朱 琦，胡振琪，葉 春，李春華，李 沖

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中工國(guó)際工程股份有限公司，北京 100080)

0 引 言

煤炭一直以來(lái)都是我國(guó)的主體能源[1]。2021年我國(guó)的原煤總產(chǎn)量為41.3億t，比2020年增加5.7%，占國(guó)家能源消費(fèi)總量的56.0%[2]。 作為當(dāng)今世界第一大煤炭生產(chǎn)國(guó)和煤炭消費(fèi)國(guó)，我國(guó)全年煤炭產(chǎn)量占全球煤炭產(chǎn)量的50.53%。 隨著煤礦區(qū)開(kāi)采活動(dòng)的增加和煤礦開(kāi)發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)礦區(qū)及其周邊區(qū)域生態(tài)的破壞與環(huán)境的污染也日趨嚴(yán)重[3-5]。

煤矸石是煤炭開(kāi)采以及洗選過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，占原煤產(chǎn)量的10%～30%[6-7]。受限于技術(shù)和成本，目前我國(guó)對(duì)煤矸石的綜合利用率雖然在逐年增加，但仍舊處于較低水平(約為60%)[8]，并且矸石存量正在以2.8億t/a的速度增加[9]，已成為我國(guó)排放量最大的工業(yè)固體廢棄物。在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，大量煤矸石因無(wú)法及時(shí)利用和處置，只能就近露天堆存形成煤矸石山。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)存的矸石總積存量可達(dá)45億t，堆積形成的矸石山數(shù)量達(dá)2 600余座[10-11]，占?jí)和恋孛娣e超過(guò)1.2萬(wàn)hm2。

在露天堆存過(guò)程中，煤矸石含有的黃鐵礦等硫化物經(jīng)過(guò)雨水淋溶，以及細(xì)菌催化等影響下發(fā)生氧化、釋放熱量[12]，在堆體內(nèi)部蓄積后引發(fā)矸石中殘?zhí)甲匀迹a(chǎn)生大量H2S、CO、SO2等大氣污染物[13]；同時(shí)在接觸雨水后產(chǎn)生含有高濃度硫酸鹽和大量重金屬離子[14]的酸性礦山廢水(Acid Mine Drainage，AMD)[15-16]。煤矸石中殘?zhí)既紵筠D(zhuǎn)化成CO或CO2進(jìn)入大氣環(huán)境，導(dǎo)致矸石山自燃后內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加松散，可能發(fā)生滑坡、垮塌等災(zāi)害[13]。而且因其內(nèi)部溫度較高，可以達(dá)到800～1 000 ℃，遭遇強(qiáng)降雨時(shí)會(huì)令入滲雨水汽化、生成CO和H2，從而引發(fā)煤矸石山體爆炸，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[17]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)存的矸石堆場(chǎng)有1/3存在不同程度的自燃現(xiàn)象[18]。由采煤廢石堆場(chǎng)酸化自燃所引發(fā)的一系列社會(huì)問(wèn)題和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，目前已經(jīng)成為我國(guó)煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工作的焦點(diǎn)[19]。

目前，我國(guó)煤礦普遍采用的煤矸石堆場(chǎng)抑氧控酸措施主要是針對(duì)需要長(zhǎng)期堆存的煤矸石山，原理是通過(guò)碾壓、惰性材料覆蓋等方法物理阻隔氧氣接觸煤矸石的途徑[20-21]。然而，在煤礦內(nèi)還存在大量需要短期堆存的煤矸石，即煤矸石僅在礦區(qū)內(nèi)臨時(shí)存放數(shù)個(gè)月或數(shù)十個(gè)月，堆場(chǎng)內(nèi)不斷發(fā)生舊矸石被運(yùn)走、新排放矸石補(bǔ)入的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。這種情況下，采用覆蓋、碾壓等措施不僅成本高，而且機(jī)械設(shè)備取用矸石時(shí)可能會(huì)破壞隔氧層，進(jìn)而導(dǎo)致抑氧措施失效[22]。 隨著我國(guó)對(duì)煤矸石綜合利用率提高和利用方式多元化，煤矸石越來(lái)越多地被用于制造基建材料、充填復(fù)墾和燃燒發(fā)電等用途[23]，礦區(qū)對(duì)煤矸石臨時(shí)堆儲(chǔ)期間抑氧控酸措施的需求也日漸增長(zhǎng)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研工作者研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石的氧化還原過(guò)程受到微生物調(diào)控。通過(guò)施加殺菌劑、微生物相互作用等化學(xué)-微生物方法抑制煤矸石氧化，能夠在短期內(nèi)有效控制煤矸石酸性污染，對(duì)于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 抑制氧化菌的煤矸石酸性污染抑制技術(shù)

