煤矸石山微生物群落和硫形態分布特征的探索研究

羅華峰，梁衛萍

（宜賓學院，四川宜賓 644000）

1 煤矸石山硫污染生物治理常見微生物

煤矸石中的硫元素具有很強的遷移能力，不能夠和碳、空氣、水發生化學反應，同時也會受到周邊微生物環境的影響，例如SOB和SRB，通過有機硫的礦化、硫和硫化物的氧化、硫酸鹽的還原和生物固定等方式改變硫的固有形態使其能夠憑借不同的形式在自然環境中完成運輸和轉化，降低煤矸石的含硫性，有效維護周邊生態環境和平衡。

煤矸石山硫污染生物治理常見微生物種類多樣，目前被熟知被廣泛應用于生物脫硫的微生物就已經多達20余種，比如嗜酸氧化亞鐵硫桿菌、嗜酸氧化硫硫桿、硫化芽苞桿菌屬、氧化鐵桿菌、氧化鐵桿菌、微螺球菌屬。這類具有脫硫功能的微生物通常生長在極為惡劣的酸性廢水環境中，其他微生物質難以在這種環境中存活下去。但是這類微生物卻可以與空氣中的CO2、O2及其他微量元素在酸性廢水的環境中合成單一或多種的細胞組織，與廢水中的礦物質發生反應從而將矸石中含有的硫化元素分解成其他物質，從而獲得代謝能量，進而實現微生物的自養單性生殖，同時也有效減少了矸石的硫化含量，降低了矸石污染對周邊環境的危害。對比研究數據表明，在沒有微生物細菌的環境中金屬礦物在沒有微生物細菌的環境下溶解的速度很慢，但是通過微生物的催化反應卻能夠使得礦物的氧化速率提高上千倍[1]。

2 煤矸石中硫形態的遷移及分析的手段

2.1 煤矸石中硫形態的遷移

煤矸石之所以是煤礦生產過程中的固體廢棄物主要原因在于其成分結構內的硫化元素和重金屬離子含量過高，會與周圍的空氣和水產生氧化反應從而對周邊環境造成破壞。并且煤矸石中的硫化元素會以多種形式存在，如：硫化硫、硫酸鹽硫、有機硫和單質硫，會隨著周邊環境的變化而發生遷移。煤矸石結構內的硫元素在常規環境下是不會遷移和轉化的，但是在特殊條件下煤矸石中的硫化形式就會發展改變，通常來說矸石的硫的遷移手段主要有兩種：1）在自燃條件下，當煤矸石累計熱量到達燃點之后就會產生自燃，此時其內部溫度最高可達1000℃，矸石中的硫形式會因高溫而熔化逐漸轉變為H2S、SO2、SO3等氣體，危害礦區周邊的大氣層環境。2）部分煤矸石中的硫化元素會流入土壤中，形成可溶性硫酸鹽對周圍的土壤和水資源造成了污染[2]。

2.2 硫形態的分析手段

自古以來，硫元素一直被稱作是光譜學中最無聲的元素，硫化形式多樣，很難通過現有技術手段觀測到硫的化學形態。但是可以通過常見的化學法、色譜法、伏安法、x射線光電子能譜法等觀察到硫的物理形態，從而可以根據硫的物理性質找尋科學脫硫的辦法。化學法，顧名思義，即通過與其他物質產生的直接或間接的化學反應測定其含有的硫化物含量。

3 煤矸石山硫污染治理方法

3.1 物理方法

3.1.1 控制燃燒法

控制燃燒法即在煤矸石火勢尚未完全燃燒前就能夠及時預察，通過有效的防燃措施將自燃的風險有效扼殺。但是控制燃燒法也有很大的弊端，雖然煤矸石自燃及時控制住了火勢，防止污染進一步擴大，空氣中的部分有害氣體在經過輕微燃燒后也得到了凈化，然而燃燒產生的煙氣溫度較高且帶有一定腐蝕性，如果是采用管道埋地和防腐處理等物理控制燃燒法，需要消耗大量物力、人力及財力，同時危險系數和難度較大。通常來說控制燃燒法使用頻率較少，在實際處理過程中很難判斷何時會產生大規模的自燃，從而導致更為嚴重的人員損傷。

3.1.2 泡沫法

通過向火區注入泡沫滅火劑，將火源與空氣隔絕，利用泡沫的空隙吸收煤矸石自燃產生的熱量，使得煤矸石表面溫度降低，從根源上杜絕火源，實現滅火的目的。泡沫法與注漿法相比，優勢在于其能夠長時間地保留水分，注入的滅火的泡沫不會立即從煤矸石的縫隙中流出，與注水法相比，泡沫法的優勢在于其密度較小，能夠很好地隔絕空氣中的氧氣，吸收熱量，快速使得自燃周邊的環境冷卻下來。但是泡沫法僅適用于小規模的自燃滅火，而且泡沫的穩定性會隨環境的變化而波動，尤其是在風雨條件下，泡沫法滅火效果極差。

3.1.3 挖除火源法

挖除火源法與其他方法相比更為直接，從根本上將火源滅絕。挖掘火源法首先確定自燃的燃燒范圍，找到自燃的源頭所在，并將那部分的煤矸石全部挖掘放置到另外一個地方去自然冷卻，防止其產生的熱量使其他的煤矸石也引發自燃反應。然而挖掘火源法只適合小范圍內的自燃，該方法直接有效，且操作簡單，成功率極高。但是對于大面積范圍的自燃，挖除火源法難度系數較高，工作人員和挖掘設備難以進入到火災區內，自燃的煤矸石過多，如果繼續采用此種方法進行滅火，會存在一定人員傷亡風險。所以挖除火源法往往是被當作是自燃初期滅火措施或者自燃滅火輔助措施。

3.1.4 深部注漿法

深部注漿法是目前來說使用頻率較高，應用范圍較廣的滅火手段，其原理與泡沫滅火法類似，都是通過降低熱量和隔絕氧氣來實現滅火的目的。深部注漿法能夠使得自燃的煤矸石溫度快速降低，通過水分子將煤矸石與氧氣充分隔絕，防止再次發生自燃。但是深部注漿法必須要工作人員將設備放入到火災區域內，一旦燃燒范圍面積變大，工作人員將難以進入，該滅火措施難以實施。

3.2 化學方法

煤矸石大量堆積除了會產生自燃和氧化反應形成有害氣體破壞大氣層之外，其中的硫化元素也會隨著環境的變化而發生遷移從而對周邊的土壤及水資源造成一定的污染，從而形成酸性土壤及酸性廢水。目前我國針對此已經采取了大量研究來試圖找尋處理酸性土壤及廢水的方法，主要包括以石灰石或石灰為中和劑的中和法和采用濕地法進行處理的化學手段。

3.3 生物方法

當前，通過微生物修復礦山硫污染的方式：通過SOB與煤矸石中的硫化合物產生反應，加快煤矸石的脫硫進程，降低硫含量，從而就能夠從本質上杜絕硫和碳產生反應，無法達到煤矸石自燃的熱量。