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據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前共有各類廢棄礦山近10萬(wàn)座。高硫煤礦與有色金屬礦山閉坑引發(fā)的酸性礦坑廢水（AMD）因強(qiáng)酸性、高硫酸鹽和（類）重金屬等特性，是我國(guó)面臨的重大環(huán)境難題，尤其在山西、山東、安徽、江西、云南、四川和貴州等地，廢棄礦山AMD污染事件頻發(fā)，礦山流域水源地及生態(tài)污染嚴(yán)重（如圖1所示），成為影響生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善和礦區(qū)水資源供需矛盾加劇的重大生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。但當(dāng)前我國(guó)對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境的修復(fù)仍以復(fù)墾、綠化為主，污染治理為輔；針對(duì)礦洞涌水的處理以礦井封堵等應(yīng)急處理和修建污水處理廠等高成本處理措施為主。這些措施短期內(nèi)可能有所成效，但治標(biāo)不治本，且工程難度大、經(jīng)濟(jì)成本高。而針對(duì)新近閉坑以及尚未溢出AMD的廢棄礦山缺乏基于監(jiān)測(cè)預(yù)警的污染防控體系，導(dǎo)致潛在的AMD污染風(fēng)險(xiǎn)難以防控。因此，亟需開展廢棄礦山流域水環(huán)境污染現(xiàn)狀調(diào)查、AMD污染過(guò)程機(jī)制研究和污染防控與治理技術(shù)研發(fā)等工作。

圖1 廢棄礦山AMD污染實(shí)例

為此，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所陳夢(mèng)舫研究員團(tuán)隊(duì)近期先后至安徽、四川、云南、陜西、山東、廣西、廣東、江西、湖北等地調(diào)研了二十余座具有不同典型礦物類型的廢棄礦山，包括金礦、煤礦、硫鐵礦、鉛鋅礦、錫礦、鐵礦等。然后基于調(diào)研結(jié)果，綜述了廢棄礦山AMD生物化學(xué)污染過(guò)程，并提出了AMD污染概念模型。

AMD的污染特征與礦山流域地質(zhì)環(huán)境、礦體中硫化礦物含量及水巖相互作用關(guān)系密切。廢棄礦山AMD污染源包括地下采空區(qū)、尾礦庫(kù)和廢渣堆場(chǎng)，其中地下采空區(qū)污染過(guò)程分為三個(gè)階段（如圖2所示）。以煤礦為例，首先是開采階段，煤礦在開采期間，為保證開采區(qū)干燥，需用排水泵進(jìn)行排水。此時(shí)排出的礦井水礦化度較高但污染程度低，通過(guò)簡(jiǎn)單處理后即可排放到地表。開采區(qū)排水后煤系地層中的硫化礦物（主要為FeS2）暴露在空氣中，氧化產(chǎn)生硫酸和鐵的氧化物/氫氧化物，礦體中伴生的重金屬等有害物質(zhì)隨之釋放出來(lái)。該過(guò)程可能持續(xù)數(shù)年甚至數(shù)百年，取決于開采年限。其次是閉坑階段，礦山閉坑后，采空區(qū)停止排水，地下水逐步反彈，開采階段硫化礦物的氧化產(chǎn)物隨之溶入地下水中，并隨地下水遷移，常與巖石中的碳酸鹽礦物發(fā)生中和反應(yīng)。而未被氧化的硫化礦物因?yàn)榈叵滤蜎](méi)，缺少氧氣，氧化中止。這個(gè)過(guò)程可能持續(xù)數(shù)個(gè)月至數(shù)十年，與礦區(qū)降雨量及水文地質(zhì)條件有關(guān)。最后是溢出階段，當(dāng)?shù)叵滤磸椫疗胶夂?，最終與地表河流進(jìn)行水力交換或沿巷道涌出，形成地表徑流，污染下游土壤與地表水體。長(zhǎng)期使用污染水體澆灌農(nóng)田或發(fā)生洪水時(shí)，可能導(dǎo)致農(nóng)田重金屬污染。一旦受污染地下水暴露在空氣中，還原態(tài)的Fe²⁺將氧化生成Fe³⁺的氧化物和氫氧化物，在河床沉積，形成赭石（ochre）（如圖1所示）。赭石的沉積將影響水生植物的光合作用，使底棲生物窒息，破壞流域生態(tài)環(huán)境。所以新近閉坑以及尚未溢出AMD的廢棄礦山仍處于地下水反彈階段，一旦地下水恢復(fù)完畢將釋放至地表，因此AMD污染具有長(zhǎng)期性與突發(fā)性。與采空區(qū)類似，尾礦庫(kù)及廢渣堆場(chǎng)因長(zhǎng)期暴露在空氣中，硫化礦物發(fā)生氧化，在雨水淋洗下產(chǎn)生酸性礦井水下滲污染地下水，也可通過(guò)地表徑流污染下游土壤與地表水體。

