酸性礦山廢水處理方法綜合分析

摘要：含黃鐵礦（FeS2）的尾礦庫會產生酸性礦山廢水，給礦區周圍的土壤和地下水帶來嚴重威脅。通過源頭控制技術對尾礦庫進行處理，來減少酸性礦山廢水的產生（AMD）。本文主要介紹覆蓋法、殺菌劑法、表面鈍化處理法、中和法這幾種源頭控制技術，并綜合比較這幾種方法，及對未來做出展望。

關鍵詞：酸性礦山廢水;覆蓋法;表面鈍化處理法;中和法;殺菌劑法

近幾年，隨著人類運用強大的技術力量大規模地開采地球礦產資源，大量的酸性礦產（黃鐵礦）被開發出來，其開發時產生的廢棄尾礦不加任何處理的堆放，日積月累之下造成嚴重的環境生態污染問題和不必要的經濟損失（腐蝕設備、破壞環境、危害人類等）。酸性礦山尾礦中往往含有大量的硫化礦物（主要是黃鐵礦，FeS2），當它們與氧氣和水接觸時，其中的硫化礦物在細菌（氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵硫桿菌等）催化下會發生氧化反應并生成酸性水。

通過反應原理可知，對酸性礦山產生的廢水（或AMD）進行控制主要是抑制其氧化作用，設法阻止金屬硫化物與空氣的直接接觸，抑制微生物的活性，降低鐵的活度，便可減少AMD的形成。AMD的治理對生態環境的保護至關重要，結合了相關文獻對酸性礦山廢水的處理方法著重研究。酸性礦山廢水的處理方法總體認為兩大類：末端處理技術和源頭控制技術[1]。對已經被污染的生態環境進行治理稱之為末端處理，而對酸性礦山尾礦源頭進行控制，可減少生態環境恢復的過程，具有一定優勢，主要有覆蓋法、殺菌劑法、表面鈍化處理法、中和法等源頭控制技術[1]。因此，本文主要討論這幾種源頭控制技術。

一、覆蓋法

覆蓋法是利用水體或者固體等物質制成低滲透性防滲層，鋪設在廢棄礦山表層，阻擋空氣和水的侵入，降低金屬硫化物的氧化侵蝕速率，以此來減少AMD的產生，這是覆蓋層的基本原理[2]。據覆蓋物的物理特性，可將覆蓋法分為干式覆蓋法和濕式覆蓋法[1]。

（一）干式覆蓋法

利用粉煤灰、壓實黏土、土工合成黏土墊層（GCL）等礦化物制成低滲透性防滲層，以此降低金屬硫化物的氧化侵蝕速率，進而減少AMD的產生。

利用干式覆蓋法降低酸性礦山尾礦的氧化速度時添加劑的合理選擇十分重要。舒小華等（2017）選擇用秸稈粉末覆蓋黃鐵礦上，使濾出液中Fe離子濃度有所減少，進而控制黃鐵礦的氧化速度。

（二）濕式覆蓋法

濕式覆蓋技術又稱水罩法，是依據氧氣在水中的擴散系數極低的原理，利用水體來隔絕氧氣與硫化礦物的接觸，從而達到抑制硫化物氧化的目的[5]。

李錦文等（2016）對粵西某硫鐵礦尾礦為研究對象，進行模擬實驗，分析在水下無氧（或缺氧）的條件下硫鐵礦尾礦的酸化情況。實驗初期尾礦庫表層與水的接觸面遠小于下層，黃鐵礦氧化速率較緩慢。此后隨著與水接觸時間的延長，少量黃鐵礦發生氧化反應，使pH降低。由于封閉的實驗體系中缺乏大氣氧的補充，隨著水中溶解氧的消耗，黃鐵礦的氧化反應被抑制，促使體系回到還原狀態。而底層尾礦不能接觸到溶解氧，可推測黃鐵礦的氧化反應難以進行，體系一直維持還原狀態。中層的尾礦與水的接觸表面積相對較大，黃鐵礦與溶解氧發生氧化反應，但隨溶解氧的消耗，氧化反應最終被抑制。

