of chemical oxidation (O2，Fe3+) and thiobacillus ferrooxidans. The pH value of AMD is very low, even reaching 2. With AMD rich in SO42-ions and Fe3+ ions, various kinds of toxic elements, such as lead, arsenic, chromium, copper etc, leach out of the associated minerals. Obviously, AMD is a big threat to mining industry, underwater resources and ecological system of mining areas. . The current study is to combine the immobilization technology of sulphate-reducing bacteria with the design of coal ash permeable reactive barrier to achieve the effective removal of pollutants through the dynamic integration of physical reaction, chemical reaction and enhanced biological reaction. By using the lab-scale simulated PRB system, this study is oriented to three aspects of the situ treatment of AMD: its main factors, key parameter ranges and control methodologies. This study is expected to successfully remove H+,SO42- and heavy metal ions, to establish the models associating the coal ash permeable reactive barrier structures with the permeation rates, and ultimately to optimize the situ treatment of AMD.. The research on this advanced technology will cast new light on how to prevent AMD and will make great contribution to the environmental-friendly production of high-sulfur coals, and to the better protection of underwater resources and ecological environment of mining areas.

高硫煤矿开采中，由于煤层和围岩中含有的硫化物(主要是黄铁矿FeS2)，在化学氧化剂(O2，Fe3+)和氧化亚铁硫杆菌作用下，产生酸性矿井水（AMD）。AMD的pH通常很低(严重的地方pH可达2)，富含SO42-离子和Fe3+离子，易浸出伴生矿物中的有毒元素，如铅、砷、铬、铜等，AMD对矿业生产、地下水资源及矿区生态环境造成严重危害。.本项目拟采用固定化硫酸盐还原菌生物强化技术，结合粉煤灰可渗透反应床结构设计（实现物理、化学反应及生物强化反应去除污染物三大功能有机结合），利用实验室模拟PRB系统，研究原位治理酸性矿井水主要影响因素、关键参数范围、及控制方法，去除H+、SO42-、和重金属离子，建立粉煤灰可渗透反应墙结构与渗透速率关联模型，实现井下酸性矿井水的原位治理最优化。.该项新技术的研究，为AMD防治提出新的工艺途径，对高硫煤矿井安全绿色生产、保护地下水资源及矿区生态环境有重要意义。

为解决酸性矿井水高pH、高重金属离子毒性、低C/S对硫酸盐还原菌(Sulphate Reducing Bacteria，SRB )生物可渗透反应床（PRB）原位治理酸性矿井水（AMD）的抑制问题，进行了SRB固定化，新型厌氧型生物阴极微生物燃料电池（MFC）调节pH、M2+、碳源机理研究，可渗透反应床结构设计及运行研究。①通过SRB菌耐酸、耐重金属离子毒性驯化，及SRB固定化固态发酵条件优化，制备获得可渗透反应床高效生物活性介质。②创新性提出以污泥为碳源、负载硫酸盐还原菌为生物阴极、硫酸根为电子受体的无膜单室厌氧型生物阴极微生物燃料电池（MFC）新的预调节方法，解决pH抑制、乙酸积聚抑制、重金属离子抑制、生化还原产物H2S抑制SRB问题并进行机理分析。③构建多种结构PRB小试系统，进行生物阴极与空气阴极MFC对比，生物阴极固定化、三维电极等MFC结构优化研究，及MFC在可渗透反应床PRB中布局影响研究，创新性构建SRB生物阴极活性小球微电池，提高其处理酸性矿井水的效果。④构建两套基于污泥阳极-生物阴极-固定化SRB-PRB系统进行中试，考察了不同HRT、进水不同pH值、不同重金属离子浓度模拟废水及实际矿井废水对系统处理AMD效果的影响。模拟实现酸性矿井水的井下原位治理。⑤研究多种PRB介质调节pH、截污、生物相容性、渗透率等特性，筛选出物化区、生物区、过滤区最佳介质，分区研究其渗透率变化规律。⑥利用Fluent软件微观模拟仿真可渗透反应墙墙体水流状态，从而推导其溶质运移情况；在实验基础上建立可渗透反应墙硫酸根衰减动力学方程，为可渗透反应墙原位治理地下酸性矿井水污染数值模拟进行部分工作。.研究成果为实现酸性矿井水的井下原位治理提出了新的技术途径和技术参数。