尾矿库重金属污染微生物原位修复技术介绍

一，项目背景情况简介：

南丹县是全国重点重金属防控区域，由于过去的无序开采，造成大量矿业废弃地，给环境带来极大的威胁。据介绍，2010年至今，南丹县共实施了57个重金属治理项目，本次我们进行考察的是南丹县星鑫综合选矿厂，该公司主要从事铅 、 锌、 铜矿洗选。北京有色金属研究总院联合北京科技大学、环保部华南所、广西盛泰冶金环保科技有限公司、北京华亚科创科技有限公司于2015年11月启动广西南丹县星鑫铅锌尾矿库3万平米重金属污染微生物原位成矿修复示范。

有色金属矿尾矿中含有较多的黄铁矿、磁黄铁矿、砷黄铁矿、方铅矿、黄铜矿、闪锌矿、辰砂、雄黄、雌黄等矿物。从地球生物化学角度检视，上述尾矿库中硫化矿物尾矿在浮选废水浸泡下，在水、氧气及微生物的作用下，将进一步催化溶出尾矿中的离子态金属并形成含重金属废水，源源不断地从尾矿库中渗出, 进入地下或地表水系。这其中，微生物在金属离子及矿物溶出、生物侵蚀过程中起着关键作用。

二、项目实施过程

图1   尾矿库修复前照片

图2   修复两个月时照片

图3   修复六个月照片

图4   修复十个月照片

图5   已修复区域现场照片

图6   未修复区域现场照片

图7   项目区平面布置图

三，项目修复原理

1、多金属矿污染物质析出原理

图8   重金属溶出机理

上图为尾矿库重金属溶出机理，以典型铅锌硫化矿尾矿成分黄铁矿氧化溶出过程为例进行说明，主要反应包括3步：

1）黄铁矿在氧的作用下生成硫酸和硫酸亚铁

2FeS₂+7O₂+2H2O→2FeSO₄+2H₂SO₄

2)亚铁离子在游离氧或细菌存在时氧化成三价铁离子4Fe²⁺+O₂+2H₂SO₄→4Fe³⁺+2H₂O

3)Fe³⁺氧化FeS₂,即为下列的反应式:

14Fe³⁺+8H₂O+FeS₂→15Fe²⁺+2SO₄+16H⁺

2、尾矿库重金属污染微生物原位修复技术介绍

多金属尾矿库重金属溶出的两个主要因素分别是黄铁矿及自养铁氧化微生物，而黄铁矿溶解受电位控制。因此，如何调整环境物理化学参数以控制铁氧化细菌生长，控制溶液中Fe3+浓度，降低环境电位，在重金属溶出源头实现重金属固化将是解决矿山尾矿重金属持续溶出问题的重要手段。本技术利用微生物控制环境中Fe³⁺浓度、降低环境电位、降低环境中游离重金属离子以实现微生物生态修复。

图9 微生物原位成矿修复技术思路示意图

具体来说整体修复技术思路如上图所示：利用高效的铁还原菌可将Fe³⁺还原成Fe²⁺，降低体系环境电位，环境电位低于700mV，黄铁矿可做到基本不溶解；在此基础上，利用高效硫酸盐还原菌还原硫酸根为负二价硫离子，原位与游离金属离子形成金属硫化物沉淀，而硫化态的重金属在环境中相对稳定，溶度积很小，可以做到环境安全。

微生物修复是自发过程，只要环境适合，自我生长，自我修复，其本身是个自我调整过程，生物硫酸盐还原过程产生H₂S若在局部环境无重金属与之共沉淀，将毒害微生物本身（产物抑制），抑制硫酸盐还原过程，产生H₂S若在局部环境有重金属与之共沉淀，使得H₂S减量（产物抑制减轻），将重启硫酸盐还原过程无二次污染。修复所产生的硫化物稳定，溶解度很低，环境安全，具备缓冲作用。

下表列出主要金属硫化物溶度积，从表中可见，大部分有色金属一旦形成金属硫化物，如果微环境为中性且无氧化剂（Fe³⁺、氧气），基本是稳定的，也不会返溶。

表1   主要金属硫化物溶度积

四、项目的关键技术

利用培养的微生物还原菌、硫酸盐还原菌混合修复形成生物冶金逆过程——生物成矿过程，降低环境电位、提升pH、原位固化重金属，将恶性循环变为良性循环。并进一步利用硫酸盐还原菌、光合细菌、固氮菌等多种菌种的有机组合，验证是否可在尾矿库和废石堆场表面构建健康的底层微生物生态系统，这一自我平衡的底层生态系统可在光照条件下自我平衡，自我生长，通过分泌胞外聚合物粘附于裸岩及沙质土表面生长，可高效吸收空气中所含水分供给微生物，实现保水、改善生态环境、促进植物根系发展等多种修复功能。通过该技术构建底层微生物生态系统后，本土植物可高效迅速的在尾矿库和废弃原矿堆场表面迅速繁殖，实现裸岩和沙质土的自然复绿。