水封黃鐵礦尾礦可使體系處于缺氧的還原環境，能抑制硫化物的氧化，降低其化學活性，從而達到有效防止尾礦中黃鐵礦氧化產生酸性廢水（AMD）的目的。

二、殺菌劑法

在黃鐵礦尾礦產生酸性礦山廢水時，微生物（細菌）參與氧化具有不可忽視的作用。殺菌劑法是使微生物活性受影響，進而降低細菌氧化速率，減少AMD的產生。特別是嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌（A. ferrooxidans），不僅能直接侵蝕硫化礦物，更加速Fe2+到Fe3+的轉化，而由Fe3+引起黃鐵礦氧化速率是O2的106倍[6]。

宋永偉等（2018）研究考察了Cl-、NO3-、PO43-等3種陰離子對體系中Fe2+氧化率的影響，得出高濃度陰離子對嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌氧化Fe2+能力具有一定的抑制作用，同時得出嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌對陰離子的耐受性依次為PO43->NO3->Cl-。由于嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌的氧化作用被抑制，導致酸性礦山廢水在源頭上進行了控制，減少酸性廢水的生成。

三、表面鈍化處理法

鈍化，源自于金屬防腐技術，是將易氧化金屬表面經處理后生成一種致密的、覆蓋性好的膜，降低金屬的氧化速率，與對礦山尾礦的表面鈍化機理相似。通過向金屬礦化物表面投加鈍化劑，經過一系列化學反應，在礦物表面形成一層致密的惰性膜，從而降低或阻止氧氣或其他氧化劑對金屬礦物的侵蝕，進而減少AMD的形成[1]。表面鈍化法主要分為磷酸鹽鈍化法、硅酸鹽鈍化法以及有機鹽鈍化法等，這些鈍化方法可以在不同程度降低FeS2的生物和化學氧化性能。

黃驍等（1998）就用0.3mol/l H2O2+0.01mol/l NaH2PO4+0.0l mol/L NaAc混合液淋洗黃鐵礦，在黃鐵礦表面形成了FePO4膜，該膜能有效地抑制黃鐵礦的進一步氧化。

四、中和法

中和技術是將Na2CO3、NaHCO3、石灰石等堿性物質與廢棄礦石摻和，提高體系內的pH值，降低Fe3+的活度，抑制微生物的活性，使生成的Fe（OH）3等難溶性物質堆積在黃鐵礦表面，延緩金屬硫化物礦石的氧化速率，從而達到減少AMD產生的目的。

近幾年來，隨著研究的不斷深入，一些粉煤灰、脫硫石膏等生產廢棄物成為主要的堿性摻和材料。Wang等人通過實驗分析，發現通過投加粉煤灰，使原本pH值只有3.77的AMD提高到10.5左右。從而利用廢水中的重金屬離子生成沉淀覆蓋在礦石表面，能使礦石的氧化受到抑制而控制AMD的產生。

五、處理方法綜合對比

通過前人研究，綜合對比各種酸性礦山廢水的處理方法，可知濕式覆蓋相比于干式覆蓋處理效果較明顯，但易受天氣影響，且污染地下水，需要在具有隔水性能較好的地層上使用。干式覆蓋法則需要注重防滲層的選擇，使用混合抑制劑可能會有較好的效果。殺菌劑法反應條件較為溫和，但受諸多因素影響（溫度、濃度、pH值、天氣、本身毒性等），在實際中有許多限制。而鈍化處理法相對于殺菌劑法限制較少，但鈍化劑種類少，成本較高。中和法的中和劑來源較廣，工藝簡單、操作容易和無需管理等優點，但易摻和不均勻，導致處理效果差，且易在大量使用時易造成二次污染等問題。

對于酸性礦山廢水的處理，首先便要轉變的就是我們的落后的理念，積極開發利用源頭控制技術，且需要我們：（1）因地制宜，酸性礦山廢水形成的主要原因不同，處理方法需相應變化。（2）致力于研究高效率，低危害的殺菌劑;研發性質穩定，無毒無害，綠色環保的鈍化劑;尋求摻和效率高的中和劑。（3）多種處理方法結合使用，在源頭和末端同時控制，減少AMD的產生。

參考文獻：

[1] 鄭先坤，馮秀娟，王佳琪等. 酸性礦山廢水的成因及源頭控制技術. 有色金屬科學與工程，2017，8（4）：P105-110.

[2] ROBERT L， KLEINMANN P. 1990， At -source control of acid mine drainage [J]. Mine Water and the Environment， 9（1）：85-96.

作者簡介：

郭彥宏，成都理工大學地球科學學院