國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石中含硫化合物氧化過(guò)程主要受到氧化菌生物催化作用影響。這類(lèi)微生物以嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillusferrooxidans，A.ferrooxidans)為代表，它們可以明顯提高二價(jià)亞鐵離子氧化反應(yīng)生成三價(jià)鐵離子的速率。通過(guò)比較得出，在A.ferrooxidans生長(zhǎng)活躍的環(huán)境中，硫鐵礦的氧化速度猛增了50～60倍，可見(jiàn)這類(lèi)微生物是導(dǎo)致煤矸石酸化污染的重要原因。早在1947年，COLMER等[24]就對(duì)酸性礦山廢水中催化亞鐵離子氧化的微生物進(jìn)行了研究，并且成功分離出一株A.ferrooxidans菌株。LEATHEN等[25]在1953年首次提出能夠采用抑制氧化菌生長(zhǎng)的方式，有效減少因高硫煤矸石堆場(chǎng)氧化而產(chǎn)生的酸化污染。NOSA[26]認(rèn)為AMD是礦山尾礦中含硫礦物(主要是黃鐵礦FeS2)氧化后產(chǎn)生的，而影響該過(guò)程的兩大因素分別是化學(xué)氧化劑(O2、Fe3+)和A.ferrooxidans。

殺菌劑能夠顯著降低環(huán)境微生物的活性并影響其在環(huán)境中的行為。國(guó)外學(xué)者自20世紀(jì)80年代就開(kāi)始嘗試在矸石山治理過(guò)程中使用抑菌技術(shù)來(lái)控制氧化和產(chǎn)酸，并獲得了許多成果。自1981年以后，多名科研工作者相繼開(kāi)展了關(guān)于苯甲酸、 山梨酸、 烷基苯磺酸鈉以及十二烷基硫酸鈉(SDS)對(duì)A.ferrooxidans抑制作用的研究，結(jié)果表明，其中SDS對(duì)氧化菌活性的控制效果最好[27]。SAND[28]通過(guò)一個(gè)長(zhǎng)期與德國(guó)和羅馬尼亞的合作項(xiàng)目得出，異噻唑啉酮、有機(jī)材料和碎石灰石覆蓋對(duì)減少煤礦廢棄物中金屬和硫的釋放有一定影響。 HUGO[29]通過(guò)研究證實(shí)了A.ferrooxidans的細(xì)胞質(zhì)膜的半透性能可以通過(guò)洗滌劑來(lái)改變。RAO[30]經(jīng)過(guò)酸性條件下的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，丙酮酸可以在微生物的細(xì)胞內(nèi)積累，實(shí)現(xiàn)對(duì)A.ferrooxidans硫氧化過(guò)程的抑制。 PENG等[31]提出表面活性劑Tween-80能夠影響A.ferrooxidans的胞外蛋白以及細(xì)胞EPS組成和表達(dá)，進(jìn)而阻斷細(xì)菌對(duì)硫的代謝過(guò)程。

近年來(lái)，隨著人們對(duì)殺菌劑的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)愈發(fā)重視，一些易降解、對(duì)環(huán)境影響小的有機(jī)殺菌劑開(kāi)始被研究人員選擇作為煤矸石山氧化抑制材料，如食品防腐劑和陰離子表面活性劑(anionic urface-tants)等[32]。 HU等[33]從中國(guó)山西的煤矸石樣品中分離出了能夠催化硫鐵礦氧化的A.ferrooxidans菌株，并且探究了以上3種有機(jī)殺菌劑(SDS、三氯生和卡松)抑制A.ferrooxidans活性的效果和機(jī)理。研究結(jié)果表明：濃度為10 mg/L SDS、16 mg/L的三氯生和30 mg/L卡松溶液均能有效殺死A.ferrooxidans，F(xiàn)e2+氧化抑制率可達(dá)到74%～85%。

2 利用硫酸鹽還原菌的煤矸石酸性污染修復(fù)技術(shù)

硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacterium，SRB)是指能夠在適宜條件下將硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽、連二亞硫酸鹽等硫氧化物和元素硫還原成S2-的原核微生物[34]。 目前已報(bào)道的SRB共有18個(gè)屬，40多個(gè)種[35]，大多為嚴(yán)格厭氧菌(圖1)[36-37]。

