基于微生物硫氧化还原的高硫煤矸石山硫形态迁移转化机制研究

Treatment the sulfur pollution caused by coal gangue dump containing high sulfur with microbes is a hot spot and difficulty in ecological restoration of mining areas. Making use of the microbes to oxidize and remove the sulfides in coal gangue or reduce the sulfate in leaching solution is one of the most important methods to achieve this goal. Nevertheless, presently the exclusive microbes used in the remediation of sulfur pollution of coal gangue dump are limited and the knowledge about the mechanism of migration and transformation of sulfur speciation impacted with microbes is unclear,Which severely restricted the use of this technology. In this research, the coal gangue dump with high sulfur in huai-nan city, An Hui Province is chosen as research object. On the base of the information of sulfur speciation and distribution characteristics in coal gangue dump environment analyzed with sulfur K-edge XANES, the microbial community structure in which is studied with PCR-RFLP. Then, the exclusive microbes with high performance to oxidize the sulfides or reduce the sulfate in coal gangue dump are obtained based on the information of sulfur speciation and microbial community structure. Finally, the emigration and transformation of sulfur speciation impacted with these exclusive microbes is investigated during the dynamic leaching process of gangue under special environmental factors. With these researches, we hope to clarify the key environmental factors and microbial community influencing the migration and transformation of sulfur, optimize the sulfides oxidation removal and sulfate reduce process and offer theoretical support and technological conservation for treatment of sulfur pollution caused by coal gangue dump.

高硫煤矸石山硫污染的微生物治理是矿区生态修复研究中的热点和难点。利用微生物氧化脱除矸石中的硫化物或还原矸石山淋溶水中硫酸盐是实现该目标的重要手段之一。然而，目前用于矸石山硫污染治理专属微生物种类不多，有关该过程中硫形态迁移转化的微生物作用机制了解也甚少，这严重制约了该项技术的运用。本项目选择安徽淮南高硫煤矸石山作为研究对象，在利用硫的K边XANES等方法对该环境中硫的赋存形态和分布特征进行研究基础上，采用PCR-RFLP技术探讨其中的微生物群落结构特征，基于两者信息从中筛选出硫化物氧化脱除或硫酸盐还原的专属微生物，并在一定环境因素下，研究这些微生物动态淋溶矸石过程中硫形态的迁移转化。通过这些研究解析影响矸石山硫形态迁移转化的关键环境因子和微生物种群，优化其中硫化物的氧化脱除或硫酸盐的还原过程，为矸石山硫污染的微生物治理提供理论支持和技术储备。

煤炭开采利用过程中，煤系及其伴生矿物都被当作矸石排放，堆积而成的矸石山是我国目前年排放量和累计存量最大的工业废弃物。矸石山是煤矿最主要的污染源，其中含有大量有害重金属元素和硫化物。矸石中硫化物与空气和水接触，经微生物催化而发生氧化反应，一方面，氧化反应释放热量引起矸石山自燃，释放大量扬尘和 SO2、H2S、CO、NOx等有毒有害气体，造成矿区大面积空气污染；另一方面，氧化反应所形成的酸增强了矸石中重金属元素的迁移能力，所形成的酸性水淋滤、迁移进入周边土壤和地下水，对矿区生态环境造成严重威胁。微生物法治理煤矸石具有成本低、适用性强、无二次污染等特点，是目前国内外煤矿污染生态治理的研究热点。因此，开展与矸石山硫污染微生物治理相关的基础研究对矿区生态恢复具有重要的指导意义。本项目首先研究了湖南湘潭某矿区矸石山周边土壤中的微生物群落和硫及重金属形态分布特征，然后分离鉴定其中的部分SOB和SRB微生物，并对SOB和SRB浸出煤矸石和处理酸性废水的特性进行了研究。研究结果表明矸石山周边的土壤不同程度的受到了Cr、Fe、Mn等重金属的污染，样品中的硫的形态大部分是以硫酸盐形式存在，其次是硫代硫酸盐和亚硫酸盐，还有少量有机硫。从四个代表性土壤样品共获得63个OTUs，分属六大门类微生物（Nitrospira 门，Actinobacteria门， Firmicutes门， Proteobacteria门， Deferribacteres门和 Ktedonobacteria纲）。从土壤样品中分离纯化出两株SOB菌株和一株SRB菌株，分别为Acidithiobacillus thiooxidans SOB-1，Acidithiobacillus ferrooxidans SOB-2和Desulfuromonas svalbardensis SRB-7。通过P-B和B-B试验设计和响应面分析进行SOB-2脱除煤矸石中硫影响因素的优化。研究结果表明：pH、煤矸石粒度和Ag+浓度对脱硫率具有显著影响，最优脱硫条件为pH(3.0)、煤矸石粒度(124μm)、煤矸石添加量(56g/L)、Ag+浓度(100mg/L)，在该条件下实际脱硫率达88.62%。SOB-2淋溶矸石过程中，接种微生物对矸石中的Fe，Mn和Cr的金属释放有促进作用，且经微生物的淋溶释放作用后铁的铁锰氧化态和残渣态减少，而Mn的可