圖2 地下采空區(qū)污染概念模型

針對(duì)高硫煤礦與有色金屬礦山閉坑階段的水-巖相互作用機(jī)制及生物化學(xué)污染過(guò)程不明，被動(dòng)式、低成本修復(fù)材料和技術(shù)體系缺乏等關(guān)鍵問(wèn)題，該研究團(tuán)隊(duì)分析目前國(guó)內(nèi)外AMD治理技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，初步提出了廢棄礦山AMD污染系統(tǒng)解決方案的思路。

國(guó)內(nèi)外AMD治理技術(shù)研究現(xiàn)狀：近年來(lái)， AMD的治理領(lǐng)域有了較大的發(fā)展，高成本的主動(dòng)處理技術(shù)逐漸被低成本的被動(dòng)處理技術(shù)取代。目前，AMD被動(dòng)處理技術(shù)主要有化學(xué)處理和生物處理兩類（如圖3所示）。其中化學(xué)處理主要依賴AMD和石灰石等堿性材料的中和反應(yīng)及金屬的水解和沉淀作用，以石灰石溝渠為主。該類技術(shù)雖能有效降低AMD的酸度，但去除硫酸根作用有限，并且運(yùn)行時(shí)金屬沉淀易包覆在石灰石表面，阻礙石灰石的溶解中和并降低水力傳導(dǎo)度。生物處理主要依賴兩類微生物的作用去除硫酸根和重金屬離子：一是通過(guò)氧化亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）等好氧微生物催化鐵氧化；二是通過(guò)硫酸鹽還原菌（Sulfate reducing bacteria, SRB）等厭氧微生物還原硫酸鹽生成硫化氫和碳酸鹽堿度，以SRB介導(dǎo)的生物反應(yīng)器和人工濕地為主。但SRB的最適pH是中性，當(dāng)AMD的pH低于5時(shí)效果往往較差，限制了其在實(shí)際處理中的廣泛應(yīng)用。

圖3 AMD被動(dòng)治理技術(shù)選擇流程圖

廢棄礦山AMD污染系統(tǒng)解決方案：首先，開展高精度環(huán)境地質(zhì)與污染調(diào)查，探明地下采空區(qū)、尾礦庫(kù)、廢渣堆場(chǎng)及周邊地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)特征等，結(jié)合開采歷史、地下巷道分布等信息，構(gòu)建礦山流域水環(huán)境污染概念模型。其次，探究礦山閉坑階段水巖相互作用機(jī)制及生物化學(xué)污染過(guò)程，應(yīng)用地下水流動(dòng)及地球化學(xué)耦合模型預(yù)測(cè)采空區(qū)、尾礦庫(kù)及廢渣堆場(chǎng)區(qū)域地下水恢復(fù)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程、非控制性地下水流量及礦井水水質(zhì)的演變規(guī)律及其對(duì)地表水水質(zhì)的影響。針對(duì)新近閉坑以及尚未溢出AMD的廢棄礦山構(gòu)建基于地理信息系統(tǒng)的多尺度、多維度、可視化、互動(dòng)式礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)智慧平臺(tái)（如圖4）。針對(duì)已溢出AMD的廢棄礦山則發(fā)展高效、低成本的“被動(dòng)治理”技術(shù)的新原理和新方法，形成低成本、可持續(xù)處理高濃度硫酸鹽與鐵、錳等重金屬的AMD系統(tǒng)解決方案，為我國(guó)典型廢棄礦山AMD污染的綠色可持續(xù)生態(tài)治理提供可復(fù)制、可推廣的工程范例。

圖4 地下水污染防控技術(shù)智慧平臺(tái)示意圖