圖1 SRB的電鏡照片

利用SRB處理礦區(qū)廢石堆場(chǎng)酸化污染是當(dāng)前國(guó)際上最具有應(yīng)用前景的方法之一。該技術(shù)屬于微生物修復(fù)法，其基本原理主要是利用SRB在厭氧環(huán)境中轉(zhuǎn)化硫酸根離子，催化氧化有機(jī)碳和提高pH值，產(chǎn)生S2-與溶液中的重金屬離子反應(yīng)生成難溶性沉淀物[41]，其反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)式(1)和式(2)。

SO42-+CH3COO-→2HCO3-+HS-

(1)

S2-+Me2+→MeS↓

(2)

式中，Me為金屬元素。

在處理酸性廢水時(shí)還會(huì)發(fā)生式(3)所示反應(yīng)，HS-與廢水中的H+結(jié)合，形成H2S氣體從水中逸出，從而降低廢水的酸性。

HS-+H+→H2S↑

該方法處理AMD具有經(jīng)濟(jì)適用、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)[42-43]。1969年TUTTLE等[44]就提出可以采用向廢水中加入有機(jī)廢物的方法為SRB提供碳源，以提高水中SRB活性來(lái)處理酸性礦山廢水。在此基礎(chǔ)上，MAREE等[45]在1987年以糖蜜作為外加碳源，利用SRB處理金礦的酸性廢水，不但將出水水質(zhì)由原本的酸性提升至中性，而且令水中的硫酸鹽含量降低了95%以上。SERGEY[46]選擇乙醇作為碳源，利用UASB反應(yīng)器中在厭氧環(huán)境下處理含高濃度硫酸鹽的廢水，該方法對(duì)硫酸鹽還原率可以達(dá)到80%。但不同pH環(huán)境和不同種類(lèi)菌株對(duì)硫酸鹽還原率影響很大。ELLIOTT等[47]開(kāi)展了SRB處理酸性礦山廢水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在pH值為3.25條件下，硫酸根離子還原率僅為38.4%，當(dāng)pH值降低至3時(shí)，硫酸根離子的還原率會(huì)進(jìn)一步下降至14.4%。JONG等[48]將乳酸鹽作為碳源，利用SRB混合菌種處理含有多種金屬離子(如Cu、Zn、Ni、Fe、Al、Mg和As)的酸性礦山廢水，結(jié)果表明，在pH值從4.5提升至7.2的過(guò)程中，Cu、Zn、Ni的去除率均大于97.5%，F(xiàn)e去除率大于82%，As去除率大于77.5%，但對(duì)于Mg和Al的處理效果不佳。該研究認(rèn)為，SRB去除重金屬Cu、Zn、Ni、Fe的途徑主要是通過(guò)還原硫酸鹽產(chǎn)生的硫離子與金屬離子結(jié)合，形成難溶的硫化物沉淀，而對(duì)As的去除率較低則可能是因?yàn)樯镂交蛘吲cCu、Zn、Ni、Fe的離子共沉。

早在1994年，胡文容等[49]就提出了利用SRB處理煤礦產(chǎn)生的酸性廢水。馬保國(guó)等[50]在2008年從酸化污染的煤矸石堆場(chǎng)周邊土壤中分離出高效SRB，硫酸鹽還原率可達(dá)94.3%。 在此基礎(chǔ)上，胡振琪等[51]提出將該SRB菌株應(yīng)用于煤礦酸性廢石堆的酸化污染修復(fù)中，外加少量碳源條件下經(jīng)過(guò)21 d培養(yǎng)后，可將煤矸石浸出液pH值提升至7.02。 唐婕琳等[38]、佘臣杰等[52]采用類(lèi)似方法從湖南某煤礦土壤分離SRB，能夠在2 d時(shí)間內(nèi)將溶液的pH值從4提升至6.5，并去除溶液中的重金屬離子。但SRB的厭氧特性限制了它在煤矸石山等露天場(chǎng)地中的應(yīng)用，因此，朱琦[53]采用厭氧-好氧交替的分離方法，從風(fēng)化煤矸石中分離出一株兼性厭氧的SRB，在好氧培養(yǎng)條件下仍然能保持73.41%的硫酸鹽還原率。目前分離鑒定的SRB生理生化特性情況見(jiàn)表1。

3 基于化學(xué)-微生物協(xié)同的煤矸石山酸化污染原位控制技術(shù)

