南京土壤研究所陈梦舫团队基于废弃高硫矿区调研结果提出了构建矿区水土污染监测预警防控智慧平台和低成本可...

May250308 2022-02-06

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陈梦舫，中国科学院南京土壤所研究员，博士生导师，现任科技部重点研发计划项目首席，中国土壤学会土壤修复专委会顾问，污染场地安全修复技术国家工程实验室副主任，江苏省环境科学学会土壤与地下水专业委员会主任。曾任英国伦敦2012奥运公园环境项目高级顾问，欧盟FP7 NANOREM纳米修复技术应用项目顾问。主要从事场地土壤与地下水污染风险管控与修复技术、绿色高效修复功能材料、废弃矿山地下水污染过程与生态治理技术等研究。主持国家重点研发计划项目，自然科学基金面上、国际合作项目，环保公益性行业专项，863计划子课题，中国科学院知识创新工程及科技网络服务，地方政府技术咨询等二十余项研究课题。

2012年开发了我国首套污染场地健康与环境风险评估HERA软件，已在全国范围内近500家高等院校、科研院所、环保企业等单位近千余项目得到推广应用，共培养4000多名专业技术人员，已成为我国污染场地风险管控的重要工具。已在Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials等主流国际刊物发表SCI论文70多篇，其中六篇入选ESI高被引论文，出版污染场地评估与修复系列专著三部，建成三个可复制、可推广的场地修复示范工程，获省部级科技进步二等奖二项，为我国环境修复功能材料的产业化进程及场地土壤污染风险管控与地下水原位绿色高效修复奠定了坚实的理论基础。

据统计，我国目前共有各类废弃矿山近10万座。高硫煤矿与有色金属矿山闭坑引发的酸性矿坑废水（AMD）因强酸性、高硫酸盐和（类）重金属等特性，是我国面临的重大环境难题，尤其在山西、山东、安徽、江西、云南、四川和贵州等地，废弃矿山AMD污染事件频发，矿山流域水源地及生态污染严重（如图1所示），成为影响生态环境持续改善和矿区水资源供需矛盾加剧的重大生态环境问题。但当前我国对矿山生态环境的修复仍以复垦、绿化为主，污染治理为辅；针对矿洞涌水的处理以矿井封堵等应急处理和修建污水处理厂等高成本处理措施为主。这些措施短期内可能有所成效，但治标不治本，且工程难度大、经济成本高。而针对新近闭坑以及尚未溢出AMD的废弃矿山缺乏基于监测预警的污染防控体系，导致潜在的AMD污染风险难以防控。因此，亟需开展废弃矿山流域水环境污染现状调查、AMD污染过程机制研究和污染防控与治理技术研发等工作。

图1 废弃矿山AMD污染实例

为此，中国科学院南京土壤研究所陈梦舫研究员团队近期先后至安徽、四川、云南、陕西、山东、广西、广东、江西、湖北等地调研了二十余座具有不同典型矿物类型的废弃矿山，包括金矿、煤矿、硫铁矿、铅锌矿、锡矿、铁矿等。然后基于调研结果，综述了废弃矿山AMD生物化学污染过程，并提出了AMD污染概念模型。

AMD的污染特征与矿山流域地质环境、矿体中硫化矿物含量及水岩相互作用关系密切。废弃矿山AMD污染源包括地下采空区、尾矿库和废渣堆场，其中地下采空区污染过程分为三个阶段（如图2所示）。以煤矿为例，首先是开采阶段，煤矿在开采期间，为保证开采区干燥，需用排水泵进行排水。此时排出的矿井水矿化度较高但污染程度低，通过简单处理后即可排放到地表。开采区排水后煤系地层中的硫化矿物（主要为FeS2）暴露在空气中，氧化产生硫酸和铁的氧化物/氢氧化物，矿体中伴生的重金属等有害物质随之释放出来。该过程可能持续数年甚至数百年，取决于开采年限。其次是闭坑阶段，矿山闭坑后，采空区停止排水，地下水逐步反弹，开采阶段硫化矿物的氧化产物随之溶入地下水中，并随地下水迁移，常与岩石中的碳酸盐矿物发生中和反应。而未被氧化的硫化矿物因为地下水淹没，缺少氧气，氧化中止。这个过程可能持续数个月至数十年，与矿区降雨量及水文地质条件有关。最后是溢出阶段，当地下水反弹至平衡后，最终与地表河流进行水力交换或沿巷道涌出，形成地表径流，污染下游土壤与地表水体。长期使用污染水体浇灌农田或发生洪水时，可能导致农田重金属污染。一旦受污染地下水暴露在空气中，还原态的Fe²⁺将氧化生成Fe³⁺的氧化物和氢氧化物，在河床沉积，形成赭石（ochre）（如图1所示）。赭石的沉积将影响水生植物的光合作用，使底栖生物窒息，破坏流域生态环境。所以新近闭坑以及尚未溢出AMD的废弃矿山仍处于地下水反弹阶段，一旦地下水恢复完毕将释放至地表，因此AMD污染具有长期性与突发性。与采空区类似，尾矿库及废渣堆场因长期暴露在空气中，硫化矿物发生氧化，在雨水淋洗下产生酸性矿井水下渗污染地下水，也可通过地表径流污染下游土壤与地表水体。

图2 地下采空区污染概念模型

针对高硫煤矿与有色金属矿山闭坑阶段的水-岩相互作用机制及生物化学污染过程不明，被动式、低成本修复材料和技术体系缺乏等关键问题，该研究团队分析目前国内外AMD治理技术研究现状及发展趋势，初步提出了废弃矿山AMD污染系统解决方案的思路。

国内外AMD治理技术研究现状：近年来， AMD的治理领域有了较大的发展，高成本的主动处理技术逐渐被低成本的被动处理技术取代。目前，AMD被动处理技术主要有化学处理和生物处理两类（如图3所示）。其中化学处理主要依赖AMD和石灰石等碱性材料的中和反应及金属的水解和沉淀作用，以石灰石沟渠为主。该类技术虽能有效降低AMD的酸度，但去除硫酸根作用有限，并且运行时金属沉淀易包覆在石灰石表面，阻碍石灰石的溶解中和并降低水力传导度。生物处理主要依赖两类微生物的作用去除硫酸根和重金属离子：一是通过氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）等好氧微生物催化铁氧化；二是通过硫酸盐还原菌（Sulfate reducing bacteria, SRB）等厌氧微生物还原硫酸盐生成硫化氢和碳酸盐碱度，以SRB介导的生物反应器和人工湿地为主。但SRB的最适pH是中性，当AMD的pH低于5时效果往往较差，限制了其在实际处理中的广泛应用。

图3 AMD被动治理技术选择流程图

废弃矿山AMD污染系统解决方案：首先，开展高精度环境地质与污染调查，探明地下采空区、尾矿库、废渣堆场及周边地质结构、水文地质特征等，结合开采历史、地下巷道分布等信息，构建矿山流域水环境污染概念模型。其次，探究矿山闭坑阶段水岩相互作用机制及生物化学污染过程，应用地下水流动及地球化学耦合模型预测采空区、尾矿库及废渣堆场区域地下水恢复的动力学过程、非控制性地下水流量及矿井水水质的演变规律及其对地表水水质的影响。针对新近闭坑以及尚未溢出AMD的废弃矿山构建基于地理信息系统的多尺度、多维度、可视化、互动式矿区地下水污染防控技术智慧平台（如图4）。针对已溢出AMD的废弃矿山则发展高效、低成本的“被动治理”技术的新原理和新方法，形成低成本、可持续处理高浓度硫酸盐与铁、锰等重金属的AMD系统解决方案，为我国典型废弃矿山AMD污染的绿色可持续生态治理提供可复制、可推广的工程范例。