目前，人們對(duì)于有機(jī)殺菌劑的主要擔(dān)憂(yōu)集中在大量殺菌劑進(jìn)入土壤或水體后可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響[55-56]。因此，需要尋找一種有效途徑將殺菌劑降解[56]，才能避免由施用殺菌劑帶來(lái)的二次污染[58-59]。此外，雖然施用殺菌劑可以抑制酸性廢水的產(chǎn)生，但對(duì)于已經(jīng)存在的酸化污染沒(méi)有去除能力，需要與其他污染修復(fù)方法聯(lián)合使用以達(dá)到抑制氧化和控制污染的效果。

而SRB屬于異養(yǎng)型細(xì)菌，必須依賴(lài)于外加碳源才能良好生長(zhǎng)[60]，這成為制約SRB應(yīng)用的主要限制因素之一。為了增加利用SRB治理廢水的應(yīng)用潛力，一些研究人員采用較廉價(jià)的碳源來(lái)替代傳統(tǒng)碳源，如狄軍貞等[61]研究證明利用蔗糖渣可以作為SRB的碳源；肖利萍等[62-63]通過(guò)研究得出，將雞糞和木屑混合物的發(fā)酵產(chǎn)物用作有機(jī)碳源也具備可行性。CHANG等[64]和ZAGURY等[65]將多種天然有機(jī)廢棄物作為SRB碳源的效果進(jìn)行了對(duì)比分析，包括木屑及其經(jīng)過(guò)發(fā)酵后的產(chǎn)物、有機(jī)污泥和高有機(jī)質(zhì)含量的土壤，研究發(fā)現(xiàn)，采取發(fā)酵等方法對(duì)天然有機(jī)物碳源進(jìn)行處理，能夠提高SRB對(duì)碳源的利用效率。

圖2 有機(jī)殺菌劑與SRB協(xié)同抑制煤矸石氧化的原理示意圖

4 展 望

采用化學(xué)-微生物法控制煤矸石山酸化污染是一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ沫h(huán)境治理技術(shù)?；瘜W(xué)殺菌劑通過(guò)短期內(nèi)抑制氧化菌對(duì)煤矸石的催化氧化作用，降低煤矸石的氧化反應(yīng)速率；SRB能夠還原煤矸石氧化后產(chǎn)生的硫酸鹽，從而減少酸性廢水產(chǎn)生和固定金屬陽(yáng)離子；而將殺菌劑與SRB協(xié)同使用，可以在提高修復(fù)效果的同時(shí)彌補(bǔ)兩種方法的缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)殺菌劑的選擇、SRB的分離及其修復(fù)煤矸石酸化污染的效果進(jìn)行了大量研究，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在很多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，下一步研究可以從以下幾方面深入展開(kāi)。

1) 提高SRB修復(fù)效率研究。除了改進(jìn)富集、分離和純化方法，以篩選出修復(fù)效率更高、抗逆性更好的SRB菌株以外，也可以通過(guò)基因工程的手段，人為提高SRB對(duì)底物的利用效率，從而改良其固硫能力；或者植入高效降解有機(jī)殺菌劑的基因片段，以提高菌株對(duì)高濃度殺菌劑的耐受性和降解效率。

2) 改良?xì)⒕鷦┭芯?。研發(fā)出對(duì)環(huán)境影響小、對(duì)氧化菌抑制效果強(qiáng)，并且容易生物降解的新型環(huán)保殺菌劑，對(duì)于抑制煤矸石山酸化具有重要意義。此外，應(yīng)當(dāng)制備出能夠針對(duì)A.ferrooxidans進(jìn)行特異性抑制的專(zhuān)性殺菌劑，并且不會(huì)影響到其他微生物的正常生長(zhǎng)，就可以與更多種類(lèi)的環(huán)境微生物協(xié)同使用，強(qiáng)化污染修復(fù)效果。

3) 緩釋殺菌劑研究。在實(shí)際工程中，殺菌劑會(huì)因?yàn)橛晁疀_刷、生物降解等原因流失，因此只能在短期內(nèi)抑制煤矸石氧化。通過(guò)將殺菌劑與保水材料制備成緩釋劑，可以有效延長(zhǎng)對(duì)氧化菌的抑制時(shí)間，并且為SRB提供穩(wěn)定的碳源，長(zhǎng)期保持SRB的生長(zhǎng)活性，可能會(huì)成為一個(gè)重要的研究方向。